7、WebGL如何绘制一个立方体

下边准备了线立方体和面立方体的实现方式。他们的主要不同点也是在于数据构造和绘制方式上。绘制立方体个人感觉你要学会自己自己去构造立方体所需要的数据。明白为什么么要构造出这种数据格式。关于物体的旋转矩阵的构造的原理后面会细说，先学会用就行。在这片文章中用到了新的GLSL知识。

mat4:4维矩阵
gl.drawArrays(gl.LINE_LOOP,0,4): 以闭合线的形式绘制一个面
gl.drawArrays(gl.LINES,8,8)：绘制线条。

# 1、面立方体

顶点着色器代码

<script id="vertexShader" type="x-shader/x-vertex">
    //浮点数设置为中等精度
    precision mediump float;
    attribute vec4 apos;
    attribute vec4 acolor;
    varying vec4 vcolor;
    //矩阵变量
    uniform mat4 mx;
    //矩阵变量
    uniform mat4 my;
    void main() {
        //两个旋转矩阵、顶点齐次坐标连乘
        gl_Position = mx*my*apos;
        vcolor=acolor;
    }
</script>

片元着色器代码

<script id="fragmentShader" type="x-shader/x-fragment">
    // 所有float类型数据的精度是lowp
    precision mediump float;
    varying vec4 vcolor;
    void main() {
        gl_FragColor =vcolor;
    }
</script>

javascript代码部分

WebGL上下文获取

function init() {
    //通过getElementById()方法获取canvas画布
    const canvas = document.getElementById('WebGL');
    //通过方法getContext()获取WebGL上下文
    const gl = canvas.getContext('WebGL');
    //顶点着色器源码
    const vertexShaderSource = document.getElementById('vertexShader').innerText;
    //片元着色器源码
    const fragShaderSource = document.getElementById('fragmentShader').innerText;
    //初始化着色器
    const program = initShader(gl, vertexShaderSource, fragShaderSource);
    initBuffer(gl, program);
}

声明初始化着色器函数

function initShader(gl, vertexShaderSource, fragmentShaderSource) {
    const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
    const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
    gl.shaderSource(vertexShader, vertexShaderSource);
    gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSource);
    gl.compileShader(vertexShader);
    gl.compileShader(fragmentShader);

    const program = gl.createProgram();
    gl.attachShader(program, vertexShader);
    gl.attachShader(program, fragmentShader);
    gl.linkProgram(program);
    gl.useProgram(program);
    return program;
}

着色器变量获取及赋值

 //着色器变量获取及赋值
function initBuffer(gl, program) {
    //获取顶点着色器的位置变量apos
    const aposLocation = gl.getAttribLocation(program, 'apos');
    const acolor = gl.getAttribLocation(program, 'acolor');
    //创建立方体的顶点坐标数据
    const data = new Float32Array([
        -0.5, -0.5, 0.5, 1, 0, 0, 1,
        0.5, -0.5, 0.5, 1, 0, 0, 1,
        0.5, 0.5, 0.5, 1, 0, 0, 1,
        -0.5, 0.5, 0.5, 1, 0, 0, 1,

        -0.5, 0.5, 0.5, 0, 1, 0, 1,
        -0.5, 0.5, -0.5, 0, 1, 0, 1,
        -0.5, -0.5, -0.5, 0, 1, 0, 1,
        -0.5, -0.5, 0.5, 0, 1, 0, 1,

        0.5, 0.5, 0.5, 0, 0, 1, 1,
        0.5, -0.5, 0.5, 0, 0, 1, 1,
        0.5, -0.5, -0.5, 0, 0, 1, 1,
        0.5, 0.5, -0.5, 0, 0, 1, 1,

        0.5, 0.5, -0.5, 1, 0, 1, 1,
        0.5, -0.5, -0.5, 1, 0, 1, 1,
        -0.5, -0.5, -0.5, 1, 0, 1, 1,
        -0.5, 0.5, -0.5, 1, 0, 1, 1,

