WebGL簡易教程(十一)：紋理
1. 概述
在之前的之前的教程《WebGL簡易教程(九)：綜合實例：地形的繪制》中，繪制了一個帶顏色的地形場景。地形的顏色是根據高程賦予的RGB值，通過不同的顏色來表示地形的起伏，這是表達地形渲染的一種方式。除此之外，還可以將拍攝得到的數字影像，貼到地形上面，得到更逼真的地形效果。這就要用到我們這一章的新知識——紋理了。
這里用到的紋理圖像，是一張從GoogleEarth上下載的衛星影像DOM.tif，其范圍正好覆蓋地形數據。為了方便使用，特意將其轉換為JPG格式的影像：tex.jpg。并放到與HTML和JS同目錄下。用圖像查看軟件打開圖像的顯示效果為：
注意，在大部分瀏覽器（如chrome）中，基于安全策略是不允許訪問本地文件的。WebGL的紋理需要用到本地的圖像，所以需要將瀏覽器設置成支持跨域訪問或者建立服務器在域內使用。
2. 實例
基于《WebGL簡易教程(九)：綜合實例：地形的繪制》中的JS代碼進行改進：
// 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' +
'varying vec4 v_position;\n' +
'void main() {\n' +
' v_position = a_Position;\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' +
'uniform vec2 u_RangeX;\n' + //X方向范圍
'uniform vec2 u_RangeY;\n' + //Y方向范圍
'uniform sampler2D u_Sampler;\n' +
'varying vec4 v_Color;\n' +
'varying vec4 v_position;\n' +
'void main() {\n' +
' vec2 v_TexCoord = vec2((v_position.x-u_RangeX[0]) / (u_RangeX[1]-u_RangeX[0]), 1.0-(v_position.y-u_RangeY[0]) / (u_RangeY[1]-u_RangeY[0]));\n' +
' gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);\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
var initTexSuccess = false; //紋理圖像是否加載完成
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;
}
//設置紋理
if (!initTextures(gl, terrain)) {
console.log('Failed to intialize the texture.');
return;
}
//注冊鼠標事件
initEventHandlers(canvas);
//繪制函數
var tick = function () {
if (initTexSuccess) {
//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();
}
function initTextures(gl, terrain) {
// 傳遞X方向和Y方向上的范圍到著色器
var u_RangeX = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeX');
var u_RangeY = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeY');
if (!u_RangeX || !u_RangeY) {
console.log('Failed to get the storage location of u_RangeX or u_RangeY');
return;
}
gl.uniform2f(u_RangeX, terrain.cuboid.minX, terrain.cuboid.maxX);
gl.uniform2f(u_RangeY, terrain.cuboid.minY, terrain.cuboid.maxY);
//創建一個image對象
var image = new Image();
if (!image) {
console.log('Failed to create the image object');
return false;
}
//圖像加載的響應函數
image.onload = function () {
if (loadTexture(gl, image)) {
initTexSuccess = true;
}
};
//瀏覽器開始加載圖像
image.src = 'tex.jpg';
return true;
}
function loadTexture(gl, image) {
// 創建紋理對象
var texture = gl.createTexture();
if (!texture) {
console.log('Failed to create the texture object');
return false;
}
// 開啟0號紋理單元
gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
// 綁定紋理對象
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);
// 設置紋理參數
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);
// 配置紋理圖像
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);
// 將0號單元紋理傳遞給著色器中的取樣器變量
var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');
if (!u_Sampler) {
console.log('Failed to get the storage location of u_Sampler');
return false;
}
gl.uniform1i(u_Sampler, 0);
return true;
}
//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;
}
主要作了以下三點的改動以使用紋理。
2.1. 準備紋理
在WebGL中，由于JS的異步特性，需要在JS加載圖片完成之后，再把圖片當做紋理傳入著色器進行繪制，所以首先這里定義了一個boolean全局變量initTexSuccess來標識紋理圖像是否加載完成。在繪制函數onDraw()中，增加了一個設置紋理函數initTextures()。最后，在重繪刷新函數tick()中檢測initTexSuccess變量，如果完成，就進行繪制。
var initTexSuccess = false; //紋理圖像是否加載完成
//...
//繪制函數
function onDraw(gl, canvas, terrain) {
//...
//設置紋理
if (!initTextures(gl)) {
console.log('Failed to intialize the texture.');
return;
}
//...
//繪制函數
var tick = function () {
if (initTexSuccess) {
//...
