WebGL学习 - 3D场景

Posted 2020-08-18

原文地址：WebGL学习(2) - 3D场景

经过前面WebGL学习(1) - 三角形的学习，我们已经掌握了webGL的基础知识，也已经能够画出最基本的图形，比如点，线，三角形，矩形等。有了2D绘图的基础，现在终于可以进入精彩的3D世界了，来看一下这一节要实现的3D的效果吧。
实际效果：webGL3D场景

webGL渲染流程

重温一下webGL的渲染流程，这一节在第3、4、5、6步骤需要学习新的内容。其中写入数据交叉存放缓冲区，设置隐藏面消除，清空深度缓冲都是比较简单的部分。重点和难点是在3D变换的环节，在理解了矩阵的原理基础上，这次使用了《WebGL编程指南》提供的矩阵操作库。

1. 获取webGL绘图上下文
2. 初始化着色器
3. 创建、绑定缓冲区对象
   3. 3D变换
   4. 向顶点着色器和片元着色器写入数据(数据交叉存放缓冲区)
   5. 设置canvas背景色，设置隐藏面消除
   6. 清空canvas|清空深度缓冲
4. 绘制

着色器

着色器代码修改为下面，我们现在需要为每个顶点都使用不同的颜色，所以使用到了varying限定符的变量，这个变量目的就是连接顶点和片元着色器，把顶点信息和颜色信息结合起来。看到顶点着色器和片元着色器都有的v_color变量了吗？其实就是通过全局变量传递。
顶点着色器

    <script type="x-shader/x-vertex" id="vs">
    attribute vec4 a_Position; //顶点
    uniform mat4 u_MvpMatrix;//模型视点投影矩阵
    attribute vec4 a_Color;
    varying vec4 v_color;// 连接片元着色器
    void main() { 
        gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;
        v_color=a_Color;//传递给片元着色器变量
    } 
    </script>

片元着色器

    <script type="x-shader/x-fragment" id="fs">
    precision mediump float; // 精度限定
    varying vec4 v_color; //从顶点着色器接收
    void main() {
        gl_FragColor = v_color;
    }
    </script>

3D坐标系

第1、2、3步骤前面文章已经介绍，现在我们直接进入3D的环节。3D比2D主要就是多了深度信息，用坐标系来描述就是，除xy轴外，还多了z轴。webGL的坐标系跟我们web的坐标系是不一样的，首先它原点不是在左上角而是位于中间，xyz方向也不同。

视点和视线

接着引入一个概念，视点，也就是定义观察者的位置，观察者能看多远，观察者的方向，直接看图吧

上方向就是观测者从哪个方向看，(0,1,0)是正常的Y轴正方向，(1,0,0)就相当于物体向左旋90度，等于我们把头打横看物体。通过定义视点矩阵，我们看到的图形的形状会产生变化的，就和我们实际环境不同的角度位置观察同一物体是一样一样的。我们调用矩阵库中的方法，会产生出一个4X4的矩阵，具体中间的产生过程，可以看源代码。

    // (视点，观察目标点，上方向)
    setLookAt(eyeX, eyeY, eyeZ, centerX, centerY, centerZ, upX, upY, upZ)

投影可视空间

只有指定了可视空间，webGL才会去绘制图形，有两种类型：
一是盒状可视空间，由正射投影产生，它产生的图形，前后物体没有大小区别，都是一样高宽。

调用矩阵库的setOrtho方法，产生矩阵

    // 正视投影 (left,right,bottom,top,near,far), 组成一个正方体的可视空间 
    setOrtho(left, right, bottom, top, near, far);

二是四棱锥可视空间，由透视投影产生，透视投影产生的3D场景更加真实自然，它产生的图形具有近大远小的透视效果，当然性能消耗相对正射投影高一些。

调用setPerspective方法，同理生成矩阵

    // 投影矩阵(fov可视空间底面和顶面夹角<大于0>,近裁截面宽高比,近裁截面位置<大于0>,远裁截面位置<大于0> )
    setPerspective(fovy, aspect, near, far)

