内容简介:WebGL,真正进入三维的世界
一、在此之前
在之前的文章中,我想大家已经对 WebGL 有了一个大体的了解,不过为了凑字数,我在这篇文章的开头再稍微回顾一下,如果我们需要使用 WebGL 来绘制图像需要走完以下这五步:
1、 从 canvas 元素中获取 webgl context
2、 利用 GLSL ES 语言,编写顶点着色器和片元着色器,并成对应的着色器程序
3、 准备好你想要绘制的图像的顶点数据,并写入缓冲区
4、 把着色器中的变量与载有顶点数据的缓冲区对应起来
5、 最后执行着色器程序,并在 canvas 上绘制出图形
当然,并不是说所有的 WebGL 程序都必须按这样的逻辑进行,这里只是让大家对 WebGL 有一个基本的概念,而那些项目中使用到的真正的 WebGL 程序要比这复杂得多。
为了使得我们能集中精力去编写那些酷炫的 WebGL 程序,我把上面这些基本的步骤封装在几个 工具 类中,大家只要在页面里引入附件中的gl-core-min.js即可。在 gl-core 文件中,第一个提供给大家使用的是 Program 类,用于创建和管理着色器程序,具体使用如下:
<div class="km_insert_code" style="text-align: left;"> var program = new Program(gl); // 载入顶点着色器 program.attach(VERTEX_SHADER_SOURCE, gl.VERTEX_SHADER); // 载入片元着色器 program.attach(FRAGMENT_SHADER_SOURCE, gl.FRAGMENT_SHADER); program.link(); program.bind(); </div>
第二个提供给大家使用的是 Buffer 类,用于创建和管理数据缓冲区,具体使用如下:
<div class="km_insert_code" style="text-align: left;"> // 创建顶点数据缓冲区 var vertexBuffer = new Buffer(gl, gl.ARRAY_BUFFER); // 向缓存区写入数据 vertexBuffer.write(modelObject.vertex, gl.STATIC_DRAW); // 是缓冲区中的数据和着色器中的a_VertexPosition变量对应起来 vertexBuffer.bind(programAttribs.a_VertexPosition, 3, gl.FLOAT); </div>
除此以外,由于三维图形绘制还会涉及到大量的矩阵或向量运算,我们需要一些数学工具辅助我们的开发,这里给大家介绍一个库——gl-matrix( http://glmatrix.net/ )。同样,大家只要在页面里引入附件中的gl-matrix-min.js即可。这里给大家演示一下gl-matrix的基本用法,详细的可以参考官网上的文档:
<div class="km_insert_code" style="text-align: left;"> // 创建4x4矩阵 var viewMatrix = mat4.create(); // 对矩阵进行转置 mat4.transpose(viewMatrix, viewMatrix); // 对矩阵进行求反 mat4.invert(viewMatrix, viewMatrix); // 创建1x3向量 var positionVector = vec3.create(); // 对向量进行规范化 vec3.normalize(positionVector, positionVector); </div>
有了这些工具,我们就可以开始讲解今天的主题了,使用 WebGL 绘制三维图形。
二、从2D到3D
在之前的例子中,我只是给大家演示了如何绘制一个二维的矩形,但 WebGL 真正强大的地方,在于它为我们提供了三维图像的绘制能力。当然这主要的得益于 WebGL 的计算速度,要知道,绘制三维图形,我们需要进行大量的(逐顶点甚至是逐片元)的矩阵运算,而且这些运算都必须在 16ms 内完成,才能保证画面的流畅。如果是直接使用 Canvas 2D Api 绘制三维图像,所有这些运算,只能在 CPU 中完成。而通过 WebGL ,这些耗时的运算就可以直接交给 GPU ,通过 GPU 中一些专用的硬件,使得运算的过程得到优化(管线,并行)。
说了那么多,那到底我们怎样才能绘制出一个三维图形呢?要绘制出三维图像,我们首先要知道三维图像和二维图像有那些区别。
从上面这幅图,我们可以比较直观的看到一个正方形到立方体的演变过程,主要经历了以下四步:
1、 给图像加入深度信息,也就是让这个正方形有了厚度,从一个“面”成为一个“体”
2、 换一个角度去观察我们的场景(45度俯瞰),这使得深度信息在视觉上得到了体现
