WebGL簡易教程(九)：綜合實例：地形的繪制
1. 概述
在上一篇教程《WebGL簡易教程(八)：三維場景交互》中，給三維場景加入了簡單的交互，通過鼠標實現場景的旋轉和縮放。那么在這一篇教程中，綜合前面的知識，可以做出一個稍微復雜的實例：繪制一張基于現實的地形圖。
地形也就是DEM（數字高程模型），是由一組網格點組成的模型，每個點都有x，y，z值；更簡單來說，圖像格式就可以作為DEM的載體，只不過每個圖像的像素值代表的是高程的值。這里準備了一張tif格式的DEM數據DEM.tif：
這張tif是從谷歌地球上下載下來的，是美國大峽谷的某一塊地形。因為JS處理tif稍微有點麻煩，我這里預先將其處理成DEM.dem，這是一個文本格式：
其中第一行的六個值分別表示：
起點X坐標 起點Y坐標 X間距 Y間距 寬 高
剩下的每一行表示一個點，點的順序為從上至下，從左至右：
與起點X距離 與起點Y距離 高程值 顏色R 顏色G 顏色B 法向量X坐標 法向量Y坐標 法向量Z坐標
一般來說DEM里面保存的應該只有點的位置信息也就是XYZ坐標，其渲染的顏色信息和法向量信息是預處理的過程中計算出來的。目前來說可以將其當成已知量，以后有機會將會在后續介紹詳細的預處理過程。
2. 實例
2.1. TerrainViewer.html
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="utf-8" />
<title> 顯示地形 </title>
<title>Hello Triangle</title>
</head>
<body onload="main()">
<div><input type='file' id='demFile'></div>
<div>
<canvas id="webgl" width="600" height="600">
請使用支持WebGL的瀏覽器
</canvas>
</div>
<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="TerrainViewer.js"></script>
</body>
</html>
在HTML的代碼中，添加了一個input按鈕元素，用來導入DEM文件。一旦加載成功，canvas元素就會把讀取的數據顯示出來。
2.2. TerrainViewer.js
// 頂點著色器程序
var VSHADER_SOURCE =
'attribute vec4 a_Position;\n' + //位置
'attribute vec4 a_Color;\n' + //顏色
'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' +
'varying vec4 v_Color;\n' +
'void main() {\n' +
' gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // 設置頂點坐標
' v_Color = a_Color;\n' +
'}\n';
// 片元著色器程序
var FSHADER_SOURCE =
'precision mediump float;\n' +
'varying vec4 v_Color;\n' +
'void main() {\n' +
' gl_FragColor = v_Color;\n' +
'}\n';
//定義一個矩形體：混合構造函數原型模式
function Cuboid(minX, maxX, minY, maxY, minZ, maxZ) {
this.minX = minX;
this.maxX = maxX;
this.minY = minY;
this.maxY = maxY;
this.minZ = minZ;
this.maxZ = maxZ;
}
Cuboid.prototype = {
constructor: Cuboid,
CenterX: function () {
return (this.minX + this.maxX) / 2.0;
},
CenterY: function () {
return (this.minY + this.maxY) / 2.0;
},
CenterZ: function () {
return (this.minZ + this.maxZ) / 2.0;
},
LengthX: function () {
return (this.maxX - this.minX);
},
LengthY: function () {
return (this.maxY - this.minY);
}
}
//定義DEM
function Terrain() {
}
Terrain.prototype = {
constructor: Terrain,
setWH: function (col, row) {
this.col = col;
this.row = row;
}
}
var currentAngle = [0.0, 0.0]; // 繞X軸Y軸的旋轉角度 ([x-axis, y-axis])
var curScale = 1.0; //當前的縮放比例
function main() {
var demFile = document.getElementById('demFile');
if (!demFile) {
console.log("Failed to get demFile element!");
return;
}
//加載文件后的事件
demFile.addEventListener("change", function (event) {
//判斷瀏覽器是否支持FileReader接口
if (typeof FileReader == 'undefined') {
console.log("你的瀏覽器不支持FileReader接口！");
return;
}
//讀取文件后的事件
var reader = new FileReader();
reader.onload = function () {
if (reader.result) {
var terrain = new Terrain();
if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {
console.log("文件格式有誤，不能讀取該文件！");
}
//繪制函數
onDraw(gl, canvas, terrain);
}
}
var input = event.target;
reader.readAsText(input.files[0]);
});
// 獲取 <canvas> 元素
var canvas = document.getElementById('webgl');
// 獲取WebGL渲染上下文
var gl = getWebGLContext(canvas);
if (!gl) {
console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
return;
}
// 初始化著色器
if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
console.log('Failed to intialize shaders.');
return;
}
// 指定清空<canvas>的顏色
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
// 開啟深度測試
gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
//清空顏色和深度緩沖區
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
}
//繪制函數
