WebGL基础入门教程(六)：第一个三维示例(使用模型视图投影变换)

1. 概述

在上一篇教程《WebGL简易教程(五)：图形变换(模型、视图、投影变换)》中，详细讲解了OpenGL/WebGL关于绘制场景的模型变换、视图变换以及投影变换的过程。不过那篇教程是纯理论知识，这里就具体结合一个实际的例子，进一步理解WebGL中是如何通过图形变换让一个真正的三维场景显示出来。

2. 示例：绘制多个三角形

继续改进之前的代码，这次就更进一步，在一个场景中绘制了三个三角形。

2.1. Triangle_MVPMatrix.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <head>
    <meta charset="utf-8" />
    <title>Hello Triangle</title>
  </head>

  <body onload="main()">
    <canvas id="webgl" width="400" height="400">
    Please use a browser that supports "canvas"
    </canvas>

    <script src="../lib/webgl-utils.js"></script>
    <script src="../lib/webgl-debug.js"></script>
    <script src="../lib/cuon-utils.js"></script>
    <script src="../lib/cuon-matrix.js"></script>
    <script src="Triangle_MVPMatrix.js"></script>
  </body>
</html>

与之间的代码相比，这段代码主要是引入了一个cuon-matrix.js，这个是一个图形矩阵的处理库，能够方便与GLSL进行交互。

2.2. Triangle_MVPMatrix.js

// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;/n' + // attribute variable
  'attribute vec4 a_Color;/n' +
  'uniform mat4 u_MvpMatrix;/n' +
  'varying vec4 v_Color;/n' +
  'void main() {/n' +
  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;/n' + // Set the vertex coordinates of the point
  '  v_Color = a_Color;/n' +
  '}/n';

// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
  'precision mediump float;/n' +
  'varying vec4 v_Color;/n' +
  'void main() {/n' +
  '  gl_FragColor = v_Color;/n' +
  '}/n';

function main() {
  // 获取 <canvas> 元素
  var canvas = document.getElementById('webgl');

  // 获取WebGL渲染上下文
  var gl = getWebGLContext(canvas);
  if (!gl) {
    console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
    return;
  }

  // 初始化着色器
  if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
    console.log('Failed to intialize shaders.');
    return;
  }

  // 设置顶点位置
  var n = initVertexBuffers(gl);
  if (n < 0) {
    console.log('Failed to set the positions of the vertices');
    return;
  }

  //设置MVP矩阵
  setMVPMatrix(gl,canvas);

  // 指定清空<canvas>的颜色
  gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

  // 开启深度测试
  gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

  // 清空颜色和深度缓冲区
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

  // 绘制三角形
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, n);
}

//设置MVP矩阵
function setMVPMatrix(gl,canvas) {
  // Get the storage location of u_MvpMatrix
  var u_MvpMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_MvpMatrix');
  if (!u_MvpMatrix) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_MvpMatrix');
    return;
  }

  //模型矩阵

  var modelMatrix = new Matrix4();
  modelMatrix.setTranslate(0.75, 0, 0);

  //视图矩阵
  var viewMatrix = new Matrix4();  // View matrix
  viewMatrix.setLookAt(0, 0, 5, 0, 0, -100, 0, 1, 0);

  //投影矩阵
  var projMatrix = new Matrix4();  // Projection matrix
  projMatrix.setPerspective(30, canvas.width / canvas.height, 1, 100);

  //MVP矩阵
  var mvpMatrix = new Matrix4();
  mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);

  //将MVP矩阵传输到着色器的uniform变量u_MvpMatrix
  gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);
}

//
function initVertexBuffers(gl) {
  // 顶点坐标和颜色
  var verticesColors = new Float32Array([
    0.0, 1.0, -4.0, 0.4, 1.0, 0.4,  //绿色在后
    -0.5, -1.0, -4.0, 0.4, 1.0, 0.4,
    0.5, -1.0, -4.0, 1.0, 0.4, 0.4,

    0.0, 1.0, -2.0, 1.0, 1.0, 0.4, //黄色在中
    -0.5, -1.0, -2.0, 1.0, 1.0, 0.4,
    0.5, -1.0, -2.0, 1.0, 0.4, 0.4,

    0.0, 1.0, 0.0, 0.4, 0.4, 1.0,  //蓝色在前
    -0.5, -1.0, 0.0, 0.4, 0.4, 1.0,
    0.5, -1.0, 0.0, 1.0, 0.4, 0.4,
  ]);

  //
  var n = 9; // 点的个数
  var FSIZE = verticesColors.BYTES_PER_ELEMENT;   //数组中每个元素的字节数

  // 创建缓冲区对象
  var vertexBuffer = gl.createBuffer();
  if (!vertexBuffer) {
    console.log('Failed to create the buffer object');
    return -1;
  }

  // 将缓冲区对象绑定到目标
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
  // 向缓冲区对象写入数据
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);

  //获取着色器中attribute变量a_Position的地址 
  var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
  if (a_Position < 0) {
    console.log('Failed to get the storage location of a_Position');
    return -1;
  }
  // 将缓冲区对象分配给a_Position变量
  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);

  // 连接a_Position变量与分配给它的缓冲区对象
  gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