3、 光有深度信息还不够,我们观察三维图像一般是带透视的,这样图像更有立体感
4、 最后我们需要在场景中加入灯光,灯光下的立方体更加真实
这样我们就有了一个大致的方向,为了绘制三维图形,我们需要一下四部分信息:
<div class="km_insert_code" style="text-align: left;"> // 获取立方体的顶点数据,包含深度信息(即z轴坐标) var modelObject = getCubeVertexData(); // 获取视图变换矩阵,用来模拟摄像机在不同角度的拍摄 var viewMatrix = getCameraMatrix(); // 获取透视变换矩阵,用来模拟现实中近大远小的透视效果 var projectMatrix = getPerspectiveMatrix(); // 获取灯光数据,这里得到的是一个点光源,类似白炽灯 var pointLight = getPositionalLight(); </div>
接下来,我就带着大家一步一步来完成各个方法的功能开发,首先是 getCubeVertexData方法:
<div class="km_insert_code" style="text-align: left;"> function getCubeVertexData() { var width = 4, height = 4, depth = 4; var w = width / 2, h = height / 2, d = depth / 2; // 顶点数据,三个坐标(x, y, z)组成一个顶点 // 每个面有4个点,总共是4x6,24个顶点坐标 var vertices = new Float32Array([ -w, h, d, w, h, d, -w,-h, d, w,-h, d, // 0-1-2-3 // front w, h,-d, -w, h,-d, w,-h,-d, -w,-h,-d, // 4-5-6-7 // back -w, h,-d, -w, h, d, -w,-h,-d, -w,-h, d, // 8-9-10-11 // left w, h, d, w, h,-d, w,-h, d, w,-h,-d, // 12-13-14-15 // right -w, h,-d, w, h,-d, -w, h, d, w, h, d, // 16-17-18-19 // top -w,-h, d, w,-h, d, -w,-h,-d, w,-h,-d // 20-21-22-23 // bottom ]); // 法线方向,三个坐标(x, y, z)组成一条法线 // 例如 [0, 0, 1] 代表指向z轴正方向,长度为1的法线 var normals = new Float32Array([ 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, // 0-1-2-3 // front 0, 0,-1, 0, 0,-1, 0, 0,-1, 0, 0,-1, // 4-5-6-7 // back -1, 0, 0, -1, 0, 0, -1, 0, 0, -1, 0, 0, // 8-9-10-11 // left 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // 12-13-14-15 // right 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, // 16-17-18-19 // top 0,-1, 0, 0,-1, 0, 0,-1, 0, 0,-1, 0 // 20-21-22-23 // bottom ]); // 顶点下标,WebGL中只能绘制三角形 // 因此绘制一个面(矩形),需要两个三角形 // // 0┌──────────┐1 // | | // │ │ // 2└──────────┘3 // // 其中 [0, 1, 2] 三个顶点构成第一个三角形 // 而 [1, 3, 2] 三个顶点构成了第二个三角形 var indices = new Uint16Array([ 0, 1, 2, 1, 3, 2, // front 4, 5, 6, 5, 7, 6, // back 8, 9, 10, 9, 11, 10, // left 12, 13, 14, 13, 15, 14, // right 16, 17, 18, 17, 19, 18, // top 20, 21, 22, 21, 23, 22 // bottom ]); return { vertices: vertices, normals: normals, indices: indices, size: indices.length }; } </div>