function onDraw(gl, canvas, terrain) {
// 設置頂點位置
//var cuboid = new Cuboid(399589.072, 400469.072, 3995118.062, 3997558.062, 732, 1268);
var n = initVertexBuffers(gl, terrain);
if (n < 0) {
console.log('Failed to set the positions of the vertices');
return;
}
//注冊鼠標事件
initEventHandlers(canvas);
//繪制函數
var tick = function () {
//設置MVP矩陣
setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid);
//清空顏色和深度緩沖區
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
//繪制矩形體
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
//gl.drawArrays(gl.Points, 0, n);
//請求瀏覽器調用tick
requestAnimationFrame(tick);
};
//開始繪制
tick();
}
//讀取DEM函數
function readDEMFile(result, terrain) {
var stringlines = result.split("\n");
if (!stringlines || stringlines.length <= 0) {
return false;
}
//讀取頭信息
var subline = stringlines[0].split("\t");
if (subline.length != 6) {
return false;
}
var col = parseInt(subline[4]); //DEM寬
var row = parseInt(subline[5]); //DEM高
var verticeNum = col * row;
if (verticeNum + 1 > stringlines.length) {
return false;
}
terrain.setWH(col, row);
//讀取點信息
var ci = 0;
terrain.verticesColors = new Float32Array(verticeNum * 6);
for (var i = 1; i < stringlines.length; i++) {
if (!stringlines[i]) {
continue;
}
var subline = stringlines[i].split(',');
if (subline.length != 9) {
continue;
}
for (var j = 0; j < 6; j++) {
terrain.verticesColors[ci] = parseFloat(subline[j]);
ci++;
}
}
if (ci !== verticeNum * 6) {
return false;
}
//包圍盒
var minX = terrain.verticesColors[0];
var maxX = terrain.verticesColors[0];
var minY = terrain.verticesColors[1];
var maxY = terrain.verticesColors[1];
var minZ = terrain.verticesColors[2];
var maxZ = terrain.verticesColors[2];
for (var i = 0; i < verticeNum; i++) {
minX = Math.min(minX, terrain.verticesColors[i * 6]);
maxX = Math.max(maxX, terrain.verticesColors[i * 6]);
minY = Math.min(minY, terrain.verticesColors[i * 6 + 1]);
maxY = Math.max(maxY, terrain.verticesColors[i * 6 + 1]);
minZ = Math.min(minZ, terrain.verticesColors[i * 6 + 2]);
maxZ = Math.max(maxZ, terrain.verticesColors[i * 6 + 2]);
}
terrain.cuboid = new Cuboid(minX, maxX, minY, maxY, minZ, maxZ);
return true;
}
//注冊鼠標事件
function initEventHandlers(canvas) {
var dragging = false; // Dragging or not
var lastX = -1, lastY = -1; // Last position of the mouse
//鼠標按下
canvas.onmousedown = function (ev) {
var x = ev.clientX;
var y = ev.clientY;
// Start dragging if a moue is in <canvas>
var rect = ev.target.getBoundingClientRect();
if (rect.left <= x && x < rect.right && rect.top <= y && y < rect.bottom) {
lastX = x;
lastY = y;
dragging = true;
}
};
//鼠標離開時
canvas.onmouseleave = function (ev) {
dragging = false;
};
//鼠標釋放
canvas.onmouseup = function (ev) {
dragging = false;
};
//鼠標移動
canvas.onmousemove = function (ev) {
var x = ev.clientX;
var y = ev.clientY;
if (dragging) {
var factor = 100 / canvas.height; // The rotation ratio
var dx = factor * (x - lastX);
var dy = factor * (y - lastY);
currentAngle[0] = currentAngle[0] + dy;
currentAngle[1] = currentAngle[1] + dx;
}
lastX = x, lastY = y;
};
//鼠標縮放
canvas.onmousewheel = function (event) {
if (event.wheelDelta > 0) {
curScale = curScale * 1.1;
} else {
curScale = curScale * 0.9;
}
};
}
//設置MVP矩陣
function setMVPMatrix(gl, canvas, cuboid) {
// 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;
}
//模型矩陣
var modelMatrix = new Matrix4();
modelMatrix.scale(curScale, curScale, curScale);
modelMatrix.rotate(currentAngle[0], 1.0, 0.0, 0.0); // Rotation around x-axis