数据交叉存放缓冲区

我们既可以给不同的信息分别创建单独缓冲区，也可以给不同的信息创建同一块合用的缓冲区，前者适合数据量小的情况，我们现在实现第二种情况：给不同的信息创建一块缓冲区，并交叉存放。首先用一个数组同时存放顶点信息和顶点对应的颜色信息，接着创建缓冲区后调用gl.vertexAttribPointer()，该方法有定义每个分量的个数，每一行的个数以及偏移数，当然相邻顶点数和偏移量要乘以单位字节，具体看代码的注释。

        /**
         * 混合缓冲区(包括顶点，颜色)，每一行前3个是顶点信息，后3个是颜色信息
         */
        var verticeColors=new Float32Array([
             0.0,  1.0,  -2.0,  0.3,  1.0,  0.4, 
            -0.5, -1.0,  -2.0,  0.3,  1.0,  0.4,
             0.5, -1.0,  -2.0,  1.0,  0.4,  0.4, 

             0.0,  1.0,  -1.0,  1.0,  1.0,  0.4, 
            -0.5, -1.0,  -1.0,  1.0,  1.0,  0.4,
             0.5, -1.0,  -1.0,  1.0,  0.4,  0.4, 

             0.0,  1.0,   0.0,  0.4,  0.4,  1.0, 
            -0.5, -1.0,   0.0,  0.4,  0.4,  1.0,
             0.5, -1.0,   0.0,  1.0,  0.4,  0.4, 
        ]);
        // 创建缓冲区
        if(!createBuffer(verticeColors)){
            console.log('Failed to create the buffer object');
            return;
        }

        // 每个元素的字节
        var FSIZE = verticeColors.BYTES_PER_ELEMENT;
        // 获取顶点位置
        var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
        // (地址,每个顶点分量的个数<1-4>,数据类型<整形，符点等>,是否归一化,指定相邻两个顶点间字节数<默认0>,指定缓冲区对象偏移字节数量<默认0>)
        gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, 6*FSIZE, 0);
        // Enable the assignment to a_Position variable
        gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

        // 获取a_Color变量的存储地址并赋值
        var a_Color = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Color');
        gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, 6*FSIZE, 2*FSIZE);
        gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

3D相关的其他设置

开启隐藏面消除可以减少渲染量，提高性能，同时还可以避免顺序不一致时，后面的图形盖住前面的图形。而多边形偏移，可以避免深度很接近的两个图形产生冲突。当然每次重新渲染的时候，在清屏的同时清除深度缓冲，具体实现请看代码。

    // 开启隐藏面消除
    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
    //清屏|清深度缓冲
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
    // 启用多边形偏移，避免深度冲突
    gl.enable(gl.POLYGON_OFFSET_FILL);
    //设置偏移量
    gl.polygonOffset(1.0, 1.0);

执行动画

来看一下我们执行动画的部分，首先设置好用于位移旋转的模型矩阵，然后依次产生视点矩阵，投影矩阵，接着把它们相乘产生出mvp矩阵，然后传入变量，最后绘图。在绘制完第一组图形的时候，将前面的mvp矩阵再左移2个单位，再绘制一遍，于是就产生出了第二组图形。具体的逻辑情况代码注释。

    var angle=0;
    // 执行动画
    (function animate(){
        // 旋转位移 等于绕原点Y旋转
        modelMatrix.setRotate((angle++)%360,0,1,0);
        modelMatrix.translate(1, 0, 1);
        // (视点，观察目标点，上方向)
        viewMatrix.setLookAt(-0.25, -0.25, 5, 0, 0, -100, 0, 1, 0);
        // 投影矩阵(fov可视空间底面和顶面夹角<大于0>,近裁截面宽高比,近裁截面位置<大于0>,远裁截面位置<大于0> )
        projMatrix.setPerspective(30, canvas.width/canvas.height, 1, 100);
        // 矩阵相乘
        mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);
        // 赋值
        gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);


        //清屏|清深度缓冲
        gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
        // 启用多边形偏移，避免深度冲突
        gl.enable(gl.POLYGON_OFFSET_FILL);

        // (基本图形，第几个顶点，执行几次)，修改基本图形项可以生成点，线，三角形，矩形，扇形等
        gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 9);

