大家好，本文開始編程，實現最小的3D程序。
我們首先進行需求分析，確定功能點；
然后進行事件風暴，建立領域驅動設計的通用語言；
然后進行初步實現，划分頂層模塊，進行頂層實現，給出類型簽名和實現的偽代碼；
然后進行具體實現，從頂層到底層依次實現；
最后更新通用語言。
上一篇博文
下一篇博文
從0開發3D引擎（十）：使用領域驅動設計，從最小3D程序中提煉引擎（第一部分）
最終效果截圖
術語解釋
- 文件與模塊
在Reason中，一個Reason文件（如Main.re）就是一個模塊（Module），所以我們既稱Main.re為Main文件，也稱它為Main模塊。
需求分析
首先，我們分析最小3D程序的目標和特性；
接着，根據特性，我們進行頭腦風暴，識別出功能關鍵點和擴展點；
最后，根據功能關鍵點和擴展點，我們確定最小3D程序的功能點。
目標
可從最小3D程序中提煉出通用的、最簡化的引擎雛形
特性
為了達成目標，最小3D程序應該具備以下的特性：
- 簡單
最小3D程序應該很簡單，便於我們分析和提煉。 - 具有3D程序的通用特性
為了使從中提煉出的引擎雛形可擴展，最小3D程序需要包含3D程序主要的流程和通用的模式
頭腦風暴
現在，我們根據特性，進行頭腦風暴，識別出最小3D程序的功能關鍵點和擴展點。
下面從兩個方面來分析：
1、從功能上分析
最簡單的功能就是沒有任何交互，只是渲染模型；
而最簡單的模型就是三角形；
識別功能關鍵點：
a)渲染三角形
b)只渲染，沒有任何交互
2、從流程上分析
3D程序應該包含兩個步驟：
1)初始化
進一步分解，識別出最明顯的子步驟：
//“|>”是函數式編程中的管道操作。例如：“A |> B”表示先執行A，然后將其返回值傳給B，再執行B
初始化 ＝ 初始化Shader |> 初始化場景
識別功能擴展點：
a)多組GLSL
因為在3D場景中，通常有各種渲染效果，如光照、霧、陰影等，每種渲染效果對應一個或多個Shader，而每個Shader對應一組GLSL，每組GLSL包含頂點GLSL和片段GLSL，所以最小3D程序需要支持多組GLSL。
2)主循環
進一步分解，識別出最明顯的子步驟：
主循環 = 使用requestAnimationFrame循環執行每一幀
每一幀 ＝ 清空畫布 |> 渲染
渲染 ＝ 設置WebGL狀態 |> 設置相機 |> 渲染場景中所有的模型
識別功能擴展點：
b)多個渲染模式
3D場景往往需要用不同的模式來渲染不同的模型，如用不同的模式來渲染所有透明的模型和渲染所有非透明的模型。
c)多個WebGL狀態
每個渲染模式需要設置對應的多個WebGL狀態。
d)多個相機
3D場景中通常有多個相機。在渲染時，設置其中一個相機作為當前相機。
e)多個模型
3D場景往往包含多個模型。
f)每個模型有不同的位置、旋轉和縮放
確定需求
現在，我們根據功能關鍵點和擴展點，確定最小3D程序的需求。
下面分析非功能性需求和功能性需求：
非功能性需求
最小3D程序不考慮非功能性需求
功能性需求
我們已經識別了以下的功能關鍵點：
a)渲染三角形
b)只渲染，沒有任何交互
結合功能關鍵點，我們對功能擴展點進行一一分析和決定，得到最小3D程序要實現的功能點：
a)多組GLSL
為了簡單，實現兩組GLSL，它們只有細微的差別，從而可以用相似的代碼來渲染使用不同GLSL的三角形，減少代碼復雜度
b)多個渲染模式
為了簡單，只有一個渲染模式：渲染所有非透明的模型
c)多個WebGL狀態
我們設置常用的兩個狀態：開啟深度測試、開啟背面剔除。
d)多個相機
為了簡單，只有一個相機
e)多個模型
渲染三個三角形
f)每個模型有不同的位置、旋轉和縮放
為了簡單，每個三角形有不同的位置（它們的z值，即深度不一樣，從而測試“開啟深度測試”的效果），但不考慮旋轉和縮放
根據上面的分析，我們給出最小3D程序要實現的功能點：
- 只渲染，沒有交互
- 有兩組GLSL
它們的區別為：
第一組GLSL接收一個顏色的uniform；
第二組GLSL接收兩個顏色的uniform。 - 場景有三個三角形，對應不同的GLSL
第一個三角形有一個顏色數據，用第一組的GLSL；
第二個三角形有兩個顏色數據，用第二組的GLSL；
第三個三角形有一個顏色數據，用第一組的GLSL； - 所有三角形都是非透明的
- 開啟深度測試和背面剔除
- 只有一個固定的透視投影相機
- 三角形的位置不同，不考慮旋轉和縮放
事件風暴
我們在分析的需求的基礎上，進行事件風暴，建立通用語言。
識別領域事件
識別命令，尋找聚合，划分限界上下文
通用語言
初步實現
現在，我們對最小3D程序進行初步實現：
1、划分最小3D程序的頂層模塊：
程序的邏輯放在Main模塊的main函數中；
index.html頁面執行main函數；
在瀏覽器中運行index.html頁面，渲染三角形場景。
2、用類型簽名和偽代碼，對main函數進行頂層實現：
//unit表示無返回類型，類似於C語言的void
type main = unit => unit;
let main = () => {
_init()
//開啟主循環
|> _loop