从getCubeVertexData方法中,我们获得了与立方体相关的顶点数据,其中包括了顶点坐标vertices,顶点法线方向normals,还有顶点下标indices。其中大家可以注意到,顶点的坐标是包含了z轴坐标,也就是包含了深度信息。有了这些信息,我们就可以进行下一步了,但在继续讲解前,我需要给大家普及一些基本的计算机图形学姿势——矩阵变换。
PG 以下内容涉及三角函数和线性代数,敬请家长注意
1、旋转变换
从上图,已知坐标(x, y),求出绕(0, 0)点旋转弧度b后的坐标(x , y
)
我们可以使用矩阵来表示:
2、拉伸变换
已知坐标(x, y),求出绕(0, 0)点向x拉伸s倍,向y方向拉伸t倍后的坐标(x , y
)
同样,我们可以使用矩阵来表示:
3、平移变换
已知坐标(x, y),求出向x方向平移s,向y方向平移t后的坐标(x , y
)
似乎我们没有办法把它转换成矩阵表示?Too Naive,只要我们引入齐次坐标即可:
通过以上的演示,我们得到了这样一个结论,所有的几何变换都可以转换成这种向量左乘矩阵的形式表示,而且多种变换作用于同一坐标点,只需依次与对应的矩阵左乘即可。
有了以上这些数学姿势,我们就可以继续我们的编码了。
我们先看getCameraMatrix方法 ,用于获取视图变换矩阵。WebGL绘图都是眼睛(摄像机)在z轴上,向z轴负方向(即屏幕方向)看去产生的视图:
我们并不能改变这个视线的方向。因此,为了能从别的角度来观察场景,我们只能对场景本身进行操作,例如我们要把眼睛从(0, 0, 0)点移动到(0, 0, 10)点,实质上可以通过,把整个场景向z轴负方向移动10来到达相同的效果。也就是说,我们可以通过对场景进行反向的几何变换来模拟眼睛的移动。但如果每一步都需要我们手动的进行反向操作,也未免太麻烦了,为此gl-matrix中提供了mat4.lookAt这样一个方法来辅助我们进行计算:
<div class="km_insert_code" style="text-align: left;"> function getCameraMatrix() { var viewMatrix = mat4.create(); // 眼睛的位置 var eye = vec3.fromValues(10, 10, 10); // 眼睛所看目标位置 var center = vec3.fromValues(0, 0, 0); // 眼睛向上的方向 var up = vec3.fromValues(-1, 1, -1); mat4.lookAt(viewMatrix, eye, center, up); return viewMatrix; } </div>
利用mat4.lookAt方法,我们可以快速的得到眼睛从(10, 10, 10)点,望向(0, 0, 0)点的所需要的反向几何变换矩阵,我们把所得到的矩阵称为视图变换矩阵。
接下来我们看看getPerspectiveMatrix方法 ,用于获取透视变换矩阵。WebGL绘图的空间,实际为一个1x1x1的单位立方体,而我们眼睛所看到的真实的视觉空间,则是一个四方台:
我们要在WebGL中模拟这种透视,实际就是把这个四方台变换到WebGL的单位立方体上,只要是变换,我们都可以使用矩阵来表示,当然这其中的数学推导我(wo)就(ye)不(bu)说(dong)了,gl-mtraix给我们提供了mat4.perspective方法,来帮助我们计算出这个透视变换矩阵:
<div class="km_insert_code" style="text-align: left;"> function getPerspectiveMatrix() { var projectMatrix = mat4.create(); // 视场角45度,宽高比为1,最近的平面为z等于0.1,最远的平面为z等于1000 mat4.perspective(projectMatrix, 45, 1, 0.1, 1000); return projectMatrix; } </div>
最后,调用 getPositionalLight ,来得到灯光信息。这里我们模拟的是一个点光源,与点光源相关的信息,只有两个,第一个是光源的颜色,另一个是光源的位置:
<div class="km_insert_code" style="text-align: left;"> function getDirectionalLight() { // 点光源的颜色,白色,带点灰 var color = vec3.fromValues(0.7, 0.7, 0.7); // 点光源的位置,坐标(-10, 5, 10) var position = vec3.fromValues(-10, 5, 10); return { color: color, position: position }; } </div>
三、3D世界
来到这里我们终于集齐7颗龙珠,可以召唤出神龙了!!!!!
