WebGL簡易教程(十一)：紋理

目錄

• 1. 概述
• 2. 實例
  • 2.1. 准備紋理
  • 2.2. 配置紋理
  • 2.3. 使用紋理
• 3. 結果
• 4. 參考

1. 概述

在之前的之前的教程《WebGL簡易教程(九)：綜合實例：地形的繪制》中，繪制了一個帶顏色的地形場景。地形的顏色是根據高程賦予的RGB值，通過不同的顏色來表示地形的起伏，這是表達地形渲染的一種方式。除此之外，還可以將拍攝得到的數字影像，貼到地形上面，得到更逼真的地形效果。這就要用到我們這一章的新知識——紋理了。

這里用到的紋理圖像，是一張從GoogleEarth上下載的衛星影像DOM.tif，其范圍正好覆蓋地形數據。為了方便使用，特意將其轉換為JPG格式的影像：tex.jpg。並放到與HTML和JS同目錄下。用圖像查看軟件打開圖像的顯示效果為：

注意，在大部分瀏覽器（如chrome）中，基於安全策略是不允許訪問本地文件的。WebGL的紋理需要用到本地的圖像，所以需要將瀏覽器設置成支持跨域訪問或者建立服務器在域內使用。

2. 實例

基於《WebGL簡易教程(九)：綜合實例：地形的繪制》中的JS代碼進行改進：

// 頂點着色器程序
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' +
  'varying vec4 v_position;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  v_position = a_Position;\n' +
  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // 設置頂點坐標
  '  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方向范圍
  'uniform vec2 u_RangeY;\n' + //Y方向范圍
  '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
var initTexSuccess = false; //紋理圖像是否加載完成

function main() {
  var demFile = document.getElementById('demFile');
  if (!demFile) {
    console.log("Failed to get demFile element!");
    return;
  }

  //加載文件后的事件
  demFile.addEventListener("change", function (event) {
    //判斷瀏覽器是否支持FileReader接口
    if (typeof FileReader == 'undefined') {
      console.log("你的瀏覽器不支持FileReader接口！");
      return;
    }

    //讀取文件后的事件
    var reader = new FileReader();
    reader.onload = function () {
      if (reader.result) {
        var terrain = new Terrain();
        if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {
          console.log("文件格式有誤，不能讀取該文件！");
        }

        //繪制函數
        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;
  }

  // 初始化着色器
  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);

  //清空顏色和深度緩沖區
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
}

//繪制函數
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;
  }

  //設置紋理
  if (!initTextures(gl, terrain)) {
    console.log('Failed to intialize the texture.');
    return;
  }

  //注冊鼠標事件
  initEventHandlers(canvas);

  //繪制函數
  var tick = function () {
    if (initTexSuccess) {
      //設置MVP矩陣
      setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid);

      //清空顏色和深度緩沖區
      gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

      //繪制矩形體
      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);
  };

  //開始繪制
  tick();
}

function initTextures(gl, terrain) {
  // 傳遞X方向和Y方向上的范圍到着色器
  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);

  //創建一個image對象
  var image = new Image();
  if (!image) {
    console.log('Failed to create the image object');
    return false;
  }
  //圖像加載的響應函數 
  image.onload = function () {
    if (loadTexture(gl, image)) {
      initTexSuccess = true;
    }
  };

  //瀏覽器開始加載圖像
  image.src = 'tex.jpg';

  return true;
}

function loadTexture(gl, image) {
  // 創建紋理對象
  var texture = gl.createTexture();
  if (!texture) {
    console.log('Failed to create the texture object');
    return false;
  }

  // 開啟0號紋理單元
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
  // 綁定紋理對象
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

  // 設置紋理參數
  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);

  // 配置紋理圖像
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);

  // 將0號單元紋理傳遞給着色器中的取樣器變量 
  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;
}

//讀取DEM函數
function readDEMFile(result, terrain) {
  var stringlines = result.split("\n");
  if (!stringlines || stringlines.length <= 0) {
    return false;
  }

  //讀取頭信息
  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;
}


//注冊鼠標事件
function initEventHandlers(canvas) {
  var dragging = false; // Dragging or not
  var lastX = -1,
    lastY = -1; // Last position of the mouse

  //鼠標按下
  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;
    }
  };

  //鼠標離開時
  canvas.onmouseleave = function (ev) {
    dragging = false;
  };

  //鼠標釋放
  canvas.onmouseup = function (ev) {
    dragging = false;
  };

  //鼠標移動
  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;
  };

  //鼠標縮放
  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矩陣傳輸到着色器的uniform變量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; //數組中每個元素的字節數

  // 創建緩沖區對象
  var vertexColorBuffer = gl.createBuffer();
  var indexBuffer = gl.createBuffer();
  if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) {
    console.log('Failed to create the buffer object');
    return -1;
  }

  // 將緩沖區對象綁定到目標
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);
  // 向緩沖區對象寫入數據
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);

