WebGL简易教程(九)：综合实例：地形的绘制
- 2019 年 10 月 8 日
- 筆記
1. 概述
在上一篇教程《WebGL简易教程(八)：三维场景交互》中，给三维场景加入了简单的交互，通过鼠标实现场景的旋转和缩放。那么在这一篇教程中，综合前面的知识，可以做出一个稍微复杂的实例：绘制一张基于现实的地形图。
地形也就是DEM（数字高程模型），是由一组网格点组成的模型，每个点都有x，y，z值；更简单来说，图像格式就可以作为DEM的载体，只不过每个图像的像素值代表的是高程的值。这里准备了一张tif格式的DEM数据DEM.tif：
这张tif是从谷歌地球上下载下来的，是美国大峡谷的某一块地形。因为JS处理tif稍微有点麻烦，我这里预先将其处理成DEM.dem，这是一个文本格式：
其中第一行的六个值分别表示：
起点X坐标 起点Y坐标 X间距 Y间距 宽 高
剩下的每一行表示一个点，点的顺序为从上至下，从左至右：
与起点X距离 与起点Y距离 高程值 颜色R 颜色G 颜色B 法向量X坐标 法向量Y坐标 法向量Z坐标
一般来说DEM里面保存的应该只有点的位置信息也就是XYZ坐标，其渲染的颜色信息和法向量信息是预处理的过程中计算出来的。目前来说可以将其当成已知量，以后有机会将会在后续介绍详细的预处理过程。
2. 实例
2.1. TerrainViewer.html
<!DOCTYPE html> <html> <head> <meta charset="utf-8" /> <title> 显示地形 </title> <title>Hello Triangle</title> </head> <body onload="main()"> <div><input type='file' id='demFile'></div> <div> <canvas id="webgl" width="600" height="600"> 请使用支持WebGL的浏览器 </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的代码中，添加了一个input按钮元素，用来导入DEM文件。一旦加载成功，canvas元素就会把读取的数据显示出来。
2.2. TerrainViewer.js
// 顶点着色器程序 var VSHADER_SOURCE = 'attribute vec4 a_Position;n' + //位置 'attribute vec4 a_Color;n' + //颜色 'uniform mat4 u_MvpMatrix;n' + 'varying vec4 v_Color;n' + 'void main() {n' + ' gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;n' + // 设置顶点坐标 ' 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'; //定义一个矩形体：混合构造函数原型模式 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); } } //定义DEM function Terrain() { } Terrain.prototype = { constructor: Terrain, setWH: function (col, row) { this.col = col; this.row = row; } } var currentAngle = [0.0, 0.0]; // 绕X轴Y轴的旋转角度 ([x-axis, y-axis]) var curScale = 1.0; //当前的缩放比例 function main() { var demFile = document.getElementById('demFile'); if (!demFile) { console.log("Failed to get demFile element!"); return; } //加载文件后的事件 demFile.addEventListener("change", function (event) { //判断浏览器是否支持FileReader接口 if (typeof FileReader == 'undefined') { console.log("你的浏览器不支持FileReader接口！"); return; } //读取文件后的事件 var reader = new FileReader(); reader.onload = function () { if (reader.result) { var terrain = new Terrain(); if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) { console.log("文件格式有误，不能读取该文件！"); } //绘制函数 onDraw(gl, canvas, terrain); } } var input = event.target; reader.readAsText(input.files[0]); }); // 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; } // 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); } //绘制函数 function onDraw(gl, canvas, terrain) { // 设置顶点位置 //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; } //注册鼠标事件 initEventHandlers(canvas); //绘制函数 var tick = function () { //设置MVP矩阵 setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid); //清空颜色和深度缓冲区 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT); //绘制矩形体 gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0); //gl.drawArrays(gl.Points, 0, n); //请求浏览器调用tick requestAnimationFrame(tick); }; //开始绘制 tick(); } //读取DEM函数 function readDEMFile(result, terrain) { var stringlines = result.split("n"); if (!stringlines || stringlines.length <= 0) { return false; } //读取头信息 var subline = stringlines[0].split("t"); if (subline.length != 6) { return false; } var col = parseInt(subline[4]); //DEM宽 var row = parseInt(subline[5]); //DEM高 var verticeNum = col * row; if (verticeNum + 1 > stringlines.length) { return false; } terrain.setWH(col, row); //读取点信息 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; } //包围盒 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; } //注册鼠标事件 function initEventHandlers(canvas) { var dragging = false; // Dragging or not var lastX = -1, lastY = -1; // Last position of the mouse //鼠标按下 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; } }; //鼠标离开时 canvas.onmouseleave = function (ev) { dragging = false; }; //鼠标释放 canvas.onmouseup = function (ev) { dragging = false; }; //鼠标移动 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; }; //鼠标缩放 canvas.onmousewheel = function (event) { if (event.wheelDelta > 0) { curScale = curScale * 1.1; } else { curScale = curScale * 0.9; } }; } //设置MVP矩阵 