WebGL简易教程(九)：综合实例：地形的绘制
1. 概述
在上一篇教程《WebGL简易教程(八)：三维场景交互》中，给三维场景加入了简单的交互，通过鼠标实现场景的旋转和缩放。那么在这一篇教程中，综合前面的知识，可以做出一个稍微复杂的实例：绘制一张基于现实的地形图。
地形也就是DEM（数字高程模型），是由一组网格点组成的模型，每个点都有x，y，z值；更简单来说，图像格式就可以作为DEM的载体，只不过每个图像的像素值代表的是高程的值。这里准备了一张tif格式的DEM数据DEM.tif：
这张tif是从谷歌地球上下载下来的，是美国大峡谷的某一块地形。因为JS处理tif稍微有点麻烦，我这里预先将其处理成DEM.dem，这是一个文本格式：
其中第一行的六个值分别表示：
起点X坐标 起点Y坐标 X间距 Y间距 宽 高
剩下的每一行表示一个点，点的顺序为从上至下，从左至右：
与起点X距离 与起点Y距离 高程值 颜色R 颜色G 颜色B 法向量X坐标 法向量Y坐标 法向量Z坐标
一般来说DEM里面保存的应该只有点的位置信息也就是XYZ坐标，其渲染的颜色信息和法向量信息是预处理的过程中计算出来的。目前来说可以将其当成已知量，以后有机会将会在后续介绍详细的预处理过程。
2. 实例
2.1. TerrainViewer.html
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="utf-8" />
<title> 显示地形 </title>
<title>Hello Triangle</title>
</head>
<body onload="main()">
<div><input type='file' id='demFile'></div>
<div>
<canvas id="webgl" width="600" height="600">
请使用支持WebGL的浏览器
</canvas>
</div>
<script src="../lib/webgl-utils.js"></script>
<script src="../lib/webgl-debug.js"></script>
<script src="../lib/cuon-utils.js"></script>
<script src="../lib/cuon-matrix.js"></script>
<script src="TerrainViewer.js"></script>
</body>
</html>
在HTML的代码中，添加了一个input按钮元素，用来导入DEM文件。一旦加载成功，canvas元素就会把读取的数据显示出来。
2.2. TerrainViewer.js
// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE =
'attribute vec4 a_Position;\n' + //位置
'attribute vec4 a_Color;\n' + //颜色
'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' +
'varying vec4 v_Color;\n' +
'void main() {\n' +
' gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // 设置顶点坐标
' v_Color = a_Color;\n' +
'}\n';
// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
'precision mediump float;\n' +
'varying vec4 v_Color;\n' +
'void main() {\n' +
' gl_FragColor = v_Color;\n' +
'}\n';
//定义一个矩形体：混合构造函数原型模式
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);
}
}
//定义DEM
function Terrain() {
}
Terrain.prototype = {
constructor: Terrain,
setWH: function (col, row) {
this.col = col;
this.row = row;
}
}
var currentAngle = [0.0, 0.0]; // 绕X轴Y轴的旋转角度 ([x-axis, y-axis])
var curScale = 1.0; //当前的缩放比例
function main() {
var demFile = document.getElementById('demFile');
if (!demFile) {
console.log("Failed to get demFile element!");
return;
}
//加载文件后的事件
demFile.addEventListener("change", function (event) {
//判断浏览器是否支持FileReader接口
if (typeof FileReader == 'undefined') {
console.log("你的浏览器不支持FileReader接口！");
return;
}
//读取文件后的事件
var reader = new FileReader();
reader.onload = function () {
if (reader.result) {
var terrain = new Terrain();
if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {
console.log("文件格式有误，不能读取该文件！");
}
//绘制函数
onDraw(gl, canvas, terrain);
}
}
var input = event.target;
reader.readAsText(input.files[0]);
});
// 获取 <canvas> 元素
var canvas = document.getElementById('webgl');
// 获取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>的颜色
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
// 开启深度测试
gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
//清空颜色和深度缓冲区
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
}
//绘制函数
function onDraw(gl, canvas, terrain) {
// 设置顶点位置
//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;
}
//注册鼠标事件
initEventHandlers(canvas);
//绘制函数
var tick = function () {
//设置MVP矩阵
setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid);
//清空颜色和深度缓冲区
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
//绘制矩形体
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
//gl.drawArrays(gl.Points, 0, n);
//请求浏览器调用tick
requestAnimationFrame(tick);
};
//开始绘制
tick();
}
//读取DEM函数
function readDEMFile(result, terrain) {
var stringlines = result.split("\n");
if (!stringlines || stringlines.length <= 0) {
return false;
}
//读取头信息
var subline = stringlines[0].split("\t");
if (subline.length != 6) {
return false;
}
var col = parseInt(subline[4]); //DEM宽
var row = parseInt(subline[5]); //DEM高
var verticeNum = col * row;
if (verticeNum + 1 > stringlines.length) {
return false;
}
terrain.setWH(col, row);
//读取点信息
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;
}
//包围盒
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;
}
//注册鼠标事件
function initEventHandlers(canvas) {
var dragging = false; // Dragging or not
var lastX = -1, lastY = -1; // Last position of the mouse
//鼠标按下
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;
}
};
//鼠标离开时
canvas.onmouseleave = function (ev) {
dragging = false;
};
//鼠标释放
canvas.onmouseup = function (ev) {
dragging = false;
};
//鼠标移动
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;
};
//鼠标缩放
canvas.onmousewheel = function (event) {
if (event.wheelDelta > 0) {
curScale = curScale * 1.1;
} else {
curScale = curScale * 0.9;
}
};
}
//设置MVP矩阵
