原文地址:WebGL学习(3) –
3D模型

  相信广大人是以创办逼真酷炫的三维效果为目的而上学webGL的呢,首先自己就是。我精晓了丰裕的webGL技巧后,正准备大展身手时,遭受了一种进退维谷的情形:仍然做不出想要的东西。为何呢,因为没有3D模型可供操作啊,纯粹用代码创设复杂的3D模型完全不行想像。那必须选择3d马克斯,maya,以及开源的blender等建模软件举行构建。既然已经入了webGL的坑了,那也不得不硬着头皮继续上学3D建模,断断续续学了一个多月的blender教程,总算入门了。
  那节首要学习怎么导入模型文件,然后用代码应用功效,操作模型。首先显示下自家的名著,喷火战斗机的3D模型:webGL
喷火战斗机

图片 1

内容大纲

  1. 模型文件
  2. 着色器
  3. 光照
  4. 模型变换
  5. 事件处理

模型文件

  blender导出的模型文件plane.obj,
同时还包罗材质文件plane.mtl。模型包罗2800四个顶峰,2200三个面,共200多k的体积,内容比较大,所以只可以将文件加载入html文件相比较便于。
  那怎么加载呢?一般会接纳ajax获取,但自己那里有更有利的不二法门。那就是将模型文件内容预编译直出到html中,那样不仅升高了加载品质,开发也更便利。具体可参考我前边的小说:前端火速支付模版
  那里运用本人事先的支付模版,
将模型(obj、mtl)文件以字符串的花样写入text/template模版中,同时将GLSL语言写的着色器也预编译到html中。到时用gulp的下令打造页面,所有内容就会自动生成到页面中,html部分的代码如下所示:

    {% extends '../layout/layout.html' %}
    {% block title %}spitfire fighter{% endblock %}
    {% block js %}
    <script src="./lib/webgl.js"></script>
    <script src="./lib/objParse.js"></script>
    <script src="./lib/matrix.js"></script>
    <script src="./js/index.js"></script>
    {% endblock %}
    {% block content %}
    <div class="content">
    <p>上下左右方向键 调整视角,W/S/A/D键 旋转模型, +/-键 放大缩小</p>
    <canvas id="canvas" width="800" height="600"></canvas>
    </div>
    <!-- obj文件 -->
    <script type="text/template" id="tplObj">
    {% include '../model/plane.obj' %}
    </script>
    <!-- mtl文件 -->
    <script type="text/template" id="tplMtl">
    {% include '../model/plane.mtl' %}
    </script>
    <!-- 顶点着色器 -->
    <script type="x-shader/x-vertex" id="vs">
    {% include '../glsl/vs.glsl' %}
    </script>
    <!-- 片元着色器 -->
    <script type="x-shader/x-fragment" id="fs">
    {% include '../glsl/fs.glsl' %} 
    </script>
    {% endblock %}

obj文件

  obj文件包涵的是模型的顶点法线索引等音讯。那里以最不难易行的立方体为例。

  • v 几何体顶点
  • vt 贴图坐标点
  • vn 顶点法线
  • f 面:顶点索引 / 纹理坐标索引 / 法线索引
  • usemtl 使用的材料名称

    # Blender v2.79 (sub 0) OBJ File: ''
    # www.blender.org
    mtllib cube.mtl
    o Cube
    v -0.442946 -1.000000 -1.000000
    v -0.442946 -1.000000 1.000000
    v -2.442946 -1.000000 1.000000
    v -2.442945 -1.000000 -1.000000
    v -0.442945 1.000000 -0.999999
    v -0.442946 1.000000 1.000001
    v -2.442946 1.000000 1.000000
    v -2.442945 1.000000 -1.000000
    vn 0.0000 -1.0000 0.0000
    vn 0.0000 1.0000 0.0000
    vn 1.0000 0.0000 0.0000
    vn -0.0000 -0.0000 1.0000
    vn -1.0000 -0.0000 -0.0000
    vn 0.0000 0.0000 -1.0000
    usemtl Material
    s off
    f 1//1 2//1 3//1 4//1
    f 5//2 8//2 7//2 6//2
    f 1//3 5//3 6//3 2//3
    f 2//4 6//4 7//4 3//4
    f 3//5 7//5 8//5 4//5
    f 5//6 1//6 4//6 8//6

mtl文件

  mtl文件包涵的是模型的质量新闻

  • Ka 环境色 rgb
  • Kd 漫反射色,材质颜色 rgb
  • Ks 高光色,材质高光颜色 rgb
  • Ns 反射高光度 指定材质的反射指数
  • Ni 折射值 指定材质表面的光密度
  • d 透明度

    # Blender MTL File: 'None'
    # Material Count: 1

    newmtl Material
    Ns 96.078431
    Ka 1.000000 1.000000 1.000000
    Kd 0.640000 0.640000 0.640000
    Ks 0.500000 0.500000 0.500000
    Ke 0.000000 0.000000 0.000000
    Ni 1.000000
    d 1.000000
    illum 2

  知道了obj和mtl文件的格式,大家必要做的就是读取它们,逐行分析,那里运用的objParse读取解析,想了解其中原理,能够查看源代码,那里不详述。
  提取出须要的新闻后,就可将模型消息写入缓冲区,然后渲染出来。

    var canvas = document.getElementById('canvas'),
        gl = get3DContext(canvas, true),
        objElem = document.getElementById('tplObj'),
        mtlElem = document.getElementById('tplMtl');
    function main() {
        //...