        //位移后，再将前面3个三角形重新绘制
        modelMatrix.translate(-2, 0, 0);
        mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);
        gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);

        //设置偏移量
        gl.polygonOffset(1.0, 1.0);
        gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 9); 

        requestAnimationFrame(animate);
    }());

总结

学习完3D场景后，我们又再一次领略到了线性代数中矩阵在图形学中的重要作用。3D的矩阵转换才是需要空间思维和深入理解的部分，其他地方说实话就是学习如何调用api。
最后，献上主体的全部代码

    var canvas=document.getElementById('canvas'),
        gl=get3DContext(canvas,true);

    function main() {
        if (!gl) {
            console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
            return;
        }

        if (!createShaders(gl, 'fs', 'vs')) {
            console.log('Failed to intialize shaders.');
            return;
        }

        /**
         * 混合缓冲区(包括顶点，颜色)
         */
        var verticeColors=new Float32Array([
             0.0,  1.0,  -2.0,  0.3,  1.0,  0.4,
            -0.5, -1.0,  -2.0,  0.3,  1.0,  0.4,
             0.5, -1.0,  -2.0,  1.0,  0.4,  0.4, 

             0.0,  1.0,  -1.0,  1.0,  1.0,  0.4,
            -0.5, -1.0,  -1.0,  1.0,  1.0,  0.4,
             0.5, -1.0,  -1.0,  1.0,  0.4,  0.4, 

             0.0,  1.0,   0.0,  0.4,  0.4,  1.0,
            -0.5, -1.0,   0.0,  0.4,  0.4,  1.0,
             0.5, -1.0,   0.0,  1.0,  0.4,  0.4, 
        ]);
        // 创建缓冲区
        if(!createBuffer(verticeColors)){
            console.log('Failed to create the buffer object');
            return;
        }

        // 每个元素的字节
        var FSIZE = verticeColors.BYTES_PER_ELEMENT;
        // 获取顶点位置
        var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
        // (地址,每个顶点分量的个数<1-4>,数据类型<整形，符点等>,是否归一化,指定相邻两个顶点间字节数<默认0>,指定缓冲区对象偏移字节数量<默认0>)
        gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, 6*FSIZE, 0);
        // Enable the assignment to a_Position variable
        gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

        // 获取a_Color变量的存储地址并赋值
        var a_Color = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Color');
        gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, 6*FSIZE, 2*FSIZE);
        gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

        var u_MvpMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_MvpMatrix');
        if(!u_MvpMatrix) { 
            console.log('Failed to get the storage location of u_MvpMatrix');
            return;
        }
        // 设置背景颜色
        gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
        // 开启隐藏面消除
        gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

        var modelMatrix = new Matrix4(); // 模型矩阵
        var viewMatrix = new Matrix4();  // 视点矩阵
        var projMatrix = new Matrix4();  // 投影矩阵
        var mvpMatrix = new Matrix4();   // 用于相乘用
        var angle=0;
        // 执行动画
        (function animate(){
            // 旋转位移 等于绕原点Y旋转
            modelMatrix.setRotate((angle++)%360,0,1,0);
            modelMatrix.translate(1, 0, 1);
            // (视点，观察目标点，上方向)
            viewMatrix.setLookAt(-0.25, -0.25, 5, 0, 0, -100, 0, 1, 0);
            // 投影矩阵(fov可视空间底面和顶面夹角<大于0>,近裁截面宽高比,近裁截面位置<大于0>,远裁截面位置<大于0> )
            projMatrix.setPerspective(30, canvas.width/canvas.height, 1, 100);
            // 矩阵相乘
            mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);
            // 赋值
            gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);


            //清屏|清深度缓冲
            gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
            // 启用多边形偏移，避免深度冲突
            gl.enable(gl.POLYGON_OFFSET_FILL);

            // (基本图形，第几个顶点，执行几次)，修改基本图形项可以生成点，线，三角形，矩形，扇形等
            gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 9);


            //位移后，再将前面3个三角形重新绘制
            modelMatrix.translate(-2, 0, 0);
            mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);
            gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);

            //设置偏移量
            gl.polygonOffset(1.0, 1.0);
            gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 9);

            requestAnimationFrame(animate);
        }());
    }

    main();