  //获取着色器中attribute变量a_Color的地址 
  var a_Color = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Color');
  if (a_Color < 0) {
    console.log('Failed to get the storage location of a_Color');
    return -1;
  }
  // 将缓冲区对象分配给a_Color变量
  gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);
  // 连接a_Color变量与分配给它的缓冲区对象
  gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

  // 解除绑定
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);

  return n;
}

相比之前的代码，主要做了3点改进:

数据加入Z值；
加入了深度测试；
MVP矩阵设置；

2.2.1. 数据加入Z值

之前绘制的三角形，只有X坐标和Y坐标，Z值坐标自动补足为默认为0的。在这里会绘制了3个三角形，每个三角形的深度不同。如下代码所示，定义了3个三角形9个点，每个点包含xyz信息和rgb信息：

  // 顶点坐标和颜色
  var verticesColors = new Float32Array([
    0.0, 1.0, -4.0, 0.4, 1.0, 0.4,  //绿色在后
    -0.5, -1.0, -4.0, 0.4, 1.0, 0.4,
    0.5, -1.0, -4.0, 1.0, 0.4, 0.4,

    0.0, 1.0, -2.0, 1.0, 1.0, 0.4, //黄色在中
    -0.5, -1.0, -2.0, 1.0, 1.0, 0.4,
    0.5, -1.0, -2.0, 1.0, 0.4, 0.4,

    0.0, 1.0, 0.0, 0.4, 0.4, 1.0,  //蓝色在前
    -0.5, -1.0, 0.0, 0.4, 0.4, 1.0,
    0.5, -1.0, 0.0, 1.0, 0.4, 0.4,
  ]);

这意味着与着色器传输变量的函数gl.vertexAttribPointer()的参数也得相应的变化。注意要深入理解这个函数每个参数代表的含义：

  // ...

  // 将缓冲区对象分配给a_Position变量
  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);

  // ...
  // 将缓冲区对象分配给a_Color变量
  gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);

2.2.2. 加入深度测试

在默认情况下,WebGL是根据顶点在缓冲区的顺序来进行绘制的，后绘制的图形会覆盖已经绘制好的图形。但是这样往往与实际物体遮挡情况不同，造成一些很怪异的现象，比如远的物体反而遮挡了近的物体。所以WebGL提供了一种深度检测(DEPTH_TEST)的功能，启用该功能就会检测物体（实际是每个像素）的深度，来决定是否绘制。其启用函数为：

除此之外，还应该注意在绘制每一帧之前都应该清除深度缓冲区（depth buffer）。WebGL有多种缓冲区。我们之前用到的与顶点着色器交互的缓冲区对象就是顶点缓冲区，每次重新绘制刷新的就是颜色缓冲区。深度缓冲区记录的就是每个几何图形的深度信息，每绘制一帧，都应清除深度缓冲区：

在本例中的相关代码为：

  // ...

  // 开启深度测试
  gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

  // 清空颜色和深度缓冲区
  gl.clear(gl.COLOR_BUFF
ER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

  // ...

2.2.3. MVP矩阵设置

在上一篇教程中提到过，WebGL的任何图形变换过程影响的都是物体的顶点，模型变换、视图变换、投影变换都是在顶点着色器中实现的。由于每个顶点都是要进行模型视图投影变换的，所以可以合并成一个MVP矩阵，将其传入到顶点着色器中的：

  //...
  'uniform mat4 u_MvpMatrix;/n' +  
  'void main() {/n' +
  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;/n' + // Set the vertex coordinates of the point 
  //...
  '}/n';

在函数setMVPMatrix()中，创建了MVP矩阵，并将其传入到着色器：

//设置MVP矩阵
function setMVPMatrix(gl,canvas) {
  // Get the storage location of u_MvpMatrix
  var u_MvpMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_MvpMatrix');
  if (!u_MvpMatrix) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_MvpMatrix');
    return;
  }

  //模型矩阵
  var modelMatrix = new Matrix4();
  modelMatrix.setTranslate(0.75, 0, 0);

  //视图矩阵
  var viewMatrix = new Matrix4();  // View matrix
  viewMatrix.setLookAt(0, 0, 5, 0, 0, -100, 0, 1, 0);

  //投影矩阵
  var projMatrix = new Matrix4();  // Projection matrix
  projMatrix.setPerspective(30, canvas.width / canvas.height, 1, 100);

  //MVP矩阵
  var mvpMatrix = new Matrix4();
  mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);

  //将MVP矩阵传输到着色器的uniform变量u_MvpMatrix
  gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);
}

在上述代码中，依次分别设置了：

模型矩阵：X方向上平移了0.75个单位。
视图矩阵：视点为(0,0,5)，观察点为(0,0,-100)，上方向为(0,1,0)的观察视角。
投影矩阵：垂直张角为30，画图视图的宽高比，近截面距离为1，远截面为100的视锥体。

三者级联，得到MVP矩阵，将其传入到顶点着色器中。

3. 结果

用浏览器打开Triangle_MVPMatrix.html，就会发现浏览器页面显示了一个由远及近，近大远小的三个三角形。如图所示：

4. 参考

本来部分代码和插图来自《WebGL编程指南》。

代码和数据地址

webgl

WEBGL学习网（WebGLStudy.COM）专注提供WebGL 、ThreeJS、BabylonJS等WEB3D开发案例源码下载。
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