WebGL學習(3) - 3D模型

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相信很多人是以創建逼真酷炫的三維效果為目標而學習webGL的吧，首先我就是😂。我掌握了足夠的webGL技巧后，正准備大展身手時，遇到了一種尷尬的情況：還是做不出想要的東西😭。為啥呢，因為沒有3D模型可供操作啊，純粹用代碼構建復雜的3D模型完全不可想象。

必須使用3dMax，maya，以及開源的blender等建模軟件進行構建。既然已經入了webGL的坑了，那也只能硬着頭皮繼續學習3D建模，斷斷續續學了一個多月的blender教程，總算入門了。

這節主要學習如何導入模型文件，然后用代碼應用效果，操作模型。首先展示下我的大作，噴火戰斗機的3D模型：webGL 噴火戰斗機

內容大綱

1. 模型文件
2. 着色器
3. 光照
4. 模型變換
5. 事件處理

模型文件

blender導出的模型文件plane.obj, 同時還包括材質文件plane.mtl。模型包括2800多個頂點，2200多個面，共200多k的體積，內容比較大，所以只能將文件加載入html文件比較方便。

怎么加載呢？一般會使用ajax獲取，但我這里有更方便的辦法。那就是將模型文件內容預編譯直出到html中，這樣不但提高了加載性能，開發也更方便。具體可參考我之前的文章：前端快速開發模版

這里使用我之前的開發模版, 將模型(obj、mtl)文件以字符串的形式寫入text/template模版中，同時將GLSL語言寫的着色器也預編譯到html中。到時用gulp的命令構建頁面，所有內容就會自動生成到頁面中，html部分的代碼如下所示：

{% 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>上下左右方向鍵 調整視角，W/S/A/D鍵 旋轉模型， +/-鍵 放大縮小</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>
<!-- 頂點着色器 -->
<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文件包含的是模型的頂點法線索引等信息。這里以最簡單的立方體為例。

• v 幾何體頂點
• vt 貼圖坐標點
• vn 頂點法線
• f 面：頂點索引 / 紋理坐標索引 / 法線索引
• usemtl 使用的材質名稱

# 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文件包含的是模型的材質信息

• Ka 環境色 rgb
• Kd 漫反射色,材質顏色 rgb
• Ks 高光色，材質高光顏色 rgb
• Ns 反射高光度 指定材質的反射指數
• Ni 折射值 指定材質表面的光密度
• 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，我們需要做的就是讀取它們，逐行分析，這里使用的objParse讀取解析，想知道內部原理，可以查看源代碼，這里不詳述。

提取出需要的信息后，就可將模型信息寫入緩沖區，然后渲染出來。

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

    //獲取變量地址
    var program = gl.program;
    program.a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
    //...

    // 創建空數據緩沖
    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();

    // 將數據寫入緩沖區
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, drawingInfo.vertices, gl.STATIC_DRAW);
    //...
}

着色器

頂點着色器

頂點着色器比較簡單，和之前的區別比較大的是，把計算顏色光照部分移到了片元着色器，這樣可以實現逐片元光照，效果會更加逼真和自然。

attribute vec4 a_Position;//頂點位置
attribute vec4 a_Color;//頂點顏色
attribute vec4 a_Scolor;//頂點高光顏色
attribute vec4 a_Normal;//法向量
uniform mat4 u_MvpMatrix;//mvp矩陣
uniform mat4 u_ModelMatrix;//模型矩陣
uniform mat4 u_NormalMatrix;
varying vec4 v_Color;
varying vec3 v_Normal;
varying vec3 v_Position;

void main() {
    gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;
    // 計算頂點在世界坐標系的位置
    v_Position = vec3(u_ModelMatrix * a_Position);
    // 計算變換后的法向量並歸一化
    v_Normal = normalize(vec3(u_NormalMatrix * a_Normal));
    v_Color = a_Color;
}

光照

光照相關的計算主要在片元着色器中，首先科普一下光照的相關信息。

物體呈現出顏色亮度就是表面的反射光導致，計算反射光公式如下：
<表面的反射光顏色> = <漫反射光顏色> + <環境反射光顏色> + <鏡面反射光顏色>

1. 其中漫反射公式如下：
<漫反射光顏色> = <入射光顏色> * <表面基底色> * <光線入射角度>

光線入射角度可以由光線方向和表面的法線進行點積求得：
<光線入射角度> = <光線方向> * <法線方向>

最后的漫反射公式如下：
<漫反射光顏色> = <入射光顏色> * <表面基底色> * (<光線方向> * <法線方向>)