}
//請求瀏覽器調用tick
requestAnimationFrame(tick);
};
//開始繪制
tick();
}
在初始化紋理函數initTextures()中，首先給著色器傳入了X方向和Y方向上的實際坐標(局部坐標系坐標)范圍，這個范圍是用來計算紋理坐標的。接著創建了一個Image對象，通過這個對象來加載圖像。最后給圖像加載編寫響應函數，一旦紋理配置函數loadTexture()成功，就設置initTexSuccess為true。
function initTextures(gl, terrain) {
// 傳遞X方向和Y方向上的范圍到著色器
var u_RangeX = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeX');
var u_RangeY = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeY');
if (!u_RangeX || !u_RangeY) {
console.log('Failed to get the storage location of u_RangeX or u_RangeY');
return;
}
gl.uniform2f(u_RangeX, terrain.cuboid.minX, terrain.cuboid.maxX);
gl.uniform2f(u_RangeY, terrain.cuboid.minY, terrain.cuboid.maxY);
//創建一個image對象
var image = new Image();
if (!image) {
console.log('Failed to create the image object');
return false;
}
//圖像加載的響應函數
image.onload = function () {
if (loadTexture(gl, image)) {
initTexSuccess = true;
}
};
//瀏覽器開始加載圖像
image.src = 'tex.jpg';
return true;
}
2.2. 配置紋理
在配置紋理函數loadTexture()中，首先創建了一個紋理對象，并將其綁定到0號紋理單元。WebGL至少支持8個紋理單元，內置的變量名形如gl.TEXTURE0、gl.TEXTURE1......gl.TEXTURE7。
function loadTexture(gl, image) {
// 創建紋理對象
var texture = gl.createTexture();
if (!texture) {
console.log('Failed to create the texture object');
return false;
}
// 開啟0號紋理單元
gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
// 綁定紋理對象
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);
//...
return true;
}
接著通過gl.texParameteri()函數配置紋理的參數，這個函數規定了紋理在縮放時的插值方法，以及紋理填充時采用何種方式鋪填。這里表示紋理縮放時采用線性插值，填充范圍不夠時采用紋理圖像邊緣值進行填充：
function loadTexture(gl, image) {
//...
// 設置紋理參數
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);
//...
return true;
}
最后通過gl.texImage2D()函數將紋理對象分配給紋理對象。而該紋理對象已經與0號紋理單元綁定，因此直接將0號紋理單元作為Uniform變量傳遞給著色器：
function loadTexture(gl, image) {
//...
// 配置紋理圖像
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);
// 將0號單元紋理傳遞給著色器中的取樣器變量
var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');
if (!u_Sampler) {
console.log('Failed to get the storage location of u_Sampler');
return false;
}
gl.uniform1i(u_Sampler, 0);
return true;
}
2.3. 使用紋理
在頂點著色器中，將頂點坐標值a_Position賦值為varying變量v_position，這個變量是用來傳遞給片元著色器的。
// 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' +
'varying vec4 v_position;\n' +
'void main() {\n' +
' v_position = a_Position;\n' +
' gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // 設置頂點坐標
' v_Color = a_Color;\n' +
'}\n';
經過內插，片元著色器接受到了每個片元對應的頂點坐標v_position。由于這個值是根據實際的頂點坐標(局部坐標系坐標)內插的，所以這個值也是實際坐標值。同時片元著色器也接收到了傳遞過來的紋理對象u_Sampler，可以通過texture2D()函數來獲取對應坐標的像素，將其作為片元最終值：
// 片元著色器程序
var FSHADER_SOURCE =
'precision mediump float;\n' +
'uniform vec2 u_RangeX;\n' + //X方向范圍
'uniform vec2 u_RangeY;\n' + //Y方向范圍
'uniform sampler2D u_Sampler;\n' +
'varying vec4 v_Color;\n' +
'varying vec4 v_position;\n' +
'void main() {\n' +
' vec2 v_TexCoord = vec2((v_position.x-u_RangeX[0]) / (u_RangeX[1]-u_RangeX[0]), 1.0-(v_position.y-u_RangeY[0]) / (u_RangeY[1]-u_RangeY[0]));\n' +
' gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);\n' +
'}\n';
上述代碼可以看到并沒有直接用v_position來進行插值。這是因為紋理坐標范圍是在0~1之間，需要經過一個紋理映射的換算。如圖所示，這是一個簡單的線性變換的過程：
3. 結果
用瀏覽器運行，最終的顯示結果如下，可以清楚的看到山川河流等紋理：
再次說明下這個實例用到了本地圖片，需要讓瀏覽器設置跨域或者建立服務器在域內使用。
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