//使用“ignore”來忽略_loop的返回值，從而使main函數的返回類型為unit
|> ignore;
};
//data是用於主循環的數據
type _init = unit => data;
let _init = () => {
獲得WebGL上下文
//因為有兩組GLSL，所以有兩個Shader
|> 初始化所有Shader
|> 初始化場景
};
type _loop = data => int;
//用“rec”關鍵字將_loop設為遞歸調用
let rec _loop = (data) =>
requestAnimationFrame((time:int) => {
//執行主循環的邏輯
_loopBody(data);
//遞歸調用_loop
_loop(data) |> ignore;
});
type _loopBody = data => unit;
let _loopBody = (data) => {
data
|> _clearColor
|> _clearCanvas
|> _render
};
type _render = data => unit;
let _render = (data) => {
設置WebGL狀態
|> 渲染三個三角形
};
具體實現
現在，我們從頂層到底層依次實現最小3D程序，使其能夠在瀏覽器中運行。
新建TinyWonder項目
首先通過從0開發3D引擎（三）：搭建開發環境，搭建Reason的開發環境；
然后新建空白的TinyWonder文件夾，將Reason-Example項目的內容拷貝到該項目中，刪除src/First.re文件；
在項目根目錄下，依次執行“yarn install”，“yarn watch”，“yarn start”。
TinyWonder項目結構為：
src/文件夾放置Reason代碼；
lib/es6_global/文件夾放置編譯后的js代碼（使用es6 module模塊規范）。
實現頂層模塊
在src/中加入Main.re文件，定義一個空的main函數：
let main = () => {
console.log("main");
};
重寫index.html頁面為：
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="utf-8" />
<title>Demo</title>
</head>
<body>
<canvas id="webgl" width="400" height="400">
Please use a browser that supports "canvas"
</canvas>
<script type="module">
import { main } from "./lib/es6_global/src/Main.js";
window.onload = () => {
main();
};
</script>
</body>
</html>
index.html創建了一個canvas，並通過ES6 module引入了編譯后的Main.js文件，執行main函數。
運行index.html頁面
瀏覽器地址中輸入 http://127.0.0.1:8080， 運行index.html頁面。
打開瀏覽器控制台->Console，可以看到輸出“main”。
實現_init
現在我們來實現main函數，它包括_init和_loop函數。
我們首先實現_init函數，它的偽代碼為：
type _init = unit => data;
let _init = () => {
獲得WebGL上下文
|> 初始化所有Shader
|> 初始化場景
};
實現“獲得WebGL上下文”
通過以下步驟來實現：
1、獲得canvas dom
需要調用window.querySelector方法來獲得它 ，因此需要寫FFI。
在src/中加入DomExtend.re，該文件放置與Dom交互的FFI。
在其中定義FFI：
type htmlElement = {
.
"width": int,
"height": int,
};
type body;
type document = {. "body": body};
[@bs.send] external querySelector: (document, string) => htmlElement = "";
在Main.re的_init函數中，通過canvas dom id來獲得canvas：
let canvas = DomExtend.querySelector(DomExtend.document, "#webgl");
2、從canvas中獲得webgl1的上下文
需要調用canvas的getContext方法，因此需要寫FFI。
在src/中增加Gl.re，該文件放置與webgl1 API相關的FFI。
在其中定義相關FFI：
type webgl1Context;
type contextConfigJsObj = {
.
