WebGL簡易教程(九)：綜合實例：地形的繪製
- 2019 年 10 月 8 日
- 筆記
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，通過滑鼠實現場景的旋轉和縮放。那麼在這一篇教程中，綜合前面的知識，可以做出一個稍微複雜的實例：繪製一張基於現實的地形圖。
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，影像格式就可以作為DEM的載體，只不過每個影像的像素值代表的是高程的值。這裡準備了一張tif格式的DEM數據DEM.tif：
這張tif是從Google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，我這裡預先將其處理成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裡面保存的應該只有點的位置資訊也就是XYZ坐標，其渲染的顏色資訊和法向量資訊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，以後有機會將會在後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"> 請使用支援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的程式碼中，添加了一個input按鈕元素，用來導入DEM文件。一旦載入成功，canvas元素就會把讀取的數據顯示出來。
2.2. TerrainViewer.js
// 頂點著色器程式 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'; // 片元著色器程式 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; } //載入文件後的事件 demFile.addEventListener("change", function (event) { //判斷瀏覽器是否支援FileReader介面 if (typeof FileReader == 'undefined') { console.log("你的瀏覽器不支援FileReader介面！"); return; } //讀取文件後的事件 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！"); } //繪製函數 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); //清空顏色和深度緩衝區 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT); } //繪製函數 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; } //註冊滑鼠事件 initEventHandlers(canvas); //繪製函數 var tick = function () { //設置MVP矩陣 setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid); //清空顏色和深度緩衝區 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT); //繪製矩形體 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); }; //開始繪製 tick(); } //讀取DEM函數 function readDEMFile(result, terrain) { var stringlines = result.split("n"); if (!stringlines || stringlines.length <= 0) { return false; } //讀取頭資訊 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); //讀取點資訊 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; } //註冊滑鼠事件 function initEventHandlers(canvas) { var dragging = false; // Dragging or not var lastX = -1, lastY = -1; // Last position of the mouse //滑鼠按下 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; } }; //滑鼠離開時 canvas.onmouseleave = function (ev) { dragging = false; }; //滑鼠釋放 canvas.onmouseup = function (ev) { dragging = false; }; //滑鼠移動 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; }; //滑鼠縮放 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變數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; //數組中每個元素的位元組數 // 創建緩衝區對象 var vertexColorBuffer = gl.createBuffer(); var indexBuffer = gl.createBuffer(); if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) { console.log('Failed to create the buffer object'); return -1; } // 將緩衝區對象綁定到目標 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer); // 向緩衝區對象寫入數據 gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW); //獲取著色器中attribute變數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; } // 將緩衝區對象分配給a_Position變數 gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0); // 連接a_Position變數與分配給它的緩衝區對象 gl.enableVertexAttribArray(a_Position); //獲取著色器中attribute變數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; } // 將緩衝區對象分配給a_Color變數 gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3); // 連接a_Color變數與分配給它的緩衝區對象 gl.enableVertexAttribArray(a_Color); // 將頂點索引寫入到緩衝區對象 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程式碼相比，沒有什麼新的知識，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，為按鈕定義了載入事件函數。在函數中通過FileReader()讀取文件，讀取函數為readDEMFile();接著進行繪製，繪製函數為onDraw()。
//... var demFile = document.getElementById('demFile'); if (!demFile) { console.log("Failed to get demFile element!"); return; } //載入文件後的事件 demFile.addEventListener("change", function (event) { //判斷瀏覽器是否支援FileReader介面 if (typeof FileReader == 'undefined') { console.log("你的瀏覽器不支援FileReader介面！"); return; } //讀取文件後的事件 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！"); } //繪製函數 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、位置資訊以及顏色資訊都存入到這個對象中。值得注意的是，這裡求取了所有點的包圍盒，也一併保存進Terrain對象中了。這個包圍盒資訊就是用來設置MVP矩陣的，從而讓場景與滑鼠進行交互。
//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; } //讀取頭資訊 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); //讀取點資訊 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; }繪製函數onDraw()與之前的程式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。
//繪製函數 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; } //註冊滑鼠事件 initEventHandlers(canvas); //繪製函數 var tick = function () { //設置MVP矩陣 setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid); //清空顏色和深度緩衝區 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT); //繪製矩形體 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); }; //開始繪製 tick(); }在函數initVertexBuffers()中，由於讀取的頂點資訊（保存在Terrain對象中）同樣包含位置資訊和定點資訊，所以同樣將其傳遞到緩衝區對象。不同的在於頂點索引的組織。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。所以一共要繪製(((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; //數組中每個元素的位元組數 //... return indices.length; }3. 結果
通過瀏覽器運行程式，載入DEM.dem文件，結果如下：
其滑鼠交互操作：
可以看到最終繪製的結果是一小塊起伏的地形。所有複雜的模型都可以採用本例的辦法，用足夠的三角形繪製而成。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
本來部分程式碼和插圖來自《WebGL編程指南》，源程式碼鏈接：地址 。會在此共享目錄中持續更新後續的內容。