  //獲取着色器中attribute變量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;
  }
  // 將緩沖區對象分配給a_Position變量
  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);

  // 連接a_Position變量與分配給它的緩沖區對象
  gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

  //獲取着色器中attribute變量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;
  }
  // 將緩沖區對象分配給a_Color變量
  gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);
  // 連接a_Color變量與分配給它的緩沖區對象
  gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

  // 將頂點索引寫入到緩沖區對象
  gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
  gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

  return indices.length;
}

主要作了以下三點的改動以使用紋理。

2.1. 准備紋理

在WebGL中，由於JS的異步特性，需要在JS加載圖片完成之后，再把圖片當做紋理傳入着色器進行繪制，所以首先這里定義了一個boolean全局變量initTexSuccess來標識紋理圖像是否加載完成。在繪制函數onDraw()中，增加了一個設置紋理函數initTextures()。最后，在重繪刷新函數tick()中檢測initTexSuccess變量，如果完成，就進行繪制。

var initTexSuccess = false;       //紋理圖像是否加載完成

//...

//繪制函數
function onDraw(gl, canvas, terrain) {

  //...

  //設置紋理
  if (!initTextures(gl)) {
    console.log('Failed to intialize the texture.');
    return;
  }

  //...

  //繪制函數
  var tick = function () {
    if (initTexSuccess) {
         //...
    }

    //請求瀏覽器調用tick
    requestAnimationFrame(tick);
  };

  //開始繪制
  tick();
}

在初始化紋理函數initTextures()中，首先給着色器傳入了X方向和Y方向上的實際坐標(局部坐標系坐標)范圍，這個范圍是用來計算紋理坐標的。接着創建了一個Image對象，通過這個對象來加載圖像。最后給圖像加載編寫響應函數，一旦紋理配置函數loadTexture()成功，就設置initTexSuccess為true。

function initTextures(gl, terrain) {
  // 傳遞X方向和Y方向上的范圍到着色器
  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);

  //創建一個image對象
  var image = new Image(); 
  if (!image) {
    console.log('Failed to create the image object');
    return false;
  }
  //圖像加載的響應函數 
  image.onload = function () {
    if (loadTexture(gl, image)) {
      initTexSuccess = true;
    }
  };


  //瀏覽器開始加載圖像
  image.src = 'tex.jpg';

  return true;
}

2.2. 配置紋理

在配置紋理函數loadTexture()中，首先創建了一個紋理對象，並將其綁定到0號紋理單元。WebGL至少支持8個紋理單元，內置的變量名形如gl.TEXTURE0、gl.TEXTURE1......gl.TEXTURE7。

function loadTexture(gl, image) {
  // 創建紋理對象
  var texture = gl.createTexture();
  if (!texture) {
    console.log('Failed to create the texture object');
    return false;
  }

  // 開啟0號紋理單元
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
  // 綁定紋理對象
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

  //...  

  return true;
}

接着通過gl.texParameteri()函數配置紋理的參數，這個函數規定了紋理在縮放時的插值方法，以及紋理填充時采用何種方式鋪填。這里表示紋理縮放時采用線性插值，填充范圍不夠時采用紋理圖像邊緣值進行填充：

function loadTexture(gl, image) {
  //...

  // 設置紋理參數
  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;
}

最后通過gl.texImage2D()函數將紋理對象分配給紋理對象。而該紋理對象已經與0號紋理單元綁定，因此直接將0號紋理單元作為Uniform變量傳遞給着色器：

function loadTexture(gl, image) {
  //...

  // 配置紋理圖像
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);

  // 將0號單元紋理傳遞給着色器中的取樣器變量 
  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. 使用紋理

在頂點着色器中，將頂點坐標值a_Position賦值為varying變量v_position，這個變量是用來傳遞給片元着色器的。

// 頂點着色器程序
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' +
  'varying vec4 v_position;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  v_position = a_Position;\n' +
  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // 設置頂點坐標
  '  v_Color = a_Color;\n' +
  '}\n';

經過內插，片元着色器接受到了每個片元對應的頂點坐標v_position。由於這個值是根據實際的頂點坐標(局部坐標系坐標)內插的，所以這個值也是實際坐標值。同時片元着色器也接收到了傳遞過來的紋理對象u_Sampler，可以通過texture2D()函數來獲取對應坐標的像素，將其作為片元最終值：

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

上述代碼可以看到並沒有直接用v_position來進行插值。這是因為紋理坐標范圍是在0~1之間，需要經過一個紋理映射的換算。如圖所示，這是一個簡單的線性變換的過程：

3. 結果

用瀏覽器運行，最終的顯示結果如下，可以清楚的看到山川河流等紋理：

再次說明下這個實例用到了本地圖片，需要讓瀏覽器設置跨域或者建立服務器在域內使用。

4. 參考

本來部分代碼和插圖來自《WebGL編程指南》，源代碼鏈接：地址 。會在此共享目錄中持續更新后續的內容。