"alpha": bool,
"depth": bool,
"stencil": bool,
"antialias": bool,
"premultipliedAlpha": bool,
"preserveDrawingBuffer": bool,
};
[@bs.send]
external getWebGL1Context:
('canvas, [@bs.as "webgl"] _, contextConfigJsObj) => webgl1Context =
"getContext";
在Main.re的_init函數中，獲得上下文，指定它的配置項：
let gl =
WebGL1.getWebGL1Context(
canvas,
{
"alpha": true,
"depth": true,
"stencil": false,
"antialias": true,
"premultipliedAlpha": true,
"preserveDrawingBuffer": false,
}: WebGL1.contextConfigJsObj,
);
我們通過網上的資料，解釋下配置項：
WebGL上下文屬性：
alpha ：布爾值，指示畫布是否包含alpha緩沖區.
depth ：布爾值，指示繪圖緩沖區的深度緩沖區至少為16位.
stencil ：布爾值，指示繪圖緩沖區具有至少8位的模板緩沖區.
antialias ：布爾值，指示是否執行抗鋸齒.
premultipliedAlpha ：布爾值，指示頁面合成器將假定繪圖緩沖區包含具有預乘alpha的顏色.
preserveDrawingBuffer ：如果該值為true，則不會清除緩沖區，並且將保留其值，直到作者清除或覆蓋.
failIfMajorPerformanceCaveat ：布爾值，指示如果系統性能低下是否將創建上下文.
premultipliedAlpha需要設置為true，否則紋理無法進行 Texture Filtering（除非使用最近鄰插值）。具體可以參考Premultiplied Alpha 到底是干嘛用的
這里忽略了“failIfMajorPerformanceCaveat“。
實現“初始化所有Shader”
一共有兩個Shader，分別對應一組GLSL。
- 在src/中加入GLSL.re，定義兩組GLSL
GLSL.re：
let vs1 = {|
precision mediump float;
attribute vec3 a_position;
uniform mat4 u_pMatrix;
uniform mat4 u_vMatrix;
uniform mat4 u_mMatrix;
void main() {
gl_Position = u_pMatrix * u_vMatrix * u_mMatrix * vec4(a_position, 1.0);
}
|};
let fs1 = {|
precision mediump float;
uniform vec3 u_color0;
void main(){
gl_FragColor = vec4(u_color0,1.0);
}
|};
let vs2 = {|
precision mediump float;
attribute vec3 a_position;
uniform mat4 u_pMatrix;
uniform mat4 u_vMatrix;
uniform mat4 u_mMatrix;
void main() {
gl_Position = u_pMatrix * u_vMatrix * u_mMatrix * vec4(a_position, 1.0);
}
|};
let fs2 = {|
precision mediump float;
uniform vec3 u_color0;
uniform vec3 u_color1;
void main(){
gl_FragColor = vec4(u_color0 * u_color1,1.0);
}
|};
這兩組GLSL類似，它們的頂點GLSL一樣，都傳入了model、view、projection矩陣和三角形的頂點坐標a_position；
它們的片段GLSL有細微的差別：第一個的片段GLSL只傳入了一個顏色u_color0，第二個的片段GLSL傳入了兩個顏色u_color0、u_color1。
- 在Gl.re中定義FFI
WebGL1.re：
type program;
type shader;
[@bs.send.pipe: webgl1Context] external createProgram: program = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context] external linkProgram: program => unit = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external shaderSource: (shader, string) => unit = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context] external compileShader: shader => unit = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context] external createShader: int => shader = "";
[@bs.get] external getVertexShader: webgl1Context => int = "VERTEX_SHADER";
[@bs.get] external getFragmentShader: webgl1Context => int = "FRAGMENT_SHADER";
[@bs.get] external getCompileStatus: webgl1Context => int = "COMPILE_STATUS";
[@bs.get] external getLinkStatus: webgl1Context => int = "LINK_STATUS";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external getProgramParameter: (program, int) => bool = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external getShaderInfoLog: shader => string = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external getProgramInfoLog: program => string = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external attachShader: (program, shader) => unit = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external bindAttribLocation: (program, int, string) => unit = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context] external deleteShader: shader => unit = "";
- 傳入對應的GLSL，初始化兩個shader，創建並獲得兩個program
因為"初始化Shader"是通用邏輯，因此在Main.re的_init函數中提出該函數。
Main.re的_init函數的相關代碼如下：
//通過拋出異常來處理錯誤
let error = msg => Js.Exn.raiseError(msg);
let _compileShader = (gl, glslSource: string, shader) => {
WebGL1.shaderSource(shader, glslSource, gl);