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; } //模型矩阵 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()); //投影矩阵 var fovy = 60; var near = 1; var projMatrix = new Matrix4(); projMatrix.setPerspective(fovy, canvas.width / canvas.height, 1, 10000); //计算lookAt()函数初始视点的高度 var angle = fovy / 2 * Math.PI / 180.0; var eyeHight = (cuboid.LengthY() * 1.2) / 2.0 / angle; //视图矩阵 var viewMatrix = new Matrix4(); // View matrix viewMatrix.lookAt(0, 0, eyeHight, 0, 0, 0, 0, 1, 0); //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, terrain) { //DEM的一个网格是由两个三角形组成的 // 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; //数组中每个元素的字节数 // 创建缓冲区对象 var vertexColorBuffer = gl.createBuffer(); var indexBuffer = gl.createBuffer(); if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) { 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, vertexColorBuffer); // 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); // 将顶点索引写入到缓冲区对象 gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer); gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW); return indices.length; }与上一篇的JS代码相比，没有什么新的知识，大部分流程都是一样的，只不过对数据的组织略有不同。
在main()函数中，为按钮定义了加载事件函数。在函数中通过FileReader()读取文件，读取函数为readDEMFile();接着进行绘制，绘制函数为onDraw()。
//... var demFile = document.getElementById('demFile'); if (!demFile) { console.log("Failed to get demFile element!"); return; } //加载文件后的事件 demFile.addEventListener("change", function (event) { //判断浏览器是否支持FileReader接口 if (typeof FileReader == 'undefined') { console.log("你的浏览器不支持FileReader接口！"); return; } //读取文件后的事件 var reader = new FileReader(); reader.onload = function () { if (reader.result) { var terrain = new Terrain(); if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) { console.log("文件格式有误，不能读取该文件！"); } //绘制函数 onDraw(gl, canvas, terrain); } } var input = event.target; reader.readAsText(input.files[0]); }); //...readDEMFile()函数就是解析这个DEM文件的过程，将读取到的数据保存到Terrain对象中。Terrain是一个自定义的对象，DEM文件的宽、高、位置信息以及颜色信息都存入到这个对象中。值得注意的是，这里求取了所有点的包围盒，也一并保存进Terrain对象中了。这个包围盒信息就是用来设置MVP矩阵的，从而让场景与鼠标进行交互。
//定义DEM function Terrain() { } Terrain.prototype = { constructor: Terrain, setWH: function (col, row) { this.col = col; this.row = row; } } //... //读取DEM函数 function readDEMFile(result, terrain) { var stringlines = result.split("n"); if (!stringlines || stringlines.length <= 0) { return false; } //读取头信息 var subline = stringlines[0].split("t"); if (subline.length != 6) { return false; } var col = parseInt(subline[4]); //DEM宽 var row = parseInt(subline[5]); //DEM高 var verticeNum = col * row; if (verticeNum + 1 > stringlines.length) { return false; } terrain.setWH(col, row); //读取点信息 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; } //包围盒 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; }绘制函数onDraw()与之前的代码相比基本没有变化。可以看到在设置MVP矩阵的函数 setMVPMatrix()中，传递的参数是Terrain对象的包围盒，这一点与上一篇教程是一样的。但主要的改动是在初始化顶点函数initVertexBuffers()中。
//绘制函数 function onDraw(gl, canvas, terrain) { // 设置顶点位置 //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; } //注册鼠标事件 initEventHandlers(canvas); //绘制函数 var tick = function () { //设置MVP矩阵 setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid); //清空颜色和深度缓冲区 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT); //绘制矩形体 gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0); //gl.drawArrays(gl.Points, 0, n); //请求浏览器调用tick requestAnimationFrame(tick); }; //开始绘制 tick(); }在函数initVertexBuffers()中，由于读取的顶点信息（保存在Terrain对象中）同样包含位置信息和定点信息，所以同样将其传递到缓冲区对象。不同的在于顶点索引的组织。前面提到过，顶点数组中的点是从上至下，从左至右依次排列的，所以每个网格是上、下、左、右四个不同的点组成的两个三角形。所以一共要绘制(((宽 – 1) * (高 – 1) * 2))个三角形，顶点索引数组的长度为(((宽 – 1) * (高 – 1) * 6))。
// function initVertexBuffers(gl, terrain) { //DEM的一个网格是由两个三角形组成的 // 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; //数组中每个元素的字节数 //... return indices.length; }3. 结果
通过浏览器运行程序，加载DEM.dem文件，结果如下：
其鼠标交互操作：
可以看到最终绘制的结果是一小块起伏的地形。所有复杂的模型都可以采用本例的办法，用足够的三角形绘制而成。当然，这个例子还有个缺点，就是显示的效果立体感不强，对地形起伏的表现不够。这是因为缺少了场景渲染中的重要一环，也就是下一篇教程要讲的内容——光照。
4. 参考
本来部分代码和插图来自《WebGL编程指南》，源代码链接：地址 。会在此共享目录中持续更新后续的内容。
