可视化学习：如何用WebGL绘制3D物体

技术分享 2年前 (2024-07-11) 0 999+

在之前的文章中，我们使用WebGL绘制了很多二维的图形和图像，在学习2D绘图的时候，我们提过很多次关于GPU的高效渲染，但是2D图形的绘制只展示了WebGL部分的能力，WebGL更强大的地方在于，它可以绘制各种3D图形，而3D图形能够极大地增强可视化的表现能力。

相信很多小伙伴都对此有所耳闻，也有不少人学习WebGL，就是冲着它的3D绘图能力。

接下来，我就用一个简单的正立方体的例子来演示在WebGL中如何绘制3D物体。

从二维到三维

首先，我们先来绘制一个熟悉的2D图形，正方形。

// vertex attribute vec2 a_vertexPosition; attribute vec4 color;  varying vec4 vColor;  void main() {   gl_PointSize = 1.0;   vColor = color;   gl_Position = vec4(a_vertexPosition, 1, 1); }  // fragment #ifdef GL_ES precision highp float; #endif  varying vec4 vColor;  void main() {   gl_FragColor = vColor; }

// ... renderer.setMeshData([{   positions: [     [-0.5, -0.5],     [-0.5, 0.5],     [0.5, 0.5],     [0.5, -0.5]   ],   attributes: {     color: [       [1, 0, 0, 1],       [1, 0, 0, 1],       [1, 0, 0, 1],       [1, 0, 0, 1],     ]   },   cells: [[0, 1, 2], [2, 0, 3]] }]); // ...

上述这些代码比较简单，我就不过多解释了。

在画布上我们看到，绘制了一个红色的正方形，它是一个平面图形。

接下来，我们就在这个图形的基础上，将它拓展为3D的正立方体。

要想把2维图形拓展为3维几何体，第一步就是要把顶点扩展到3维。也就是把vec2扩展为vec3。

// vertex attribute vec3 a_vertexPosition; attribute vec4 color;  varying vec4 vColor;  void main() {   gl_PointSize = 1.0;   vColor = color;   gl_Position = vec4(a_vertexPosition, 1); }

当然仅仅修改Shader是不够的，因为数据是从JavaScript传递过来的，所以我们需要在JavaScript中计算立方体的顶点数据，然后再传递给Shader。

一个立方体有8个顶点，能组成6个面。在WebGL中需要用12个三角形来绘制它。

如果6个面的属性相同的话，我们可以复用8个顶点来绘制；

但如果属性不完全相同，比如每个面要绘制成不同的颜色，或者添加不同的纹理图片，就得把每个面的顶点分开。这样的话，就需要24个顶点来分别处理6个面。

为了方便使用，我们可以定义一个JavaScript函数，用来生成立方体6个面的24个顶点，以及12个三角形的索引，并且定义每个面的颜色。

/**  * 生成立方体6个面的24个顶点，12个三角形的索引，定义每个面的颜色信息  * @param size  * @param colors  * @returns {{cells: *[], color: *[], positions: *[]}}  */ export function cube(size = 1.0, colors = [[1, 0, 0, 1]]) {     const h = 0.5 * size;     const vertices = [         [-h, -h, -h],         [-h, h, -h],         [h, h, -h],         [h, -h, -h],         [-h, -h, h],         [-h, h, h],         [h, h, h],         [h, -h, h]     ];      const positions = [];     const color = [];     const cells = [];      let colorIdx = 0;     let cellsIdx = 0;     const colorLen = colors.length;      function quad(a, b, c, d) {         [a, b, c, d].forEach(item => {             positions.push(vertices[item]);             color.push(colors[colorIdx % colorLen]);         });         cells.push(             [0, 1, 2].map(i => i + cellsIdx),             [0, 2, 3].map(i => i + cellsIdx)         );         colorIdx ++;         cellsIdx += 4;     }      quad(1, 0, 3, 2); // 内     quad(4, 5, 6, 7); // 外     quad(2, 3, 7, 6); // 右     quad(5, 4, 0, 1); // 左     quad(3, 0, 4, 7); // 下     quad(6, 5, 1, 2); // 上      return {positions, color, cells}; }

现在我们就可以通过调用cube这个函数，构建出立方体的顶点信息。

const geometry = cube(1.0, [     [1, 0, 0, 1],   // 红     [0, 0.5, 0, 1], // 绿     [0, 0, 1, 1]    // 蓝 ]);

通过这段代码，我们就能创建出一个棱长为1的立方体，并且六个面的颜色分别是“红、绿、蓝、红、绿、蓝”。

接下来我们就要把这个立方体的顶点信息传递给Shader。

在传递数据之前，我们需要先了解一个知识点，是关于绘制3D图形与2D图形存在的一点不同，那就是绘制3D图形时，必须要开启深度检测和启用深度缓冲区。

在WebGL中，我们可以通过gl.enable(gl.DEPTH_TEST);这段代码来开启深度检测；在清空画布的时候，也要用gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);这段代码来同时清空颜色缓冲区和深度缓冲区。