WebGL1.compileShader(shader, gl);
WebGL1.getShaderParameter(shader, WebGL1.getCompileStatus(gl), gl) === false
? {
let message = WebGL1.getShaderInfoLog(shader, gl);
error(
{j|shader info log: $message
glsl source: $glslSource
|j},
);
}
: ();
shader;
};
let _linkProgram = (program, gl) => {
WebGL1.linkProgram(program, gl);
WebGL1.getProgramParameter(program, WebGL1.getLinkStatus(gl), gl) === false
? {
let message = WebGL1.getProgramInfoLog(program, gl);
error({j|link program error: $message|j});
}
: ();
};
let initShader = (vsSource: string, fsSource: string, gl, program) => {
let vs =
_compileShader(
gl,
vsSource,
WebGL1.createShader(WebGL1.getVertexShader(gl), gl),
);
let fs =
_compileShader(
gl,
fsSource,
WebGL1.createShader(WebGL1.getFragmentShader(gl), gl),
);
WebGL1.attachShader(program, vs, gl);
WebGL1.attachShader(program, fs, gl);
//需要確保attribute 0 enabled，具體原因可參考： http://stackoverflow.com/questions/20305231/webgl-warning-attribute-0-is-disabled-this-has-significant-performance-penalt?answertab=votes#tab-top
WebGL1.bindAttribLocation(program, 0, "a_position", gl);
_linkProgram(program, gl);
WebGL1.deleteShader(vs, gl);
WebGL1.deleteShader(fs, gl);
program;
};
let program1 =
gl |> WebGL1.createProgram |> initShader(GLSL.vs1, GLSL.fs1, gl);
let program2 =
gl |> WebGL1.createProgram |> initShader(GLSL.vs2, GLSL.fs2, gl);
因為error和initShader函數屬於輔助邏輯，所以我們進行重構，在src/中加入Utils.re，將其移到其中。
實現“初始化場景”
我們需要創建場景數據，“渲染”時使用。
我們在后面實現“渲染”時，要使用drawElements來繪制三角形，因此在這里不僅需要創建三角形的vertices數據，還需要創建三角形的indices數據。
我們把vertices、indices數據統稱為“頂點數據”。
另外，我們決定使用VBO來保存三角形的頂點數據，因此在這里要創建和初始化每個三角形的VBO。
我們來細化“初始化場景”：
初始化場景 = 創建三個三角形的頂點數據 |> 創建和初始化對應的VBO |> 創建三個三角形的位置數據 |> 創建三個三角形的顏色數據 |> 創建相機view matrix需要的數據和projection matrix需要的數據
下面分別實現子邏輯：
- 創建三個三角形的頂點數據
因為每個三角形的頂點數據都一樣，所以在Utils.re中增加通用的createTriangleVertexData函數：
let createTriangleVertexData = () => {
open Js.Typed_array;
let vertices =
Float32Array.make([|
0.,
0.5,
0.0,
(-0.5),
(-0.5),
0.0,
0.5,
(-0.5),
0.0,
|]);
let indices = Uint16Array.make([|0, 1, 2|]);
(vertices, indices);
};
這里使用Reason提供的Js.Typed_array.Float32Array庫來操作Float32Array。
在Main.re的_init函數中，創建三個三角形的頂點數據：
let (vertices1, indices1) = Utils.createTriangleVertexData();
let (vertices2, indices2) = Utils.createTriangleVertexData();
let (vertices3, indices3) = Utils.createTriangleVertexData();
- 創建和初始化對應的VBO
在Gl.re中定義FFI：
type bufferTarget =
| ArrayBuffer
| ElementArrayBuffer;
type usage =
| Static;
[@bs.send.pipe: webgl1Context] external createBuffer: buffer = "";
[@bs.get]
external getArrayBuffer: webgl1Context => bufferTarget = "ARRAY_BUFFER";
[@bs.get]
external getElementArrayBuffer: webgl1Context => bufferTarget =
"ELEMENT_ARRAY_BUFFER";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external bindBuffer: (bufferTarget, buffer) => unit = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external bufferFloat32Data: (bufferTarget, Float32Array.t, usage) => unit =
"bufferData";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external bufferUint16Data: (bufferTarget, Uint16Array.t, usage) => unit =
"bufferData";
[@bs.get] external getStaticDraw: webgl1Context => usage = "STATIC_DRAW";
因為每個三角形“創建和初始化VBO”的邏輯都一樣，所以在Utils.re中增加通用的initVertexBuffers函數：
let initVertexBuffers = ((vertices, indices), gl) => {
let vertexBuffer = WebGL1.createBuffer(gl);
WebGL1.bindBuffer(WebGL1.getArrayBuffer(gl), vertexBuffer, gl);
WebGL1.bufferFloat32Data(
WebGL1.getArrayBuffer(gl),
vertices,
WebGL1.getStaticDraw(gl),
gl,
);
let indexBuffer = WebGL1.createBuffer(gl);
WebGL1.bindBuffer(WebGL1.getElementArrayBuffer(gl), indexBuffer, gl);
WebGL1.bufferUint16Data(