        -0.5, 0.5, 0.5, 1, 1, 0, 1,
        0.5, 0.5, 0.5, 1, 1, 0, 1,
        0.5, 0.5, -0.5, 1, 1, 0, 1,
        -0.5, 0.5, -0.5, 1, 1, 0, 1,

        -0.5, -0.5, 0.5, 0, 1, 1, 1,
        -0.5, -0.5, -0.5, 0, 1, 1, 1,
        0.5, -0.5, -0.5, 0, 1, 1, 1,
        0.5, -0.5, 0.5, 0, 1, 1, 1,
    ]);
    //顶点索引数据构造
    const indexdata = new Uint16Array([
        0, 1, 2, 0, 2, 3,
        4, 5, 6, 4, 6, 7,
        8, 9, 10, 8, 10, 11,
        12, 13, 14, 12, 14, 15,
        16, 17, 18, 16, 18, 19,
        20, 21, 22, 20, 22, 23
    ])
    vertexBuffer(gl,data,aposLocation,3,'',4*7,0);
    vertexBuffer(gl,indexdata,acolor,4,'index',4*7,12);
    render(gl, program, indexdata.length)
}
//判断是否是顶点索引还是常规方式，并创建缓冲区
function vertexBuffer(gl,data,position,n,type,rowCount=0,offset=0){
        //创建缓冲区对象
        const buffer = gl.createBuffer();
        if(type==='index'){
        gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, buffer);
        gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);
        }else{
        //绑定缓冲区对象
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
        //顶点数组data数据传入缓冲区
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);
        }
    ///缓冲区中的数据按照一定的规律传递给位置变量apos
    gl.vertexAttribPointer(position, n, gl.FLOAT, false, rowCount, offset);
        //允许数据传递
    gl.enableVertexAttribArray(position);
}

WebGL渲染
在渲染时，有以下两点需要注意。 1、在绘制立方体时，需要对立方体旋转一定角度，才能看出立方体的三维效果，不然只能看到一个面。 2、在渲染时，要开启深度测试，不然看到的立方体不是我们想看到的效果。

function render(gl, program, count=36) {
     /**执行绘制之前，一定要开启深度测试，以免颜色混乱
          * gl.CULL_FACE：表示隐藏正面
          * gl.DEPTH_TEST：启用深度测试。根据坐标的远近自动隐藏被遮住的图形
          * **/
    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
    // gl.enable(gl.CULL_FACE);
    //旋转矩阵
    tranlate(gl, program);
    //设置清屏颜色为黑色。
    gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
    
    gl.drawElements(gl.TRIANGLES, count, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
}
//构造矩阵，使矩阵向x，y分别旋转30度
let angle=30.0;
function tranlate(gl, program) {
    const rad = angle * Math.PI / 180;
    const cos = Math.cos(rad);
    const sin = Math.sin(rad);
    const mx = gl.getUniformLocation(program, 'mx');
    const mxArr = new Float32Array([
        1, 0, 0, 0, 
        0, cos, -sin, 0,
        0, sin, cos, 0, 
        0, 0, 0, 1
    ])
    gl.uniformMatrix4fv(mx, false, mxArr);
    const my = gl.getUniformLocation(program, 'my');
    const myArr = new Float32Array([
        cos, 0, -sin, 0,
        0, 1, 0, 0,
        sin, 0, cos,
        0, 0, 0, 0, 1
    ])
    
    gl.uniformMatrix4fv(my, false, myArr);
}

# 2、线立方体

顶点着色器代码

<script id="vertexShader" type="x-shader/x-vertex">
  //attribute声明vec4类型变量apos
  attribute vec4 apos;
  uniform mat4 mx;
  uniform mat4 my;
  void main() {
    //两个旋转矩阵、顶点齐次坐标连乘
    gl_Position = mx*my*apos;
    gl_PointSize=10.0;
  }
</script>