        //获取变量地址
        var program = gl.program;
        program.a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
        //...

        // 创建空数据缓冲
        var vertexBuffer = createEmptyArrayBuffer(gl, program.a_Position, 3, gl.FLOAT);
        //...

        // 分析模型字符串
        var objDoc = new OBJDoc('plane',objElem.text,mtlElem.text);
        if(!objDoc.parse(1, false)){return;}
        var drawingInfo = objDoc.getDrawingInfo();

        // 将数据写入缓冲区
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, drawingInfo.vertices, gl.STATIC_DRAW);
        //...
    }

着色器

终点着色器

  顶点着色器相比较简单,和此前的分别相比较大的是,把计算颜色光照部分移到了片元着色器,那样可以兑现逐片元光照,效果会越加活灵活现和自然。

    attribute vec4 a_Position;//顶点位置
    attribute vec4 a_Color;//顶点颜色
    attribute vec4 a_Scolor;//顶点高光颜色
    attribute vec4 a_Normal;//法向量
    uniform mat4 u_MvpMatrix;//mvp矩阵
    uniform mat4 u_ModelMatrix;//模型矩阵
    uniform mat4 u_NormalMatrix;
    varying vec4 v_Color;
    varying vec4 v_Scolor;
    varying vec3 v_Normal;
    varying vec3 v_Position;

    void main() {
        gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;
        // 计算顶点在世界坐标系的位置
        v_Position = vec3(u_ModelMatrix * a_Position);
        // 计算变换后的法向量并归一化
        v_Normal = normalize(vec3(u_NormalMatrix * a_Normal));
        v_Color = a_Color;
        v_Scolor = a_Scolor;
    }

光照

  光照相关的乘除主要在片元着色器中,首先科普一下光照的相关新闻。

    物体呈现出颜色亮度就是表面的反射光导致,计算反射光公式如下:
    <表面的反射光颜色> = <漫反射光颜色> + <环境反射光颜色> + <镜面反射光颜色>

    1. 其中漫反射公式如下:
    <漫反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色> * <光线入射角度>

    光线入射角度可以由光线方向和表面的法线进行点积求得:
    <光线入射角度> = <光线方向> * <法线方向>

    最后的漫反射公式如下:
    <漫反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色> * (<光线方向> * <法线方向>)

    2. 环境反射光颜色根据如下公式得到:
    <环境反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色>

    3. 镜面(高光)反射光颜色公式,这里使用的是冯氏反射原理
    <镜面反射光颜色> = <高光颜色> * <镜面反射亮度权重> 

    其中镜面反射亮度权重又如下
    <镜面反射亮度权重> = (<观察方向的单位向量> * <入射光反射方向>) ^ 光泽度

片元着色器

  着色器代码就是对上边公式内容的演绎

    #ifdef GL_ES
    precision mediump float;
    #endif
    uniform vec3 u_LightPosition;//光源位置
    uniform vec3 u_diffuseColor;//漫反射光颜色
    uniform vec3 u_AmbientColor;//环境光颜色
    uniform vec3 u_specularColor;//镜面反射光颜色
    uniform float u_MaterialShininess;// 镜面反射光泽度
    varying vec3 v_Normal;//法向量
    varying vec3 v_Position;//顶点位置
    varying vec4 v_Color;//顶点颜色
    varying vec4 v_Scolor;//顶点高光颜色

    void main() {
        // 对法线归一化
        vec3 normal = normalize(v_Normal);
        // 计算光线方向(光源位置-顶点位置)并归一化
        vec3 lightDirection = normalize(u_LightPosition - v_Position);
        // 计算光线方向和法向量点积
        float nDotL = max(dot(lightDirection, normal), 0.0);
        // 漫反射光亮度
        vec3 diffuse = u_diffuseColor  * nDotL * v_Color.rgb;
        // 环境光亮度
        vec3 ambient = u_AmbientColor * v_Color.rgb;
        // 观察方向的单位向量V
        vec3 eyeDirection = normalize(-v_Position);
        // 反射方向
        vec3 reflectionDirection = reflect(-lightDirection, normal);
        // 镜面反射亮度权重
        float specularLightWeighting = pow(max(dot(reflectionDirection, eyeDirection), 0.0), u_MaterialShininess);
        // 镜面高光亮度
        vec3 specular =  v_Scolor.rgb * specularLightWeighting ;
        gl_FragColor = vec4(ambient + diffuse + specular, v_Color.a);
    }

