WebGL学习(3) – 3D模型

by admin on 2019年2月8日

  原文地址:WebGL学习(3) –
3D模型

  相信广大人是以创建逼真酷炫的三维效果为目的而读书webGL的啊,首先我就是。我控制了足足的webGL技巧后,正准备大展身手时,遇到了一种步履维艰的景色:仍然做不出想要的东西。为什么呢,因为从没3D模型可供操作啊,纯粹用代码创设复杂的3D模型完全不行想像。那必须选用3d马克斯,maya,以及开源的blender等建模软件进行创设。既然已经入了webGL的坑了,那也只好硬着头皮继续攻读3D建模,断断续续学了一个多月的blender教程,总算入门了。
  那节主要学习怎么样导入模型文件,然后用代码应用功效,操作模型。首先突显下自家的大笔,喷火战斗机的3D模型:webGL
喷火战斗机

2018正版葡京赌侠诗 1

情节大纲

  1. 模型文件
  2. 着色器
  3. 光照
  4. 模型变换
  5. 事件处理

模型文件

  blender导出的模子文件plane.obj,
同时还包罗材质文件plane.mtl。模型包含2800七个顶峰,2200三个面,共200多k的体积,内容比较大,所以只可以将文件加载入html文件比较便于。
2018正版葡京赌侠诗,  那怎么加载呢?一般会接纳ajax获取,但自己那边有更便宜的办法。那就是将模型文件内容预编译直出到html中,那样不但提升了加载质量,开发也更有利于。具体可参照我事先的稿子:前者连忙支付模版
  那里运用自己事先的支付模版,
将模型(obj、mtl)文件以字符串的款式写入text/template模版中,同时将GLSL语言写的着色器也预编译到html中。到时用gulp的指令打造页面,所有内容就会自动生成到页面中,html部分的代码如下所示:

    {% 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>上下左右方向键 调整视角,W/S/A/D键 旋转模型, +/-键 放大缩小</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>
    <!-- 顶点着色器 -->
    <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文件包蕴的是模型的顶点法线索引等消息。那里以最简便易行的立方体为例。

  • v 几何体顶点
  • vt 贴图坐标点
  • vn 顶点法线
  • f 面:顶点索引 / 纹理坐标索引 / 法线索引
  • usemtl 使用的材质名称

    # 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文件包罗的是模型的材料新闻

  • Ka 环境色 rgb
  • Kd 漫反射色,材质颜色 rgb
  • Ks 高光色,材质高光颜色 rgb
  • Ns 反射高光度 指定材质的反光指数
  • Ni 折射值 指定材质表面的光密度
  • 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,大家须求做的就是读取它们,逐行分析,这里运用的objParse读取解析,想知道里面原理,可以查看源代码,那里不详述。
  提取出必要的信息后,就可将模型音信写入缓冲区,然后渲染出来。

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

        //获取变量地址
        var program = gl.program;
        program.a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
        //...

        // 创建空数据缓冲
        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();

        // 将数据写入缓冲区
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, drawingInfo.vertices, gl.STATIC_DRAW);
        //...
    }

着色器

顶点着色器

  顶点着色器相比较简单,和事先的分别相比较大的是,把总结颜色光照部分移到了片元着色器,那样能够完毕逐片元光照,效果会越发涉笔成趣和自然。

    attribute vec4 a_Position;//顶点位置
    attribute vec4 a_Color;//顶点颜色
    attribute vec4 a_Scolor;//顶点高光颜色
    attribute vec4 a_Normal;//法向量
    uniform mat4 u_MvpMatrix;//mvp矩阵
    uniform mat4 u_ModelMatrix;//模型矩阵
    uniform mat4 u_NormalMatrix;
    varying vec4 v_Color;
    varying vec4 v_Scolor;
    varying vec3 v_Normal;
    varying vec3 v_Position;

    void main() {
        gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;
        // 计算顶点在世界坐标系的位置
        v_Position = vec3(u_ModelMatrix * a_Position);
        // 计算变换后的法向量并归一化
        v_Normal = normalize(vec3(u_NormalMatrix * a_Normal));
        v_Color = a_Color;
        v_Scolor = a_Scolor;
    }

光照

  光照相关的揣摸首要在片元着色器中,首先科普一下光照的连锁音信。

    物体呈现出颜色亮度就是表面的反射光导致,计算反射光公式如下:
    <表面的反射光颜色> = <漫反射光颜色> + <环境反射光颜色> + <镜面反射光颜色>

    1. 其中漫反射公式如下:
    <漫反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色> * <光线入射角度>

    光线入射角度可以由光线方向和表面的法线进行点积求得:
    <光线入射角度> = <光线方向> * <法线方向>

    最后的漫反射公式如下:
    <漫反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色> * (<光线方向> * <法线方向>)

