教你用 webgl 快速创建一个小世界

作者:TAT.vorshen

Webgl的魅力在于可以创造一个自己的3D世界,但相比较canvas2D来说,除了物体的移动旋转变换完全依赖矩阵增加了复杂度,就连生成一个物体都变得很复杂。

什么?!为什么不用Threejs?Threejs等库确实可以很大程度的提高开发效率,而且各方面封装的非常棒,但是不推荐初学者直接依赖Threejs,最好是把webgl各方面都学会,再去拥抱Three等相关库。

上篇矩阵入门中介绍了矩阵的基本知识,让大家了解到了基本的仿射变换矩阵,可以对物体进行移动旋转等变化,而这篇文章将教大家快速生成一个物体,并且结合变换矩阵在物体在你的世界里动起来。

注:本文适合稍微有点webgl基础的人同学,至少知道shader,知道如何画一个物体在webgl画布中

为什么说webgl生成物体麻烦

我们先稍微对比下基本图形的创建代码

矩形:canvas2D

ctx1.rect(50, 50, 100, 100);
ctx1.fill();

webgl(shader和webgl环境代码忽略)

var aPo = [
    -0.5, -0.5, 0,
    0.5, -0.5, 0,
    0.5, 0.5, 0,
    -0.5, 0.5, 0
];

var aIndex = [0, 1, 2, 0, 2, 3];

webgl.bindBuffer(webgl.ARRAY_BUFFER, webgl.createBuffer());
webgl.bufferData(webgl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(aPo), webgl.STATIC_DRAW);
webgl.vertexAttribPointer(aPosition, 3, webgl.FLOAT, false, 0, 0);

webgl.vertexAttrib3f(aColor, 0, 0, 0);

webgl.bindBuffer(webgl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, webgl.createBuffer());
webgl.bufferData(webgl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, new Uint16Array(aIndex), webgl.STATIC_DRAW);

webgl.drawElements(webgl.TRIANGLES, 6, webgl.UNSIGNED_SHORT, 0);

完整代码地址:https://vorshen.github.io/simple-3d-text-universe/rect.html

结果:

圆:canvas2D

ctx1.arc(100, 100, 50, 0, Math.PI * 2, false);
ctx1.fill();

webgl

var angle;
var x, y;
var aPo = [0, 0, 0];
var aIndex = [];
var s = 1;
for(var i = 1; i <= 36; i++) {
    angle = Math.PI * 2 * (i / 36);
    x = Math.cos(angle) * 0.5;
    y = Math.sin(angle) * 0.5;

    aPo.push(x, y, 0);

    aIndex.push(0, s, s+1);

    s++;
}

aIndex[aIndex.length - 1] = 1; // hack一下

webgl.bindBuffer(webgl.ARRAY_BUFFER, webgl.createBuffer());
webgl.bufferData(webgl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(aPo), webgl.STATIC_DRAW);
webgl.vertexAttribPointer(aPosition, 3, webgl.FLOAT, false, 0, 0);

webgl.vertexAttrib3f(aColor, 0, 0, 0);

webgl.bindBuffer(webgl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, webgl.createBuffer());
webgl.bufferData(webgl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, new Uint16Array(aIndex), webgl.STATIC_DRAW);

webgl.drawElements(webgl.TRIANGLES, aIndex.length, webgl.UNSIGNED_SHORT, 0);

完整代码地址:https://vorshen.github.io/simple-3d-text-universe/circle.html

结果:

总结:我们抛开shader中的代码和webgl初始化环境的代码,发现webgl比canvas2D就是麻烦很多啊。光是两种基本图形就多了这么多行代码,抓其根本多的原因就是因为我们需要顶点信息。简单如矩形我们可以直接写出它的顶点,但是复杂一点的圆,我们还得用数学方式去生成,明显阻碍了人类文明的进步。

相比较数学方式生成,如果我们能直接获得顶点信息那应该是最好的,有没有快捷的方式获取顶点信息呢?

有,使用建模软件生成obj文件。

Obj文件简单来说就是包含一个3D模型信息的文件,这里信息包含:顶点、纹理、法线以及该3D模型中纹理所使用的贴图。

下面这个是一个obj文件的地址:

https://vorshen.github.io/simple-3d-text-universe/assets/a1.obj

简单分析一下这个obj文件

前两行看到#符号就知道这个是注释了,该obj文件是用blender导出的。Blender是一款很好用的建模软件,最主要的它是免费的!