modelMatrix.rotate(currentAngle[1], 0.0, 1.0, 0.0); // Rotation around y-axis
modelMatrix.translate(-cuboid.CenterX(), -cuboid.CenterY(), -cuboid.CenterZ());
//投影矩陣
var fovy = 60;
var near = 1;
var projMatrix = new Matrix4();
projMatrix.setPerspective(fovy, canvas.width / canvas.height, 1, 10000);
//計算lookAt()函數初始視點的高度
var angle = fovy / 2 * Math.PI / 180.0;
var eyeHight = (cuboid.LengthY() * 1.2) / 2.0 / angle;
//視圖矩陣
var viewMatrix = new Matrix4(); // View matrix
viewMatrix.lookAt(0, 0, eyeHight, 0, 0, 0, 0, 1, 0);
//MVP矩陣
var mvpMatrix = new Matrix4();
mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);
//將MVP矩陣傳輸到著色器的uniform變量u_MvpMatrix
gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);
}
//
function initVertexBuffers(gl, terrain) {
//DEM的一個網格是由兩個三角形組成的
// 0------1 1
// | |
// | |
// col col------col+1
var col = terrain.col;
var row = terrain.row;
var indices = new Uint16Array((row - 1) * (col - 1) * 6);
var ci = 0;
for (var yi = 0; yi < row - 1; yi++) {
//for (var yi = 0; yi < 10; yi++) {
for (var xi = 0; xi < col - 1; xi++) {
indices[ci * 6] = yi * col + xi;
indices[ci * 6 + 1] = (yi + 1) * col + xi;
indices[ci * 6 + 2] = yi * col + xi + 1;
indices[ci * 6 + 3] = (yi + 1) * col + xi;
indices[ci * 6 + 4] = (yi + 1) * col + xi + 1;
indices[ci * 6 + 5] = yi * col + xi + 1;
ci++;
}
}
//
var verticesColors = terrain.verticesColors;
var FSIZE = verticesColors.BYTES_PER_ELEMENT; //數組中每個元素的字節數
// 創建緩沖區對象
var vertexColorBuffer = gl.createBuffer();
var indexBuffer = gl.createBuffer();
if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) {
console.log('Failed to create the buffer object');
return -1;
}
// 將緩沖區對象綁定到目標
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);
// 向緩沖區對象寫入數據
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);
//獲取著色器中attribute變量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;
}
// 將緩沖區對象分配給a_Position變量
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);
// 連接a_Position變量與分配給它的緩沖區對象
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
//獲取著色器中attribute變量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;
}
// 將緩沖區對象分配給a_Color變量
gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);
// 連接a_Color變量與分配給它的緩沖區對象
gl.enableVertexAttribArray(a_Color);
// 將頂點索引寫入到緩沖區對象
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);
return indices.length;
}
與上一篇的JS代碼相比，沒有什么新的知識，大部分流程都是一樣的，只不過對數據的組織略有不同。
在main()函數中，為按鈕定義了加載事件函數。在函數中通過FileReader()讀取文件，讀取函數為readDEMFile();接著進行繪制，繪制函數為onDraw()。
//...
var demFile = document.getElementById('demFile');
if (!demFile) {
console.log("Failed to get demFile element!");
return;
}
//加載文件后的事件
demFile.addEventListener("change", function (event) {
//判斷瀏覽器是否支持FileReader接口
if (typeof FileReader == 'undefined') {
console.log("你的瀏覽器不支持FileReader接口！");
return;
}
//讀取文件后的事件
var reader = new FileReader();
reader.onload = function () {
if (reader.result) {
var terrain = new Terrain();
if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {
console.log("文件格式有誤，不能讀取該文件！");
}
//繪制函數
onDraw(gl, canvas, terrain);
}
}
var input = event.target;
reader.readAsText(input.files[0]);
});
//...
readDEMFile()函數就是解析這個DEM文件的過程，將讀取到的數據保存到Terrain對象中。Terrain是一個自定義的對象，DEM文件的寬、高、位置信息以及顏色信息都存入到這個對象中。值得注意的是，這里求取了所有點的包圍盒，也一并保存進Terrain對象中了。這個包圍盒信息就是用來設置MVP矩陣的，從而讓場景與鼠標進行交互。
//定義DEM
function Terrain() {
}
Terrain.prototype = {
constructor: Terrain,
setWH: function (col, row) {
this.col = col;
this.row = row;
}
}
//...
