WebGL多模型光照综合实例
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WebGL是一个非常的接近硬件底层的光栅化API, 从非常类似C/C++风格的API调用方式就可以看出来, 习惯了高级语言的我们会觉得很不友好,觉得特别繁琐. 这个也是很多人觉得WebGL难的原因之一. 如果我们要使用WebGL做一些项目,毫无疑问要么使用Three.js之类的3D库, 要么需要对原生的API进行封装. 这段时间查看了一些WebGL工具库的源代码, 参考封装出了一个简单的工具库,这样往后用WebGL做小项目就方便多了.
经过前面章节的学习, WebGL的知识点掌握的差不多了, 终于到了做特效和Demo的阶段了,来看一下这节实现的特效：WebGL多物体多光源场景
内容大纲
实现图形绕坐标原点旋转, 同时给所有的物体增加环境光, 漫反射, 高光. 其中旋转功能使用矩阵复合变换实现; 光照部分比较复杂,实现了多个光源照射.
- 着色器
- 模型变换
着色器
顶点着色器
代码很简单,逐顶点传入坐标,法向量矩阵,模型矩阵,mvp矩阵.
attribute vec4 a_position;
attribute vec4 a_normal;
uniform mat4 u_modelMatrix;
uniform mat4 u_normalMatrix;
uniform mat4 u_mvpMatrix;
varying vec3 v_normal;
varying vec3 v_position;
void main() {
gl_Position = u_mvpMatrix * a_position;
v_normal=vec3(u_normalMatrix * a_normal);
v_position= vec3(u_modelMatrix * a_position);
}
片元着色器
分别在左前方和右后方添加了平行光源和点光源, 平行光源的高光使用的是宾氏模型, 它的高光过渡效果比较平滑; 点光源的高光使用的是冯氏模型, 它的高光部分比较明亮, 反射的效果比较好.
最后将两个光源照射产生的漫反射,高光亮度相加,就得到它们的综合光照效果了.
precision mediump float;
uniform vec3 u_lightColor;
uniform vec3 u_lightPosition;
uniform vec3 u_lightPosition2;
uniform vec3 u_ambientColor;
uniform vec3 u_viewPosition;
uniform vec4 u_color;
varying vec3 v_normal;
varying vec3 v_position;
void main() {
// 法向量归一化
vec3 normal = normalize(v_normal);
// 计算环境光反射颜色
vec3 ambient = u_ambientColor * u_color.rgb;
// 第一个光源:平行光
vec3 lightDirection = normalize(u_lightPosition);
// 计算法向量和光线的点积
float cosTheta = max(dot(lightDirection, normal), 0.0);
// 计算漫反射光的颜色
vec3 diffuse = u_lightColor * u_color.rgb * cosTheta;
// 宾氏模型高光
float shininess =100.0;
vec3 specularColor =vec3(1.0,1.0,1.0);
vec3 viewDirection = normalize(u_viewPosition-v_position);
vec3 halfwayDir = normalize(lightDirection + viewDirection);
float specularWeighting = pow(max(dot(normal, halfwayDir), 0.0), shininess);
vec3 specular = specularColor.rgb * specularWeighting * step(cosTheta,0.0);
// 第二个光源:点光源
vec3 lightDirection2 = normalize(u_lightPosition2 - v_position.xyz);
// 计算法向量和光线的点积
float cosTheta2 = max(dot(lightDirection2, normal), 0.0);
// 计算漫反射光的颜色
vec3 diffuse2 = u_lightColor * u_color.rgb * cosTheta2;
// 冯氏模型高光
float shininess2 =30.0;
vec3 specularColor2 =vec3(1.0,1.0,1.0);
vec3 reflectionDirection = reflect(-lightDirection2, normal);
float specularWeighting2 = pow(max(dot(reflectionDirection, viewDirection), 0.0), shininess2);
vec3 specular2 = specularColor2.rgb * specularWeighting2 * step(cosTheta,0.0);
// 两个光源亮度相加
gl_FragColor = vec4(diffuse+diffuse2+ambient+specular+specular2,u_color.a);
}
模型变换
js代码部分使用工具库封装了原生WebGL的很多细节, 现在写起代码来要愉快得多了, 感觉和写canvas差不了太多😂. 这里重点介绍模型变换部分, 其他部分代码的细节之前章节已经介绍过了,所以不再详述.