Mtllib(material library)指的是该obj文件所使用的材质库文件(.mtl)

单纯的obj生成的模型是白模的,它只含有纹理坐标的信息,但没有贴图,有纹理坐标也没用

V 顶点vertex

Vt 贴图坐标点

Vn 顶点法线

Usemtl 使用材质库文件中具体哪一个材质

F是面,后面分别对应 顶点索引 / 纹理坐标索引 / 法线索引

这里大部分也都是我们非常常用的属性了,还有一些其他的,这里就不多说,可以google搜一下,很多介绍很详细的文章。

如果有了obj文件,那我们的工作也就是将obj文件导入,然后读取内容并且按行解析就可以了。

先放出最后的结果,一个模拟银河系的3D文字效果。

在线地址查看:https://vorshen.github.io/simple-3d-text-universe/index.html

在这里顺便说一下,2D文字是可以通过分析获得3D文字模型数据的,将文字写到canvas上之后读取像素,获取路径。我们这里没有采用该方法,因为虽然这样理论上任何2D文字都能转3D,还能做出类似input输入文字,3D展示的效果。但是本文是教大家快速搭建一个小世界,所以我们还是采用blender去建模。

具体实现

1、首先建模生成obj文件

这里我们使用blender生成文字

![]https://vorshen.github.io/simple-3d-text-universe/doc/assets/help.gif)

2、读取分析obj文件

var regex = { // 这里正则只去匹配了我们obj文件中用到数据
    vertex_pattern: /^v\s+([\d|\.|\+|\-|e|E]+)\s+([\d|\.|\+|\-|e|E]+)\s+([\d|\.|\+|\-|e|E]+)/, // 顶点
    normal_pattern: /^vn\s+([\d|\.|\+|\-|e|E]+)\s+([\d|\.|\+|\-|e|E]+)\s+([\d|\.|\+|\-|e|E]+)/, // 法线
    uv_pattern: /^vt\s+([\d|\.|\+|\-|e|E]+)\s+([\d|\.|\+|\-|e|E]+)/, // 纹理坐标
    face_vertex_uv_normal: /^f\s+(-?\d+)\/(-?\d+)\/(-?\d+)\s+(-?\d+)\/(-?\d+)\/(-?\d+)\s+(-?\d+)\/(-?\d+)\/(-?\d+)(?:\s+(-?\d+)\/(-?\d+)\/(-?\d+))?/, // 面信息
    material_library_pattern: /^mtllib\s+([\d|\w|\.]+)/, // 依赖哪一个mtl文件
    material_use_pattern: /^usemtl\s+([\S]+)/
};

function loadFile(src, cb) {
    var xhr = new XMLHttpRequest();

    xhr.open('get', src, false);

    xhr.onreadystatechange = function() {
        if(xhr.readyState === 4) {

            cb(xhr.responseText);
        }
    };

    xhr.send();
}

function handleLine(str) {
    var result = [];
    result = str.split('\n');

    for(var i = 0; i < result.length; i++) {
        if(/^#/.test(result[i]) || !result[i]) { // 注释部分过滤掉
            result.splice(i, 1);

            i--;
        }
    }

    return result;
}

function handleWord(str, obj) {
    var firstChar = str.charAt(0);
    var secondChar;
    var result;

    if(firstChar === 'v') {
        
        secondChar = str.charAt(1);

        if(secondChar === ' ' && (result = regex.vertex_pattern.exec(str)) !== null) {
            obj.position.push(+result[1], +result[2], +result[3]); // 加入到3D对象顶点数组
        } else if(secondChar === 'n' && (result = regex.normal_pattern.exec(str)) !== null) {
            obj.normalArr.push(+result[1], +result[2], +result[3]); // 加入到3D对象法线数组
        } else if(secondChar === 't' && (result = regex.uv_pattern.exec(str)) !== null) {
            obj.uvArr.push(+result[1], +result[2]); // 加入到3D对象纹理坐标数组
        }

    } else if(firstChar === 'f') {
        if((result = regex.face_vertex_uv_normal.exec(str)) !== null) {
            obj.addFace(result); // 将顶点、发现、纹理坐标数组变成面
        }
    } else if((result = regex.material_library_pattern.exec(str)) !== null) {
        obj.loadMtl(result[1]); // 加载mtl文件
    } else if((result = regex.material_use_pattern.exec(str)) !== null) {
        obj.loadImg(result[1]); // 加载图片
    }
}

代码核心的地方都进行了注释,注意这里的正则只去匹配我们obj文件中含有的字段,其他信息没有去匹配,如果有对obj文件所有可能含有的信息完成匹配的同学可以去看下Threejs中objLoad部分源码

3、将obj中数据真正的运用3D对象中去

Text3d.prototype.addFace = function(data) {
    this.addIndex(+data[1], +data[4], +data[7], +data[10]);
    this.addUv(+data[2], +data[5], +data[8], +data[11]);
    this.addNormal(+data[3], +data[6], +data[9], +data[12]);
};

Text3d.prototype.addIndex = function(a, b, c, d) {
    if(!d) {
        this.index.push(a, b, c);
    } else {
        this.index.push(a, b, c, a, c, d);
    }
};

