WebGL简易教程(十一)：纹理

  • 2019 年 10 月 16 日
  • 筆記

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1. 概述

在之前的之前的教程《WebGL简易教程(九)：综合实例：地形的绘制》中，绘制了一个带颜色的地形场景。地形的颜色是根据高程赋予的RGB值，通过不同的颜色来表示地形的起伏，这是表达地形渲染的一种方式。除此之外，还可以将拍摄得到的数字影像，贴到地形上面，得到更逼真的地形效果。这就要用到我们这一章的新知识——纹理了。

这里用到的纹理图像，是一张从GoogleEarth上下载的卫星影像DOM.tif，其范围正好覆盖地形数据。为了方便使用，特意将其转换为JPG格式的影像：tex.jpg。并放到与HTML和JS同目录下。用图像查看软件打开图像的显示效果为：
image

注意，在大部分浏览器（如chrome）中，基于安全策略是不允许访问本地文件的。WebGL的纹理需要用到本地的图像，所以需要将浏览器设置成支持跨域访问或者建立服务器在域内使用。

2. 实例

基于《WebGL简易教程(九)：综合实例：地形的绘制》中的JS代码进行改进：

// 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' +    'varying vec4 v_position;n' +    'void main() {n' +    '  v_position = a_Position;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' +    'uniform vec2 u_RangeX;n' + //X方向范围    'uniform vec2 u_RangeY;n' + //Y方向范围    '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  var initTexSuccess = false; //纹理图像是否加载完成    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;    }      //设置纹理    if (!initTextures(gl, terrain)) {      console.log('Failed to intialize the texture.');      return;    }      //注册鼠标事件    initEventHandlers(canvas);      //绘制函数    var tick = function () {      if (initTexSuccess) {        //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();  }    function initTextures(gl, terrain) {    // 传递X方向和Y方向上的范围到着色器    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);      //创建一个image对象    var image = new Image();    if (!image) {      console.log('Failed to create the image object');      return false;    }    //图像加载的响应函数    image.onload = function () {      if (loadTexture(gl, image)) {        initTexSuccess = true;      }    };      //浏览器开始加载图像    image.src = 'tex.jpg';      return true;  }    function loadTexture(gl, image) {    // 创建纹理对象    var texture = gl.createTexture();    if (!texture) {      console.log('Failed to create the texture object');      return false;    }      // 开启0号纹理单元    gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);    // 绑定纹理对象    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);      // 设置纹理参数    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);      // 配置纹理图像    gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);      // 将0号单元纹理传递给着色器中的取样器变量    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;  }    //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;  }

主要作了以下三点的改动以使用纹理。

2.1. 准备纹理

在WebGL中，由于JS的异步特性，需要在JS加载图片完成之后，再把图片当做纹理传入着色器进行绘制，所以首先这里定义了一个boolean全局变量initTexSuccess来标识纹理图像是否加载完成。在绘制函数onDraw()中，增加了一个设置纹理函数initTextures()。最后，在重绘刷新函数tick()中检测initTexSuccess变量，如果完成，就进行绘制。

var initTexSuccess = false;       //纹理图像是否加载完成    //...    //绘制函数  function onDraw(gl, canvas, terrain) {      //...      //设置纹理    if (!initTextures(gl)) {      console.log('Failed to intialize the texture.');      return;    }      //...      //绘制函数    var tick = function () {      if (initTexSuccess) {           //...      }        //请求浏览器调用tick      requestAnimationFrame(tick);    };      //开始绘制    tick();  }

在初始化纹理函数initTextures()中，首先给着色器传入了X方向和Y方向上的实际坐标(局部坐标系坐标)范围，这个范围是用来计算纹理坐标的。接着创建了一个Image对象，通过这个对象来加载图像。最后给图像加载编写响应函数，一旦纹理配置函数loadTexture()成功，就设置initTexSuccess为true。

function initTextures(gl, terrain) {    // 传递X方向和Y方向上的范围到着色器    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);      //创建一个image对象    var image = new Image();    if (!image) {      console.log('Failed to create the image object');      return false;    }    //图像加载的响应函数    image.onload = function () {      if (loadTexture(gl, image)) {        initTexSuccess = true;      }    };        //浏览器开始加载图像    image.src = 'tex.jpg';      return true;  }

2.2. 配置纹理

在配置纹理函数loadTexture()中，首先创建了一个纹理对象，并将其绑定到0号纹理单元。WebGL至少支持8个纹理单元，内置的变量名形如gl.TEXTURE0、gl.TEXTURE1……gl.TEXTURE7。

function loadTexture(gl, image) {    // 创建纹理对象    var texture = gl.createTexture();    if (!texture) {      console.log('Failed to create the texture object');      return false;    }      // 开启0号纹理单元    gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);    // 绑定纹理对象    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);      //...      return true;  }

接着通过gl.texParameteri()函数配置纹理的参数，这个函数规定了纹理在缩放时的插值方法，以及纹理填充时采用何种方式铺填。这里表示纹理缩放时采用线性插值，填充范围不够时采用纹理图像边缘值进行填充：

function loadTexture(gl, image) {    //...      // 设置纹理参数    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;  }

最后通过gl.texImage2D()函数将纹理对象分配给纹理对象。而该纹理对象已经与0号纹理单元绑定，因此直接将0号纹理单元作为Uniform变量传递给着色器：

function loadTexture(gl, image) {    //...      // 配置纹理图像    gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);      // 将0号单元纹理传递给着色器中的取样器变量    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. 使用纹理

在顶点着色器中，将顶点坐标值a_Position赋值为varying变量v_position，这个变量是用来传递给片元着色器的。

// 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' +    'varying vec4 v_position;n' +    'void main() {n' +    '  v_position = a_Position;n' +    '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;n' + // 设置顶点坐标    '  v_Color = a_Color;n' +    '}n';

经过内插，片元着色器接受到了每个片元对应的顶点坐标v_position。由于这个值是根据实际的顶点坐标(局部坐标系坐标)内插的，所以这个值也是实际坐标值。同时片元着色器也接收到了传递过来的纹理对象u_Sampler，可以通过texture2D()函数来获取对应坐标的像素，将其作为片元最终值：

// 片元着色器程序  var FSHADER_SOURCE =    'precision mediump float;n' +    'uniform vec2 u_RangeX;n' + //X方向范围    'uniform vec2 u_RangeY;n' + //Y方向范围    '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';

上述代码可以看到并没有直接用v_position来进行插值。这是因为纹理坐标范围是在0~1之间，需要经过一个纹理映射的换算。如图所示，这是一个简单的线性变换的过程：
image

3. 结果

用浏览器运行，最终的显示结果如下，可以清楚的看到山川河流等纹理：
image
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再次说明下这个实例用到了本地图片，需要让浏览器设置跨域或者建立服务器在域内使用。

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。

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