片元着色器代码

<script id="fragmentShader" type="x-shader/x-fragment">
  void main() {
    // 逐片元处理数据，所有片元(像素)设置为红色
    gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
  }
</script>

javascript代码部分它跟面立方体的不同主要在于数据的构造和渲染方面。线立方体的数据构造相对来说简单一些，没有用到顶点索引,是正常的顶点数据构造。

着色器的变量获取及赋值

function initbuffer(gl, program){
        //获取顶点着色器的位置变量apos
        var aposLocation = gl.getAttribLocation(program, 'apos');
    //创建立方体的顶点坐标数据
    var data = new Float32Array([
        //z为0.5时，xOy平面上的四个点坐标
        0.5, 0.5, 0.5,
        -0.5, 0.5, 0.5,
        -0.5, -0.5, 0.5,
        0.5, -0.5, 0.5,
        //z为-0.5时，xOy平面上的四个点坐标
        0.5, 0.5, -0.5,
        -0.5, 0.5, -0.5,
        -0.5, -0.5, -0.5,
        0.5, -0.5, -0.5,
        //上面两组坐标分别对应起来组成一对
        0.5, 0.5, 0.5,
        0.5, 0.5, -0.5,

        -0.5, 0.5, 0.5,
        -0.5, 0.5, -0.5,

        -0.5, -0.5, 0.5,
        -0.5, -0.5, -0.5,

        0.5, -0.5, 0.5,
        0.5, -0.5, -0.5,
    ]);
    //创建缓冲区对象
    var buffer = gl.createBuffer();
    //绑定缓冲区对象
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
    //顶点数组data数据传入缓冲区
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);

    //缓冲区中的数据按照一定的规律传递给位置变量apos
    gl.vertexAttribPointer(aposLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
    //允许数据传递
    gl.enableVertexAttribArray(aposLocation);
}

WebGL渲染

function render(gl, program) {
    tranlate(gl,program);
    //设置清屏颜色为黑色。
    gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
    //LINE_LOOP模式绘制前四个点
    gl.drawArrays(gl.LINE_LOOP,0,4);
    //LINE_LOOP模式从第五个点开始绘制四个点
    gl.drawArrays(gl.LINE_LOOP,4,4);
    //LINES模式绘制后8个点
    gl.drawArrays(gl.LINES,8,8);
}

# 3、立方体的旋转

通过不断改变x、y、z轴的坐标来实现立方体的旋转。只需要在上面translate和render修改一下就行。

修改后的translate

let angle=30.0;
function tranlate(gl, program) {
    const rad = angle * Math.PI / 180;
    const cos = Math.cos(rad);
    const sin = Math.sin(rad);

    const mx = gl.getUniformLocation(program, 'mx');
    const mxArr = new Float32Array([
        1, 0, 0, 0, 0, cos, -sin, 0, 0, sin, cos, 0, 0, 0, 0, 1
    ])
    gl.uniformMatrix4fv(mx, false, mxArr);

    const my = gl.getUniformLocation(program, 'my');
    const myArr = new Float32Array([
        cos, 0, -sin, 0,  0, 1, 0, 0,  sin, 0, cos, 0,  0, 0, 0, 1
    ])
    
    gl.uniformMatrix4fv(my, false, myArr);
    //每次渲染时,沿x轴和y轴旋转1度
    angle+=1;
}

修改后的render

function render(gl, program, count=36) {
    tranlate(gl, program);
    //设置清屏颜色为黑色。
    gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
    
    gl.drawElements(gl.TRIANGLES, count, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
    //调用requestAnimationFrame动画函数，使立方体动起来
    requestAnimationFrame(()=>{
        render(gl, program,count);
    })
}

参考
WebGL零基础入门教程(郭隆邦) (opens new window)
WebGL 入门与实践 (opens new window)
WebGL官方文档 (opens new window)

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