启动和清空深度检测和深度缓冲区这两个步骤，非常重要。但是一般情况下，我们几乎不会用原生的方式来编写代码，所以了解一下即可。为了方便使用，在本文演示的例子中，我们还是直接使用gl-renderer这个库，它封装了深度检测，我们在使用时，在创建renderer的时候配置一个参数depth: true就可以了。

现在我们就把这个三维立方体用gl-renderer渲染出来。

// ... renderer = new GlRenderer(glRef.value, {   depth: true // 开启深度检测 }); const program = renderer.compileSync(fragment, vertex); renderer.useProgram(program); renderer.setMeshData([{   positions: geometry.positions,   attributes: {     color: geometry.color   },   cells: geometry.cells }]); renderer.render();

现在我们在画布上看到的是一个红色正方形，这是因为其他面被遮挡住了。

投影矩阵：变换WebGL坐标系

但是，等等，为什么我们看到的是红色的一面呢？按照我们所编写的代码，预期看到的应该是绿色的一面，也就是说我们预期Z轴是向外的，因为规范的直角坐标系是右手坐标系。所以按照现在的绘制结果，我们发现WebGL的坐标系其实是左手系的？

但一般来说，不管什么图形库或者图形框架，在绘图的时候，都会默认将坐标系从左手系转换为右手系，因为这更符合我们的使用习惯。所以这里，我们也去把WebGL的坐标系从左手系转换为右手系，简单来说，就是将Z轴坐标方向反转。关于坐标转换，可以通过齐次矩阵来完成。对坐标转换不熟悉的小伙伴，可以参考我之前的一篇关于仿射变换的文章。

将Z轴坐标方向反转，对应的齐次矩阵是这样的：

[ 	1, 0, 0, 0, 	0, 1, 0, 0, 	0, 0, -1, 0, 	0, 0, 0, 1 ]

这种转换坐标的齐次矩阵，也被称为投影矩阵，ProjectionMatrix。

现在我们修改一下顶点着色器，把这个投影矩阵添加进去。

// vertex attribute vec3 a_vertexPosition; // 1:把顶点从vec2扩展到vec3 attribute vec4 color; // 四维向量  varying vec4 vColor; uniform mat4 projectionMatrix; // 2:投影矩阵-变换坐标系  void main() {   gl_PointSize = 1.0;   vColor = color;   gl_Position = projectionMatrix * vec4(a_vertexPosition, 1.0); }

现在我们就能看到画布上显示的是绿色的正方形了。

模型矩阵：让立方体旋转起来

现在我们只能看到立方体的一个面，因为Z轴是垂直于屏幕的，这样子从视觉上看好像和2维图形没什么区别，没法让人很直观地联想、感受到这是一个三维的几何体，为了将其他的面露出来，我们可以去旋转立方体。

要想旋转立方体，我们同样可以通过矩阵运算来实现。这个矩阵叫做模型矩阵，ModelMatrix，它定义了被绘制的物体变换。

把模型矩阵加入到顶点着色器中，将它与投影矩阵相乘，再乘上齐次坐标，就得到最终的顶点坐标了。

attribute vec3 a_vertexPosition; // 1:把顶点从vec2扩展到vec3 attribute vec4 color; // 四维向量  varying vec4 vColor; uniform mat4 projectionMatrix; // 2:投影矩阵-变换坐标系 uniform mat4 modelMatrix; // 3:模型矩阵-使几何体旋转  void main() {   gl_PointSize = 1.0;   vColor = color;   gl_Position = projectionMatrix * modelMatrix * vec4(a_vertexPosition, 1.0); }

现在我们定义一个JavaScript函数，用立方体沿x、y、z轴的旋转来生成模型矩阵。

以x、y、z三个方向的旋转得到三个齐次矩阵，然后将它们相乘，就能得到最终的模型矩阵。

import { multiply } from 'ogl/src/math/functions/Mat4Func.js'; // ... export function fromRotation(rotationX, rotationY, rotationZ) {     let c = Math.cos(rotationX);     let s = Math.sin(rotationX);     const rx = [         1,  0, 0, 0, // 绕X轴旋转         0,  c, s, 0,         0, -s, c, 0,         0,  0, 0, 1     ];      c = Math.cos(rotationY);     s = Math.sin(rotationY);     const ry = [         c,  0, s, 0,         0,  1, 0, 0, // 绕Y轴旋转         -s, 0, c, 0,         0,  0, 0, 1     ];      c = Math.cos(rotationZ);     s = Math.sin(rotationZ);     const rz = [         c,  s, 0, 0,         -s, c, 0, 0,         0,  0, 1, 0, // 绕Z轴旋转         0,  0, 0, 1     ];      const ret = [];     multiply(ret, rx, ry);     multiply(ret, ret, rz);     return ret; }

我们把模型矩阵传给顶点着色器，不断更新三个旋转角度，就能实现立方体旋转的效果。

// ... let rotationX = 0; let rotationY = 0; let rotationZ = 0; function update() {   rotationX += 0.003;   rotationY += 0.005;   rotationZ += 0.007;   renderer.uniforms.modelMatrix = fromRotation(rotationX, rotationY, rotationZ);   requestAnimationFrame(update); } update(); // ...

现在我们就能在旋转中看到立方体的其他几个面了，能更直观地感受到这是一个三维物体。