//讀取DEM函數
function readDEMFile(result, terrain) {
var stringlines = result.split("\n");
if (!stringlines || stringlines.length <= 0) {
return false;
}
//讀取頭信息
var subline = stringlines[0].split("\t");
if (subline.length != 6) {
return false;
}
var col = parseInt(subline[4]); //DEM寬
var row = parseInt(subline[5]); //DEM高
var verticeNum = col * row;
if (verticeNum + 1 > stringlines.length) {
return false;
}
terrain.setWH(col, row);
//讀取點信息
var ci = 0;
terrain.verticesColors = new Float32Array(verticeNum * 6);
for (var i = 1; i < stringlines.length; i++) {
if (!stringlines[i]) {
continue;
}
var subline = stringlines[i].split(',');
if (subline.length != 9) {
continue;
}
for (var j = 0; j < 6; j++) {
terrain.verticesColors[ci] = parseFloat(subline[j]);
ci++;
}
}
if (ci !== verticeNum * 6) {
return false;
}
//包圍盒
var minX = terrain.verticesColors[0];
var maxX = terrain.verticesColors[0];
var minY = terrain.verticesColors[1];
var maxY = terrain.verticesColors[1];
var minZ = terrain.verticesColors[2];
var maxZ = terrain.verticesColors[2];
for (var i = 0; i < verticeNum; i++) {
minX = Math.min(minX, terrain.verticesColors[i * 6]);
maxX = Math.max(maxX, terrain.verticesColors[i * 6]);
minY = Math.min(minY, terrain.verticesColors[i * 6 + 1]);
maxY = Math.max(maxY, terrain.verticesColors[i * 6 + 1]);
minZ = Math.min(minZ, terrain.verticesColors[i * 6 + 2]);
maxZ = Math.max(maxZ, terrain.verticesColors[i * 6 + 2]);
}
terrain.cuboid = new Cuboid(minX, maxX, minY, maxY, minZ, maxZ);
return true;
}
繪制函數onDraw()與之前的代碼相比基本沒有變化。可以看到在設置MVP矩陣的函數 setMVPMatrix()中，傳遞的參數是Terrain對象的包圍盒，這一點與上一篇教程是一樣的。但主要的改動是在初始化頂點函數initVertexBuffers()中。
//繪制函數
function onDraw(gl, canvas, terrain) {
// 設置頂點位置
//var cuboid = new Cuboid(399589.072, 400469.072, 3995118.062, 3997558.062, 732, 1268);
var n = initVertexBuffers(gl, terrain);
if (n < 0) {
console.log('Failed to set the positions of the vertices');
return;
}
//注冊鼠標事件
initEventHandlers(canvas);
//繪制函數
var tick = function () {
//設置MVP矩陣
setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid);
//清空顏色和深度緩沖區
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
//繪制矩形體
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
//gl.drawArrays(gl.Points, 0, n);
//請求瀏覽器調用tick
requestAnimationFrame(tick);
};
//開始繪制
tick();
}
在函數initVertexBuffers()中，由于讀取的頂點信息（保存在Terrain對象中）同樣包含位置信息和定點信息，所以同樣將其傳遞到緩沖區對象。不同的在于頂點索引的組織。前面提到過，頂點數組中的點是從上至下，從左至右依次排列的，所以每個網格是上、下、左、右四個不同的點組成的兩個三角形。所以一共要繪制\(((寬 - 1) * (高 - 1) * 2)\)個三角形，頂點索引數組的長度為\(((寬 - 1) * (高 - 1) * 6)\)。
//
function initVertexBuffers(gl, terrain) {
//DEM的一個網格是由兩個三角形組成的
// 0------1 1
// | |
// | |
// col col------col+1
var col = terrain.col;
var row = terrain.row;
var indices = new Uint16Array((row - 1) * (col - 1) * 6);
var ci = 0;
for (var yi = 0; yi < row - 1; yi++) {
//for (var yi = 0; yi < 10; yi++) {
for (var xi = 0; xi < col - 1; xi++) {
indices[ci * 6] = yi * col + xi;
indices[ci * 6 + 1] = (yi + 1) * col + xi;
indices[ci * 6 + 2] = yi * col + xi + 1;
indices[ci * 6 + 3] = (yi + 1) * col + xi;
indices[ci * 6 + 4] = (yi + 1) * col + xi + 1;
indices[ci * 6 + 5] = yi * col + xi + 1;
ci++;
}
}
//
var verticesColors = terrain.verticesColors;
var FSIZE = verticesColors.BYTES_PER_ELEMENT; //數組中每個元素的字節數
//...
return indices.length;
}
3. 結果
通過瀏覽器運行程序，加載DEM.dem文件，結果如下：
其鼠標交互操作：
可以看到最終繪制的結果是一小塊起伏的地形。所有復雜的模型都可以采用本例的辦法，用足夠的三角形繪制而成。當然，這個例子還有個缺點，就是顯示的效果立體感不強，對地形起伏的表現不夠。這是因為缺少了場景渲染中的重要一環，也就是下一篇教程要講的內容——光照。
4. 參考
本來部分代碼和插圖來自《WebGL編程指南》，源代碼鏈接：地址 。會在此共享目錄中持續更新后續的內容。
浙公網安備 33010602011771號