好吧,其实还不可以,我们只是拥有了用于绘制的数据,但怎么绘制我们还不知道(神龙:怪我咯)
我们之前说过,要教会WebGL绘图,我们需要着色器。着色器其实是GPU提供给我们的可编程接口,用于对GPU的管线进行编程,使得GPU能完成我们所需的渲染需求。着色器程序写得好,你就等于成为了上帝,上帝说要有水,给你( http://www.html5tricks.com/demo/webgl-water/index.html ),上帝说要有风,拿去( http://www.bongiovi.tw/experiments/webgl/blossom/ )
我们不需要弄这么复杂,只要有钱,不,只要一个立方体就可以了:
顶点着色器
<div class="km_insert_code"> attribute vec4 a_VertexPosition; attribute vec4 a_VertexNormal; uniform mat4 u_ProjectMatrix; uniform mat4 u_ViewMatrix; uniform mat4 u_NormalMatrix; varying vec3 v_VertexPosition; varying vec3 v_VertexNormal; void main() { vec4 vertexPosition = u_ViewMatrix * a_VertexPosition; vec4 vertexNormal = u_NormalMatrix * a_VertexNormal; v_VertexPosition = vertexPosition.xyz; v_VertexNormal = vertexNormal.xyz; gl_Position = u_ProjectMatrix * vertexPosition; } </div>
片元着色器
<div class="km_insert_code"> precision mediump float; varying vec3 v_VertexPosition; varying vec3 v_VertexNormal; uniform vec3 u_Color; uniform vec3 u_LightColor; uniform vec3 u_LightPosition; void main() { vec3 direction = normalize(u_LightPosition - v_VertexPosition); vec3 normal = normalize(v_VertexNormal); vec3 color = u_LightColor * u_Color * max(dot(direction, normal), 0.0); gl_FragColor = vec4(color, 1.0); } </div>
鉴于篇幅的关系,这次我就先不解析这两个着色器的意思,有兴趣的同学可以rtx我。
有了着色器,我们就利用gl-core提供给我们的方法,生成着色器程序,把数据写于缓冲区,最终绘制我们想要的立方体:
<div class="km_insert_code"> // 创建着色器程序 var program = new Program(gl); // 绑定顶点着色器 program.attach(VERTEX_SHADER_SOURCE, gl.VERTEX_SHADER); // 绑定片元着色器 program.attach(FRAGMENT_SHADER_SOURCE, gl.FRAGMENT_SHADER); program.link(); program.bind(); // 创建顶点坐标缓存区 var vertexBuffer = new Buffer(gl, gl.ARRAY_BUFFER); // 写入顶点坐标数据 vertexBuffer.write(modelObject.vertices, gl.STATIC_DRAW); vertexBuffer.bind(program.attribs.a_VertexPosition, 3, gl.FLOAT); // 创建顶点法线缓冲区 var normalBuffer = new Buffer(gl, gl.ARRAY_BUFFER); // 写入顶点法线数据 normalBuffer.write(modelObject.normals, gl.STATIC_DRAW); normalBuffer.bind(program.attribs.a_VertexNormal, 3, gl.FLOAT); // 创建顶点下标缓存区 var indexBuffer = new Buffer(gl, gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER); // 写入顶点下标数据 indexBuffer.write(modelObject.indices, gl.STATIC_DRAW); indexBuffer.bind(); // 写入透视变换矩阵 gl.uniformMatrix4fv(program.uniforms.u_ProjectMatrix, false, projectMatrix); // 写入视图变换矩阵 gl.uniformMatrix4fv(program.uniforms.u_ViewMatrix, false, viewMatrix); // 写入法线变换矩阵 gl.uniformMatrix4fv(program.uniforms.u_NormalMatrix, false, normalMatrix); // 写入立方体颜色 gl.uniform3f(program.uniforms.u_Color, 1.0, 0.0, 0.0); // 写入灯光颜色 gl.uniform3fv(program.uniforms.u_LightColor, pointLight.color); // 写入灯光位置 gl.uniform3fv(program.uniforms.u_LightPosition, pointLight.position); // 清除color buffer和depth buffer中的数据 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT); // 绘制 gl.drawElements(gl.TRIANGLES, modelObject.size, gl.UNSIGNED_SHORT, 0); </div>
大功告成!!!!
以上!
以上所述就是小编给大家介绍的《WebGL,真正进入三维的世界》,希望对大家有所帮助,如果大家有任何疑问请给我留言,小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对 码农网 的支持!
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