    2. 环境反射光颜色根据如下公式得到:
    <环境反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色>

    3. 镜面(高光)反射光颜色公式,这里使用的是冯氏反射原理
    <镜面反射光颜色> = <高光颜色> * <镜面反射亮度权重> 

    其中镜面反射亮度权重又如下
    <镜面反射亮度权重> = (<观察方向的单位向量> * <入射光反射方向>) ^ 光泽度

片元着色器

  着色器代码就是对地点公式内容的推理

    #ifdef GL_ES
    precision mediump float;
    #endif
    uniform vec3 u_LightPosition;//光源位置
    uniform vec3 u_diffuseColor;//漫反射光颜色
    uniform vec3 u_AmbientColor;//环境光颜色
    uniform vec3 u_specularColor;//镜面反射光颜色
    uniform float u_MaterialShininess;// 镜面反射光泽度
    varying vec3 v_Normal;//法向量
    varying vec3 v_Position;//顶点位置
    varying vec4 v_Color;//顶点颜色
    varying vec4 v_Scolor;//顶点高光颜色

    void main() {
        // 对法线归一化
        vec3 normal = normalize(v_Normal);
        // 计算光线方向(光源位置-顶点位置)并归一化
        vec3 lightDirection = normalize(u_LightPosition - v_Position);
        // 计算光线方向和法向量点积
        float nDotL = max(dot(lightDirection, normal), 0.0);
        // 漫反射光亮度
        vec3 diffuse = u_diffuseColor  * nDotL * v_Color.rgb;
        // 环境光亮度
        vec3 ambient = u_AmbientColor * v_Color.rgb;
        // 观察方向的单位向量V
        vec3 eyeDirection = normalize(-v_Position);
        // 反射方向
        vec3 reflectionDirection = reflect(-lightDirection, normal);
        // 镜面反射亮度权重
        float specularLightWeighting = pow(max(dot(reflectionDirection, eyeDirection), 0.0), u_MaterialShininess);
        // 镜面高光亮度
        vec3 specular =  v_Scolor.rgb * specularLightWeighting ;
        gl_FragColor = vec4(ambient + diffuse + specular, v_Color.a);
    }

模型变换

  那里先安装光照相关的开首标准,然后是mvp矩阵变换和法向量矩阵相关的总结,具体知识点可参照以前的稿子*[WebGL学习(2)

  要专注的是翻盘置矩阵,首要用来总结模型变换之后的法向量,有了转移后的法向量才能科学计算光照。

     求逆转置矩阵步骤
        1.求原模型矩阵的逆矩阵
        2.将逆矩阵转置

    <变换后法向量> = <逆转置矩阵> * <变换前法向量>

  给着色器变量赋值然后绘制出模型,最终调用requestAnimationFrame不断执行动画。矩阵的转动部分可组成上面的keydown事件进展查看。

    function main() {
        //...

        // 光线方向
        gl.uniform3f(u_LightPosition, 0.0, 2.0, 12.0);
        // 漫反射光照颜色
        gl.uniform3f(u_diffuseColor, 1.0, 1.0, 1.0);
        // 设置环境光颜色
        gl.uniform3f(u_AmbientColor, 0.5, 0.5, 0.5);
        // 镜面反射光泽度
        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() {
            // 模型矩阵
            if(notMan){ angleY+=0.5; }
            modelMatrix.setRotate(angleY % 360, 0, 1, 0); // 绕y轴旋转
            modelMatrix.rotate(angleX % 360, 1, 0, 0); // 绕x轴旋转

            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);

            // 视点投影
            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);
            // 根据模型矩阵计算用来变换法向量的矩阵
            normalMatrix.setInverseOf(modelMatrix);
            normalMatrix.transpose();

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

            // 清屏|清深度缓冲
            gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

            // 根据顶点索引绘制图形(图形类型,绘制顶点个数,顶点索引数据类型,顶点索引中开始绘制的位置)
            gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
            requestAnimationFrame(animate);
        }());
    }

事件处理

  +/-
键已毕放大/缩短场景的机能;WSAD键完毕模型的团团转,也就是落成绕x轴和y轴旋转;上下左右方向键完结的是视点的转动。矩阵变换的有关兑现参考上边代码的卡通片部分。

  模型旋转和视点旋转望着很一般,其实又有分歧的。视点的旋转是整个场景比如光照模型等都是随着变化的,要是以场景做参照物,它就一定于人改变观望地点来看物体。而模型旋转呢,它只旋转模型自身,外部的宣城和气象都是不变的,以场景做参照物,相当于人在同样地点看到模型在运动。从demo的益阳可以看看两种方法的不一致。

    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);

总结

  最后,个人感觉建立3D模型仍旧挺费时间,需求花心机逐步调整,才能做出比较完美的模子。

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