Text3d.prototype.addNormal = function(a, b, c, d) {
    if(!d) {
        this.normal.push(
            3 * this.normalArr[a], 3 * this.normalArr[a] + 1, 3 * this.normalArr[a] + 2,
            3 * this.normalArr[b], 3 * this.normalArr[b] + 1, 3 * this.normalArr[b] + 2,
            3 * this.normalArr[c], 3 * this.normalArr[c] + 1, 3 * this.normalArr[c] + 2
        );
    } else {
        this.normal.push(
            3 * this.normalArr[a], 3 * this.normalArr[a] + 1, 3 * this.normalArr[a] + 2,
            3 * this.normalArr[b], 3 * this.normalArr[b] + 1, 3 * this.normalArr[b] + 2,
            3 * this.normalArr[c], 3 * this.normalArr[c] + 1, 3 * this.normalArr[c] + 2,
            3 * this.normalArr[a], 3 * this.normalArr[a] + 1, 3 * this.normalArr[a] + 2,
            3 * this.normalArr[c], 3 * this.normalArr[c] + 1, 3 * this.normalArr[c] + 2,
            3 * this.normalArr[d], 3 * this.normalArr[d] + 1, 3 * this.normalArr[d] + 2
        );
    }
};

Text3d.prototype.addUv = function(a, b, c, d) {
    if(!d) {
        this.uv.push(2 * this.uvArr[a], 2 * this.uvArr[a] + 1);
        this.uv.push(2 * this.uvArr[b], 2 * this.uvArr[b] + 1);
        this.uv.push(2 * this.uvArr[c], 2 * this.uvArr[c] + 1);
    } else {
        this.uv.push(2 * this.uvArr[a], 2 * this.uvArr[a] + 1);
        this.uv.push(2 * this.uvArr[b], 2 * this.uvArr[b] + 1);
        this.uv.push(2 * this.uvArr[c], 2 * this.uvArr[c] + 1);
        this.uv.push(2 * this.uvArr[d], 2 * this.uvArr[d] + 1);
    }
};

这里我们考虑到兼容obj文件中f(ace)行中4个值的情况,导出obj文件中可以强行选择只有三角面,不过我们在代码中兼容一下比较稳妥

4、旋转平移等变换

物体全部导入进去,剩下来的任务就是进行变换了,首先我们分析一下有哪些动画效果

因为我们模拟的是一个宇宙,3D文字就像是星球一样,有公转和自转;还有就是我们导入的obj文件都是基于(0,0,0)点的,所以我们还需要把它们进行平移操作

先上核心代码

......
this.angle += this.rotate; // 自转的角度

var s = Math.sin(this.angle);
var c = Math.cos(this.angle);

// 公转相关数据
var gs = Math.sin(globalTime * this.revolution); // globalTime是全局的时间
var gc = Math.cos(globalTime * this.revolution);


webgl.uniformMatrix4fv(
    this.program.uMMatrix, false, mat4.multiply([
            gc,0,-gs,0,
            0,1,0,0,
            gs,0,gc,0,
            0,0,0,1
        ], mat4.multiply(
            [
                1,0,0,0,
                0,1,0,0,
                0,0,1,0,
                this.x,this.y,this.z,1 // x,y,z是偏移的位置
            ],[
                c,0,-s,0,
                0,1,0,0,
                s,0,c,0,
                0,0,0,1
            ]
        )
    )
);

一眼望去uMMatrix(模型矩阵)里面有三个矩阵,为什么有三个呢,它们的顺序有什么要求么?

因为矩阵不满足交换率,所以我们矩阵的平移和旋转的顺序十分重要,先平移再旋转和先旋转再平移有如下的差异

(下面图片来源于网络)

先旋转后平移:
先平移后旋转:

从图中明显看出来先旋转后平移是自转,而先平移后旋转是公转

所以我们矩阵的顺序一定是 公转 × 平移 × 自转 × 顶点信息(右乘)

具体矩阵为何这样写可见上一篇矩阵入门文章

这样一个3D文字的8大行星就形成啦

4、装饰星星

光秃秃的几个文字肯定不够,所以我们还需要一点点缀,就用几个点当作星星,非常简单

注意默认渲染webgl.POINTS是方形的,所以我们得在fragment shader中加工处理一下

precision highp float;

void main() {
    float dist = distance(gl_PointCoord, vec2(0.5, 0.5)); // 计算距离
    if(dist < 0.5) {
        gl_FragColor = vec4(0.9, 0.9, 0.8, pow((1.0 - dist * 2.0), 3.0));
    } else {
        discard; // 丢弃
    }
}

结语

需要关注的是这里我用了另外一对shader,此时就涉及到了关于是用多个program shader还是在同一个shader中使用if statements,这两者性能如何,有什么区别,这里将放在下一篇webgl相关优化中去说。

本文就到这里啦,有问题和建议的小伙伴欢迎留言一起讨论 !

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