WebGL学习(2) - 3D场景

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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
4. 3D变换
5. 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)
6. 设置canvas背景色，设置隐藏面消除
7. 清空canvas|清空深度缓冲
8. 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();