2. 環境反射光顏色根據如下公式得到：
<環境反射光顏色> = <入射光顏色> * <表面基底色>

3. 鏡面（高光）反射光顏色公式，這里使用的是馮氏反射原理
<鏡面反射光顏色> = <高光顏色> * <鏡面反射亮度權重> 

其中鏡面反射亮度權重又如下
<鏡面反射亮度權重> = (<觀察方向的單位向量> * <入射光反射方向>) ^ 光澤度

片元着色器

着色器代碼就是對上面公式內容的演繹

precision mediump float;
uniform vec3 u_LightPosition;//光源位置
uniform vec3 u_diffuseColor;//漫反射光顏色
uniform vec3 u_AmbientColor;//環境光顏色
uniform vec3 u_specularColor;//鏡面反射光顏色
uniform float u_MaterialShininess;// 鏡面反射光澤度
varying vec3 v_Normal;//法向量
varying vec3 v_Position;//頂點位置
varying vec4 v_Color;//頂點顏色

void main() {
    // 對法線歸一化
    vec3 normal = normalize(v_Normal);
    // 計算光線方向(光源位置-頂點位置)並歸一化
    vec3 lightDirection = normalize(u_LightPosition - v_Position);
    // 計算光線方向和法向量點積
    float nDotL = max(dot(lightDirection, normal), 0.0);
    // 漫反射光亮度
    vec3 diffuse = u_diffuseColor  * nDotL * v_Color.rgb;
    // 環境光亮度
    vec3 ambient = u_AmbientColor * v_Color.rgb;
    // 觀察方向的單位向量V
    vec3 eyeDirection = normalize(-v_Position);
    // 反射方向
    vec3 reflectionDirection = reflect(-lightDirection, normal);
    // 鏡面反射亮度權重
    float specularLightWeighting = pow(max(dot(reflectionDirection, eyeDirection), 0.0), u_MaterialShininess);
    // 鏡面高光亮度
    vec3 specular =  lightColor.rgb * specularLightWeighting ;
    gl_FragColor = vec4(ambient + diffuse + specular, v_Color.a);
}

模型變換

這里先設置光照相關的初始條件，然后是mvp矩陣變換和法向量矩陣相關的計算，具體知識點可參考之前的文章WebGL學習(2) - 3D場景

要注意的是逆轉置矩陣，主要用於計算模型變換之后的法向量，有了變換后的法向量才能正確計算光照。

求逆轉置矩陣步驟
1.求原模型矩陣的逆矩陣
2.將逆矩陣轉置

<變換后法向量> = <逆轉置矩陣> * <變換前法向量>

給着色器變量賦值然后繪制出模型，最后調用requestAnimationFrame不斷執行動畫。矩陣的旋轉部分可結合下面的keydown事件進行查看。

function main() {
    //...

    // 光線方向
    gl.uniform3f(u_LightPosition, 0.0, 2.0, 12.0);
    // 漫反射光照顏色
    gl.uniform3f(u_diffuseColor, 1.0, 1.0, 1.0);
    // 設置環境光顏色
    gl.uniform3f(u_AmbientColor, 0.5, 0.5, 0.5);
    // 鏡面反射光澤度
    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() {
        // 模型矩陣
        if (notMan) {
            angleY += 0.5;
        }
        modelMatrix.setRotate(angleY % 360, 0, 1, 0); // 繞y軸旋轉
        modelMatrix.rotate(angleX % 360, 1, 0, 0); // 繞x軸旋轉

        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);

        // 視點投影
        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);
        // 根據模型矩陣計算用來變換法向量的矩陣
        normalMatrix.setInverseOf(modelMatrix);
        normalMatrix.transpose();

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

        // 清屏|清深度緩沖
        gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

        // 根據頂點索引繪制圖形(圖形類型，繪制頂點個數，頂點索引數據類型，頂點索引中開始繪制的位置)
        gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
        requestAnimationFrame(animate);
    })();
}

事件處理

+/- 鍵實現放大/縮小場景的功能；WSAD鍵實現模型的旋轉，也就是實現繞x軸和y軸旋轉；上下左右方向鍵實現的是視點的旋轉。矩陣變換的相關實現參考上面代碼的動畫部分。

模型旋轉和視點旋轉看着很相似，其實又有不同的。視點的旋轉是整個場景比如光照模型等都是跟着變化的，如果以場景做參照物，它就相當於人改變觀察位置觀看物體。而模型旋轉呢，它只旋轉模型自身，外部的光照和場景都是不變的，以場景做參照物，相當於人在同一位置觀看模型在運動。從demo的光照可以看出兩種方式的區別。

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 );

總結

最后，個人感覺建立3D模型還是挺費時間，需要花心機慢慢調整，才能做出比較完美的模型。