WebGL1.getElementArrayBuffer(gl),
indices,
WebGL1.getStaticDraw(gl),
gl,
);
(vertexBuffer, indexBuffer);
};
在Main.re的_init函數中，創建和初始化對應的VBO：
let (vertexBuffer1, indexBuffer1) =
Utils.initVertexBuffers((vertices1, indices1), gl);
let (vertexBuffer2, indexBuffer2) =
Utils.initVertexBuffers((vertices2, indices2), gl);
let (vertexBuffer3, indexBuffer3) =
Utils.initVertexBuffers((vertices3, indices3), gl);
- 創建三個三角形的位置數據
三角形的位置數據為本地坐標系中的x、y、z坐標。
在Main.re的_init函數中，創建三個三角形的位置數據：
let (position1, position2, position3) = (
(0.75, 0., 0.),
((-0.), 0., 0.5),
((-0.5), 0., (-2.)),
);
- 創建三個三角形的顏色數據
在Main.re的_init函數中，創建三個三角形的顏色數據：
//第一個和第三個三角形只有一個顏色數據，第二個三角形有兩個顏色數據
let (color1, (color2_1, color2_2), color3) = (
(1., 0., 0.),
((0., 0.8, 0.), (0., 0.5, 0.)),
(0., 0., 1.),
);
- 創建相機view matrix需要的數據和projection matrix需要的數據
view matrix需要eye、center、up這三個向量。在Main.re的_init函數中，創建它們：
let ((eyeX, eyeY, eyeZ), (centerX, centerY, centerZ), (upX, upY, upZ)) = (
(0., 0.0, 5.),
(0., 0., (-100.)),
(0., 1., 0.),
);
projection matrix需要near, far, fovy, aspect這四個值。在Main.re的_init函數中，創建它們：
let (near, far, fovy, aspect) = (
1.,
100.,
30.,
(canvas##width |> Js.Int.toFloat) /. (canvas##height |> Js.Int.toFloat),
);
返回用於主循環的數據
在Main.re的_init函數中，將WebGL上下文和場景數據返回，供主循環使用（只讀）：
(
gl,
(
(program1, program2),
(indices1, indices2, indices3),
(vertexBuffer1, indexBuffer1),
(vertexBuffer2, indexBuffer2),
(vertexBuffer3, indexBuffer3),
(position1, position2, position3),
(color1, (color2_1, color2_2), color3),
(
((eyeX, eyeY, eyeZ), (centerX, centerY, centerZ), (upX, upY, upZ)),
(near, far, fovy, aspect),
),
),
)
實現_loop
_init函數實現完畢，接下來實現_loop函數，它的偽代碼為：
type _loop = data => int;
let rec _loop = (data) =>
requestAnimationFrame((time:int) => {
_loopBody(data);
_loop(data) |> ignore;
});
實現“主循環”
需要調用window.requestAnimationFrame來開啟主循環。
在DomExtend.re中定義FFI：
[@bs.val] external requestAnimationFrame: (float => unit) => int = "";
然后定義空函數_loopBody，實現_loop的主循環，並通過編譯檢查：
let _loopBody = (data) => ();
let rec _loop = data =>
DomExtend.requestAnimationFrame((time: float) => {
_loopBody(data);
_loop(data) |> ignore;
});
實現“_clearColor”
接下來我們要實現_loopBody，它的偽代碼為：
type _loopBody = data => unit;
let _loopBody = (data) => {
data
|> _clearColor
|> _clearCanvas
|> _render
};
我們首先實現_clearCanvas函數，為此需要在Gl.re中定義FFI：
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external clearColor: (float, float, float, float) => unit = "";
然后在Main.re中實現_clearColor函數，設置清空顏色緩沖時的顏色值為黑色：
let _clearColor = ((gl, sceneData) as data) => {
WebGL1.clearColor(0., 0., 0., 1., gl);
data;
};
實現“_clearCanvas”
在Gl.re中定義FFI：
[@bs.send.pipe: webgl1Context] external clear: int => unit = "";
[@bs.get]
external getColorBufferBit: webgl1Context => int = "COLOR_BUFFER_BIT";
[@bs.get]
external getDepthBufferBit: webgl1Context => int = "DEPTH_BUFFER_BIT";
然后在Main.re中實現_clearCanvas函數，清空畫布：
let _clearCanvas = ((gl, sceneData) as data) => {
WebGL1.clear(WebGL1.getColorBufferBit(gl) lor WebGL1.getDepthBufferBit(gl), gl);
data;
};
實現“_render”
_render的偽代碼為：
type _render = data => unit;
let _render = (data) => {
設置WebGL狀態
|> 計算view matrix和projection matrix
|> 計算三個三角形的model matrix
|> 渲染三個三角形
};
下面分別實現：
設置WebGL狀態
在Gl.re中定義FFI：
[@bs.get] external getDepthTest: webgl1Context => int = "DEPTH_TEST";
[@bs.send.pipe: webgl1Context] external enable: int => unit = "";
[@bs.get] external getCullFace: webgl1Context => int = "CULL_FACE";
[@bs.send.pipe: webgl1Context] external cullFace: int => unit = "";
[@bs.get] external getBack: webgl1Context => int = "BACK";
在Main.re的_render函數中設置WebGL狀態，開啟深度測試和背面剔除：
WebGL1.enable(WebGL1.getDepthTest(gl), gl);
WebGL1.enable(WebGL1.getCullFace(gl), gl);
