WebGL学习(3) - 3D模型

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  相信很多人是以创建逼真酷炫的三维效果为目标而学习webGL的吧，首先我就是????。我掌握了足够的webGL技巧后，正准备大展身手时，遇到了一种尴尬的情况：还是做不出想要的东西????。为啥呢，因为没有3D模型可供操作啊，纯粹用代码构建复杂的3D模型完全不可想象。那必须使用3dMax，maya，以及开源的blender等建模软件进行构建。既然已经入了webGL的坑了，那也只能硬着头皮继续学习3D建模，断断续续学了一个多月的blender教程，总算入门了。
  这节主要学习如何导入模型文件，然后用代码应用效果，操作模型。首先展示下我的大作，喷火战斗机的3D模型：webGL 喷火战斗机

内容大纲

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导出的模型文件plane.obj, 同时还包括材质文件plane.mtl。模型包括2800多个顶点，2200多个面，共200多k的体积，内容比较大，所以只能将文件加载入html文件比较方便。
  那怎么加载呢？一般会使用ajax获取，但我这里有更方便的办法。那就是将模型文件内容预编译直出到html中，这样不但提高了加载性能，开发也更方便。具体可参考我之前的文章：前端快速开发模版
  这里使用我之前的开发模版, 将模型(obj、mtl)文件以字符串的形式写入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的命令构建页面，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文件包含的是模型的顶点法线索引等信息。这里以最简单的立方体为例。

• 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文件包含的是模型的材质信息

• 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 指定材质的反射指数
• 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，我们需要做的就是读取它们，逐行分析，这里使用的objParse读取解析，想知道内部原理，可以查看源代码，这里不详述。
  提取出需要的信息后，就可将模型信息写入缓冲区，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

  顶点着色器比较简单，和之前的区别比较大的是，把计算颜色光照部分移到了片元着色器，这样可以实现逐片元光照，效果会更加逼真和自然。

    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

  光照相关的计算主要在片元着色器中，首先科普一下光照的相关信息。

    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

  着色器代码就是对上面公式内容的演绎

    #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

  这里先设置光照相关的初始条件，然后是mvp矩阵变换和法向量矩阵相关的计算，具体知识点可参考之前的文章WebGL学习(2) - 3D场景

  要注意的是逆转置矩阵，主要用于计算模型变换之后的法向量，有了变换后的法向量才能正确计算光照。

     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，最后调用requestAnimationFrame不断执行动画。矩阵的旋转部分可结合下面的keydown事件进行查看。

    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

  +/- 键实现放大/缩小场景的功能；WSAD键实现模型的旋转，也就是实现绕x轴和y轴旋转；上下左右方向键实现的是视点的旋转。矩阵变换的相关实现参考上面代码的动画部分。

  模型旋转和视点旋转看着很相似，其实又有不同的。视点的旋转是整个场景比如光照模型等都是跟着变化的，如果以场景做参照物，它就相当于人改变观察位置观看物体。而模型旋转呢，它只旋转模型自身，外部的光照和场景都是不变的，以场景做参照物，相当于人在同一位置观看模型在运动。从demo的光照可以看出两种方式的区别。

    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模型还是挺费时间，需要花心机慢慢调整，才能做出比较完美的模型。