首先初始化着色器,并创建program对象; 这里使用了多种图形(圆球,立方体,圆柱体,圆锥体), 所以分别为它们创建缓冲区, 缓冲区数据主要包括顶点,法向量,索引.
接着创建200个图形对象, 给每个对象赋予 随机x/y轴角速度, 随机初始点, 随机颜色.
最后终于到了动画的环节了, 绕原点旋转可以分解为x轴旋转, y轴旋转和位移. 要注意的是矩阵复合变换相乘的顺序, 也就是左乘和右乘是有区别的, 学过线性代数的应该都有印象. 这里要实现图形先位移z,然后再旋转, 那么对应的复合变换矩阵就是这样
<模型矩阵> = <绕x轴旋转矩阵> * <绕y轴旋转矩阵> * <位移矩阵>
模型矩阵与视图投影矩阵相乘得出mvp矩阵, 对模型矩阵逆转置后还可以求出逆转置矩阵.
将矩阵和变量的值传递给着色器, 输出对应的图形缓冲区,然后根据图形对象依次绘制图形, 最后调用requestAnimationFrame递归执行动画函数.
var canvas = document.getElementById("canvas"),
gl = get3DContext(canvas, true);
function main() {
if (!gl) {
console.log("Failed to get the rendering context for WebGL");
return;
}
var program = createProgramInfo(gl, ["vs", "fs"]),
sphereBuffer = createBufferInfoFromArrays(gl, Sphere(50)),
cubeBuffer = createBufferInfoFromArrays(gl, Cube()),
cylinderBuffer = createBufferInfoFromArrays(gl, Cylinder(1, 3, 40)),
coneBuffer = createBufferInfoFromArrays(gl, Cone(1, 3, 40)),
buffers = [sphereBuffer, cubeBuffer, cylinderBuffer, coneBuffer];
for (var i = 0; i < NUM; i++) {
Polygons.push({
xRotation: Random(-60, 60),
yRotation: Random(-60, 60),
xAngle: 0,
yAngle: 0,
x: Random(-15, 15),
y: Random(-15, 15),
z: Random(3, 20),
color: Color.rgbToWebgl(Color.hslToRgb(RandomHsl()))
});
}
gl.clearColor(0.1, 0.1, 0.1, 1);
gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
gl.viewport(0, 0, canvas.width, canvas.height); //设置绘图区域
gl.useProgram(program.program);
var modelMatrix = new Matrix4(),
normalMatrix = new Matrix4(),
mvpMatrix = new Matrix4(),
last = Date.now();
(function animate() {
var now = new Date(),
elapsed = now - last;
last = now;
// ...
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
setUniforms(program, {
u_lightColor: [1, 1, 1],
u_lightPosition: LIGHT_POS,
u_lightPosition2: LIGHT_POS2,
u_ambientColor: [0.4, 0.4, 0.4],
u_viewPosition: [eyeX, eyeY, eyeZ]
});
var buffer;
Polygons.forEach((polygon, i) => {
polygon.xAngle += (polygon.xRotation * elapsed) / 1000;
polygon.yAngle += (polygon.yRotation * elapsed) / 1000;
polygon.xAngle %= 360;
polygon.yAngle %= 360;
// 模型矩阵
modelMatrix.setRotate(polygon.xAngle, 1, 0, 0);
modelMatrix.rotate(polygon.yAngle, 0, 1, 0);
modelMatrix.translate(0, 0, polygon.z);
// modelMatrix.translate(polygon.x,polygon.y,polygon.z);
// 每次重置mvp矩阵
mvpMatrix.setPerspective( 45, canvas.width / canvas.height, 1.0, 200.0 );
mvpMatrix.lookAt(eyeX, eyeY, eyeZ, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
mvpMatrix.multiply(modelMatrix);
// 逆转置矩阵
normalMatrix.setInverseOf(modelMatrix);
normalMatrix.transpose();
buffer = buffers[i % buffers.length];
setBuffersAndAttributes(gl, program, buffer);
setUniforms(program, {
u_color: polygon.color,
u_modelMatrix: modelMatrix.elements,
u_normalMatrix: normalMatrix.elements,
u_mvpMatrix: mvpMatrix.elements
});
gl.drawElements( gl.TRIANGLES, buffer.numElements, buffer.indexType, 0 );
});
requestAnimationFrame(animate);
})();
}
总结
使用工具类省略了很多繁琐无聊的部分,不用再去扣语法细节.比如获取变量地址, 赋值, 创建缓冲区. 我们可以把精力都集中到业务逻辑方面.