WebGL1.cullFace(WebGL1.getBack(gl), gl);
計算view matrix和projection matrix
計算這兩個矩陣需要操作矩陣，而操作矩陣又需要操作向量，所以我們在src/中加入Matrix.re和Vector.re，增加對應的函數：
Matrix.re：
open Js.Typed_array;
let createIdentityMatrix = () =>
Js.Typed_array.Float32Array.make([|
1.,
0.,
0.,
0.,
0.,
1.,
0.,
0.,
0.,
0.,
1.,
0.,
0.,
0.,
0.,
1.,
|]);
let _getEpsilon = () => 0.000001;
let setLookAt =
(
(eyeX, eyeY, eyeZ) as eye,
(centerX, centerY, centerZ) as center,
(upX, upY, upZ) as up,
resultFloat32Arr,
) =>
Js.Math.abs_float(eyeX -. centerX) < _getEpsilon()
&& Js.Math.abs_float(eyeY -. centerY) < _getEpsilon()
&& Js.Math.abs_float(eyeZ -. centerZ) < _getEpsilon()
? resultFloat32Arr
: {
let (z1, z2, z3) as z = Vector.sub(eye, center) |> Vector.normalize;
let (x1, x2, x3) as x = Vector.cross(up, z) |> Vector.normalize;
let (y1, y2, y3) as y = Vector.cross(z, x) |> Vector.normalize;
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 0, x1);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 1, y1);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 2, z1);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 3, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 4, x2);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 5, y2);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 6, z2);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 7, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 8, x3);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 9, y3);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 10, z3);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 11, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 12, -. Vector.dot(x, eye));
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 13, -. Vector.dot(y, eye));
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 14, -. Vector.dot(z, eye));
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 15, 1.);
resultFloat32Arr;
};
let buildPerspective =
((fovy: float, aspect: float, near: float, far: float), resultFloat32Arr) => {
Js.Math.sin(Js.Math._PI *. fovy /. 180. /. 2.) === 0.
? Utils.error("frustum should not be null") : ();
let fovy = Js.Math._PI *. fovy /. 180. /. 2.;
let s = Js.Math.sin(fovy);
let rd = 1. /. (far -. near);
let ct = Js.Math.cos(fovy) /. s;
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 0, ct /. aspect);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 1, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 2, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 3, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 4, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 5, ct);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 6, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 7, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 8, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 9, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 10, -. (far +. near) *. rd);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 11, -1.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 12, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 13, 0.);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 14, (-2.) *. far *. near *. rd);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 15, 0.);
resultFloat32Arr;
};
Vector.re：
let dot = ((x, y, z), (vx, vy, vz)) => x *. vx +. y *. vy +. z *. vz;
let sub = ((x1, y1, z1), (x2, y2, z2)) => (x1 -. x2, y1 -. y2, z1 -. z2);
let scale = (scalar, (x, y, z)) => (x *. scalar, y *. scalar, z *. scalar);
let cross = ((x1, y1, z1), (x2, y2, z2)) => (
y1 *. z2 -. y2 *. z1,
z1 *. x2 -. z2 *. x1,
x1 *. y2 -. x2 *. y1,
);
let normalize = ((x, y, z)) => {