模型变换

  那里先安装光照相关的始发标准,然后是mvp矩阵变换和法向量矩阵相关的盘算,具体知识点可参照以前的篇章*[WebGL学习(2)

  要专注的是翻盘置矩阵,主要用以统计模型变换之后的法向量,有了更换后的法向量才能正确统计光照。

     求逆转置矩阵步骤
        1.求原模型矩阵的逆矩阵
        2.将逆矩阵转置

    <变换后法向量> = <逆转置矩阵> * <变换前法向量>

  给着色器变量赋值然后绘制出模型,最后调用requestAnimationFrame不断执行动画。矩阵的团团转部分可组合下边的keydown事件开展查看。

    function main() {
        //...

        // 光线方向
        gl.uniform3f(u_LightPosition, 0.0, 2.0, 12.0);
        // 漫反射光照颜色
        gl.uniform3f(u_diffuseColor, 1.0, 1.0, 1.0);
        // 设置环境光颜色
        gl.uniform3f(u_AmbientColor, 0.5, 0.5, 0.5);
        // 镜面反射光泽度
        gl.uniform1f(u_MaterialShininess, 30.0);

        var modelMatrix = new Matrix4();
        var mvpMatrix = new Matrix4();
        var normalMatrix = new Matrix4();
        var n = drawingInfo.indices.length;

        (function animate() {
            // 模型矩阵
            if(notMan){ angleY+=0.5; }
            modelMatrix.setRotate(angleY % 360, 0, 1, 0); // 绕y轴旋转
            modelMatrix.rotate(angleX % 360, 1, 0, 0); // 绕x轴旋转

            var eyeY=viewLEN*Math.sin(viewAngleY*Math.PI/180),
                len=viewLEN*Math.cos(viewAngleY*Math.PI/180),
                eyeX=len*Math.sin(viewAngleX*Math.PI/180),
                eyeZ=len*Math.cos(viewAngleX*Math.PI/180);

            // 视点投影
            mvpMatrix.setPerspective(30, canvas.width / canvas.height, 1, 300);
            mvpMatrix.lookAt(eyeX, eyeY, eyeZ, 0, 0, 0, 0, (viewAngleY>90||viewAngleY<-90)?-1:1, 0);
            mvpMatrix.multiply(modelMatrix);
            // 根据模型矩阵计算用来变换法向量的矩阵
            normalMatrix.setInverseOf(modelMatrix);
            normalMatrix.transpose();

            // 模型矩阵
            gl.uniformMatrix4fv(u_ModelMatrix, false, modelMatrix.elements);
            // mvp矩阵
            gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);
            // 法向量矩阵
            gl.uniformMatrix4fv(u_NormalMatrix, false, normalMatrix.elements);

            // 清屏|清深度缓冲
            gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

            // 根据顶点索引绘制图形(图形类型,绘制顶点个数,顶点索引数据类型,顶点索引中开始绘制的位置)
            gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
            requestAnimationFrame(animate);
        }());
    }

事件处理

  +/-
键落成放大/减弱场景的功力;WSAD键落成模型的旋转,也就是落到实处绕x轴和y轴旋转;上下左右方向键达成的是视点的转动。矩阵变换的相关兑现参考上边代码的卡通片部分。

  模型旋转和视点旋转瞅着很相像,其实又有两样的。视点的团团转是百分之百场景比如光照模型等都是随即变化的,倘使以场景做参照物,它就一定于人变更观看位置来看物体。而模型旋转呢,它只旋转模型自身,外部的光照和景观都是不变的,以场景做参照物,相当于人在一如既往义务看到模型在活动。从demo的光照能够看出两种艺术的界别。

    document.addEventListener('keydown',function(e){
        if([37,38,39,65,58,83,87,40].indexOf(e.keyCode)>-1){
            notMan=false;
        }
        switch(e.keyCode){
            case 38:        //up
                viewAngleY-=2;
                if(viewAngleY<-270){
                    viewAngleY+=360
                }
                break;
            case 40:        //down
                viewAngleY+=2;
                if(viewAngleY>270){
                    viewAngleY-=360
                }
                break;
            case 37:        //left
                viewAngleX+=2;
                break;
            case 39:        //right
                viewAngleX-=2;
                break;
            case 87:        //w
                angleX-=2;
                break;
            case 83:        //s
                angleX+=2;
                break;
            case 65:        //a
                angleY+=2;
                break;
            case 68:        //d
                angleY-=2;
                break;
            case 187:       //zoom in
                if(viewLEN>6) viewLEN--;
                break;
            case 189:       //zoom out
                if(viewLEN<30) viewLEN++;
                break;
            default:break;
        }
    },false);

总结

  最终,个人感觉建立3D模型如故挺费时间,要求花心机逐步调整,才能做出相比周到的模子。

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