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;
}
//模型矩阵
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());
//投影矩阵
var fovy = 60;
var near = 1;
var projMatrix = new Matrix4();
projMatrix.setPerspective(fovy, canvas.width / canvas.height, 1, 10000);
//计算lookAt()函数初始视点的高度
var angle = fovy / 2 * Math.PI / 180.0;
var eyeHight = (cuboid.LengthY() * 1.2) / 2.0 / angle;
//视图矩阵
var viewMatrix = new Matrix4(); // View matrix
viewMatrix.lookAt(0, 0, eyeHight, 0, 0, 0, 0, 1, 0);
//MVP矩阵
var mvpMatrix = new Matrix4();
mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);
//将MVP矩阵传输到着色器的uniform变量u_MvpMatrix
gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);
}
//
function initVertexBuffers(gl, terrain) {
//DEM的一个网格是由两个三角形组成的
// 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; //数组中每个元素的字节数
// 创建缓冲区对象
var vertexColorBuffer = gl.createBuffer();
var indexBuffer = gl.createBuffer();
if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) {
console.log('Failed to create the buffer object');
return -1;
}
// 将缓冲区对象绑定到目标
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);
// 向缓冲区对象写入数据
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);
//获取着色器中attribute变量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;
}
// 将缓冲区对象分配给a_Position变量
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);
// 连接a_Position变量与分配给它的缓冲区对象
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
//获取着色器中attribute变量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;
}
// 将缓冲区对象分配给a_Color变量
gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);
// 连接a_Color变量与分配给它的缓冲区对象
gl.enableVertexAttribArray(a_Color);
// 将顶点索引写入到缓冲区对象
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);
return indices.length;
}
与上一篇的JS代码相比，没有什么新的知识，大部分流程都是一样的，只不过对数据的组织略有不同。
在main()函数中，为按钮定义了加载事件函数。在函数中通过FileReader()读取文件，读取函数为readDEMFile();接着进行绘制，绘制函数为onDraw()。
//...
var demFile = document.getElementById('demFile');
if (!demFile) {
console.log("Failed to get demFile element!");
return;
}
//加载文件后的事件
demFile.addEventListener("change", function (event) {
//判断浏览器是否支持FileReader接口
if (typeof FileReader == 'undefined') {
console.log("你的浏览器不支持FileReader接口！");
return;
}
//读取文件后的事件
var reader = new FileReader();
reader.onload = function () {
if (reader.result) {
var terrain = new Terrain();
if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {
console.log("文件格式有误，不能读取该文件！");
}
//绘制函数
onDraw(gl, canvas, terrain);
}
}
var input = event.target;
reader.readAsText(input.files[0]);
});
//...
readDEMFile()函数就是解析这个DEM文件的过程，将读取到的数据保存到Terrain对象中。Terrain是一个自定义的对象，DEM文件的宽、高、位置信息以及颜色信息都存入到这个对象中。值得注意的是，这里求取了所有点的包围盒，也一并保存进Terrain对象中了。这个包围盒信息就是用来设置MVP矩阵的，从而让场景与鼠标进行交互。
//定义DEM
function Terrain() {
}
Terrain.prototype = {
constructor: Terrain,
setWH: function (col, row) {
this.col = col;
this.row = row;
}
}
//...
//读取DEM函数
function readDEMFile(result, terrain) {
var stringlines = result.split("\n");
if (!stringlines || stringlines.length <= 0) {
return false;
}
//读取头信息
var subline = stringlines[0].split("\t");
if (subline.length != 6) {
return false;
}
var col = parseInt(subline[4]); //DEM宽
var row = parseInt(subline[5]); //DEM高
var verticeNum = col * row;
if (verticeNum + 1 > stringlines.length) {
return false;
}
terrain.setWH(col, row);
//读取点信息
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;
}
//包围盒
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;
}
绘制函数onDraw()与之前的代码相比基本没有变化。可以看到在设置MVP矩阵的函数 setMVPMatrix()中，传递的参数是Terrain对象的包围盒，这一点与上一篇教程是一样的。但主要的改动是在初始化顶点函数initVertexBuffers()中。
//绘制函数
function onDraw(gl, canvas, terrain) {
// 设置顶点位置
//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;
}
//注册鼠标事件
initEventHandlers(canvas);
//绘制函数
var tick = function () {
//设置MVP矩阵
setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid);
//清空颜色和深度缓冲区
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
//绘制矩形体
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
//gl.drawArrays(gl.Points, 0, n);
//请求浏览器调用tick
requestAnimationFrame(tick);
};
//开始绘制
tick();
}
在函数initVertexBuffers()中，由于读取的顶点信息（保存在Terrain对象中）同样包含位置信息和定点信息，所以同样将其传递到缓冲区对象。不同的在于顶点索引的组织。前面提到过，顶点数组中的点是从上至下，从左至右依次排列的，所以每个网格是上、下、左、右四个不同的点组成的两个三角形。所以一共要绘制\(((宽 - 1) * (高 - 1) * 2)\)个三角形，顶点索引数组的长度为\(((宽 - 1) * (高 - 1) * 6)\)。
//
function initVertexBuffers(gl, terrain) {
//DEM的一个网格是由两个三角形组成的
// 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; //数组中每个元素的字节数
//...
return indices.length;
}
3. 结果
通过浏览器运行程序，加载DEM.dem文件，结果如下：
其鼠标交互操作：
可以看到最终绘制的结果是一小块起伏的地形。所有复杂的模型都可以采用本例的办法，用足够的三角形绘制而成。当然，这个例子还有个缺点，就是显示的效果立体感不强，对地形起伏的表现不够。这是因为缺少了场景渲染中的重要一环，也就是下一篇教程要讲的内容——光照。
4. 参考
本来部分代码和插图来自《WebGL编程指南》，源代码链接：地址 。会在此共享目录中持续更新后续的内容。