let d = Js.Math.sqrt(x *. x +. y *. y +. z *. z);
d === 0. ? (0., 0., 0.) : (x /. d, y /. d, z /. d);
};
在Main.re的_render函數中，傳入數據，計算這兩個矩陣：
let vMatrix =
Matrix.createIdentityMatrix()
|> Matrix.setLookAt(
(eyeX, eyeY, eyeZ),
(centerX, centerY, centerZ),
(upX, upY, upZ),
);
let pMatrix =
Matrix.createIdentityMatrix()
|> Matrix.buildPerspective((fovy, aspect, near, far));
計算三個三角形的model matrix
在Matrix.re中增加setTranslation函數：
let setTranslation = ((x, y, z), resultFloat32Arr) => {
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 12, x);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 13, y);
Float32Array.unsafe_set(resultFloat32Arr, 14, z);
resultFloat32Arr;
};
在Main.re的_render函數中，從三角形的位置數據中構造model matrix：
let mMatrix1 =
Matrix.createIdentityMatrix() |> Matrix.setTranslation(position1);
let mMatrix2 =
Matrix.createIdentityMatrix() |> Matrix.setTranslation(position2);
let mMatrix3 =
Matrix.createIdentityMatrix() |> Matrix.setTranslation(position3);
渲染第一個三角形
在_render函數中需要渲染三個三角形。
我們來細化“渲染每個三角形”：
渲染每個三角形 = 使用對應的Program |> 傳遞三角形的頂點數據 |> 傳遞view matrix和projection matrix |> 傳遞三角形的model matrix |> 傳遞三角形的顏色數據 |> 繪制三角形
下面先繪制第一個三角形，分別實現它的子邏輯：
- 使用對應的Program
在Gl.re中定義FFI：
[@bs.send.pipe: webgl1Context] external useProgram: program => unit = "";
在Main.re的_render函數中使用program1：
WebGL1.useProgram(program1, gl);
- 傳遞三角形的頂點數據
在Gl.re中定義FFI：
type attributeLocation = int;
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external getAttribLocation: (program, string) => attributeLocation = "";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external vertexAttribPointer:
(attributeLocation, int, int, bool, int, int) => unit =
"";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external enableVertexAttribArray: attributeLocation => unit = "";
[@bs.get] external getFloat: webgl1Context => int = "FLOAT";
因為“傳遞頂點數據”是通用邏輯，所以在Utils.re中增加sendAttributeData函數：
首先判斷program對應的GLSL中是否有vertices對應的attribute：a_position；
如果有，則開啟vertices對應的VBO；否則，拋出錯誤信息。
相關代碼如下：
let sendAttributeData = (vertexBuffer, program, gl) => {
let positionLocation = WebGL1.getAttribLocation(program, "a_position", gl);
positionLocation === (-1)
? error({j|Failed to get the storage location of a_position|j}) : ();
WebGL1.bindBuffer(WebGL1.getArrayBuffer(gl), vertexBuffer, gl);
WebGL1.vertexAttribPointer(
positionLocation,
3,
WebGL1.getFloat(gl),
false,
0,
0,
gl,
);
WebGL1.enableVertexAttribArray(positionLocation, gl);
};
在Main.re的_render函數中調用sendAttributeData：
Utils.sendAttributeData(vertexBuffer1, program1, gl);
- 傳遞view matrix和projection matrix
在Gl.re中定義FFI：
type uniformLocation;
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external uniformMatrix4fv: (uniformLocation, bool, Float32Array.t) => unit =
"";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external getUniformLocation: (program, string) => Js.Null.t(uniformLocation) =
"";
因為“傳遞view matrix和projection matrix”是通用邏輯，所以在Utils.re中增加sendCameraUniformData函數：
首先判斷program對應的GLSL中是否有view matrix對應的uniform：u_vMatrix和projection matrix對應的uniform：u_pMatrix；
如果有，則傳遞對應的矩陣數據；否則，拋出錯誤信息。
相關代碼如下：
let _unsafeGetUniformLocation = (program, name, gl) =>
switch (WebGL1.getUniformLocation(program, name, gl)) {
| pos when !Js.Null.test(pos) => Js.Null.getUnsafe(pos)
| _ => error({j|$name uniform not exist|j})
};
let sendCameraUniformData = ((vMatrix, pMatrix), program, gl) => {
let vMatrixLocation = _unsafeGetUniformLocation(program, "u_vMatrix", gl);
let pMatrixLocation = _unsafeGetUniformLocation(program, "u_pMatrix", gl);
WebGL1.uniformMatrix4fv(vMatrixLocation, false, vMatrix, gl);
WebGL1.uniformMatrix4fv(pMatrixLocation, false, pMatrix, gl);
};
在Main.re的_render函數中調用sendCameraUniformData：
Utils.sendCameraUniformData((vMatrix, pMatrix), program1, gl);
- “傳遞三角形的model matrix”以及“傳遞三角形的顏色數據”
在Gl.re中定義FFI：
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external uniform3f: (uniformLocation, float, float, float) => unit = "";
因為這兩個邏輯都是傳遞GLSL的uniform數據，所以放在一個函數中；又因為使用不同GLSL的三角形，傳遞的顏色數據不一樣，所以需要在Utils.re中，增加sendModelUniformData1、sendModelUniformData2函數，分別對應第一組和第二組GLSL。第一個和第三個三角形使用sendModelUniformData1，第二個三角形使用sendModelUniformData2。
這兩個函數都需要判斷GLSL中是否有model matrix對應的uniform：u_mMatrix和顏色對應的uniform；
如果有，則傳遞對應的數據；否則，拋出錯誤信息。
相關代碼如下：
let _sendColorData = ((r, g, b), gl, colorLocation) =>
WebGL1.uniform3f(colorLocation, r, g, b, gl);
let sendModelUniformData1 = ((mMatrix, color), program, gl) => {
let mMatrixLocation = _unsafeGetUniformLocation(program, "u_mMatrix", gl);
let colorLocation = _unsafeGetUniformLocation(program, "u_color0", gl);
WebGL1.uniformMatrix4fv(mMatrixLocation, false, mMatrix, gl);
_sendColorData(color, gl, colorLocation);
};
let sendModelUniformData2 = ((mMatrix, color1, color2), program, gl) => {
let mMatrixLocation = _unsafeGetUniformLocation(program, "u_mMatrix", gl);
let color1Location = _unsafeGetUniformLocation(program, "u_color0", gl);
let color2Location = _unsafeGetUniformLocation(program, "u_color1", gl);
WebGL1.uniformMatrix4fv(mMatrixLocation, false, mMatrix, gl);
_sendColorData(color1, gl, color1Location);
_sendColorData(color2, gl, color2Location);
};
在Main.re的_render函數中調用sendModelUniformData1：
Utils.sendModelUniformData1((mMatrix1, color1), program1, gl);
- 繪制三角形
在Gl.re中定義FFI：
[@bs.get] external getTriangles: webgl1Context => int = "TRIANGLES";
[@bs.get] external getUnsignedShort: webgl1Context => int = "UNSIGNED_SHORT";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external drawElements: (int, int, int, int) => unit = "";
在Main.re的_render函數中，綁定indices1對應的VBO，使用drawElements繪制第一個三角形：
WebGL1.bindBuffer(WebGL1.getElementArrayBuffer(gl), indexBuffer1, gl);
WebGL1.drawElements(
WebGL1.getTriangles(gl),
indices1 |> Js.Typed_array.Uint16Array.length,
WebGL1.getUnsignedShort(gl),
0,
gl,
);
渲染第二個和第三個三角形
與渲染第一個三角形類似，在Main.re的_render函數中，使用對應的program，傳遞相同的相機數據，調用對應的Utils.sendModelUniformData1或sendModelUniformData2函數、綁定對應的VBO，來渲染第二個和第三個三角形。
Main.re的_render函數的相關代碼如下：
//渲染第二個三角形
WebGL1.useProgram(program2, gl);
Utils.sendAttributeData(vertexBuffer2, program2, gl);
Utils.sendCameraUniformData((vMatrix, pMatrix), program2, gl);
Utils.sendModelUniformData2((mMatrix2, color2_1, color2_2), program2, gl);
WebGL1.bindBuffer(WebGL1.getElementArrayBuffer(gl), indexBuffer2, gl);
WebGL1.drawElements(
WebGL1.getTriangles(gl),
indices2 |> Js.Typed_array.Uint16Array.length,
WebGL1.getUnsignedShort(gl),
0,
gl,
);
//渲染第三個三角形
WebGL1.useProgram(program1, gl);
Utils.sendAttributeData(vertexBuffer3, program1, gl);
Utils.sendCameraUniformData((vMatrix, pMatrix), program1, gl);
Utils.sendModelUniformData1((mMatrix3, color3), program1, gl);
WebGL1.bindBuffer(WebGL1.getElementArrayBuffer(gl), indexBuffer3, gl);
WebGL1.drawElements(
WebGL1.getTriangles(gl),
indices3 |> Js.Typed_array.Uint16Array.length,
WebGL1.getUnsignedShort(gl),
0,
gl,
);
最終的項目結構圖
如下圖所示：
運行測試
在瀏覽器中運行index.html頁面，渲染結果如下圖所示，其中測試場景包括三個三角形：
更新后的通用語言
總結
本文通過需求分析、事件風暴、初步實現和具體實現，實現了最小的3D程序，渲染了三角形。
本文成果
我們通過本文的工作，獲得了下面的成果：
1、最小3D程序
2、領域驅動設計的通用語言
本文不足之處
但是，還有很多不足之處：
1、場景邏輯和WebGL API的調用邏輯混雜在一起
2、存在重復代碼：
1)在_init函數的“初始化所有Shader”中有重復的模式
2)在_render中，渲染三個三角形的代碼非常相似
3)Utils的sendModelUniformData1和sendModelUniformData2有重復的模式
3、_init傳遞給主循環的數據過於復雜
下文概要
這些不足之處都是因為本文沒有進行設計造成的。本文只建立了領域驅動設計的通用語言，重在實現，快速跑通了一個最小Demo。
我們會在下文中按照領域驅動設計的思想進行設計，解決這些不足之處。