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WebGL簡易教程(十一):紋理

目錄

  • 1. 概述
  • 2. 例項
    • 2.1. 準備紋理
    • 2.2. 配置紋理
    • 2.3. 使用紋理
  • 3. 結果
  • 4. 參考

1. 概述

在之前的之前的教程《WebGL簡易教程(九):綜合例項:地形的繪製》中,繪製了一個帶顏色的地形場景。地形的顏色是根據高程賦予的RGB值,通過不同的顏色來表示地形的起伏,這是表達地形渲染的一種方式。除此之外,還可以將拍攝得到的數字影像,貼到地形上面,得到更逼真的地形效果。這就要用到我們這一章的新知識——紋理了。

這裡用到的紋理影象,是一張從GoogleEarth上下載的衛星影像DOM.tif,其範圍正好覆蓋地形資料。為了方便使用,特意將其轉換為JPG格式的影像:tex.jpg。並放到與HTML和JS同目錄下。用影象檢視軟體開啟影象的顯示效果為:

注意,在大部分瀏覽器(如chrome)中,基於安全策略是不允許訪問本地檔案的。WebGL的紋理需要用到本地的影象,所以需要將瀏覽器設定成支援跨域訪問或者建立伺服器在域內使用。

2. 例項

基於《WebGL簡易教程(九):綜合例項:地形的繪製》中的JS程式碼進行改進:

// 頂點著色器程式
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;\n' + //位置
  'attribute vec4 a_Color;\n' + //顏色
  'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' +
  'varying vec4 v_Color;\n' +
  'varying vec4 v_position;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  v_position = a_Position;\n' +
  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // 設定頂點座標
  '  v_Color = a_Color;\n' +
  '}\n';

// 片元著色器程式
var FSHADER_SOURCE =
  'precision mediump float;\n' +
  'uniform vec2 u_RangeX;\n' + //X方向範圍
  'uniform vec2 u_RangeY;\n' + //Y方向範圍
  'uniform sampler2D u_Sampler;\n' +
  'varying vec4 v_Color;\n' +
  'varying vec4 v_position;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  vec2 v_TexCoord = vec2((v_position.x-u_RangeX[0]) / (u_RangeX[1]-u_RangeX[0]), 1.0-(v_position.y-u_RangeY[0]) / (u_RangeY[1]-u_RangeY[0]));\n' +
  '  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);\n' +
  '}\n';

//定義一個矩形體:混合建構函式原型模式
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);
  }
}

//定義DEM
function Terrain() { }
Terrain.prototype = {
  constructor: Terrain,
  setWH: function (col, row) {
    this.col = col;
    this.row = row;
  }
}

var currentAngle = [0.0, 0.0]; // 繞X軸Y軸的旋轉角度 ([x-axis, y-axis])
var curScale = 1.0; //當前的縮放比例
var initTexSuccess = false; //紋理影象是否載入完成

function main() {
  var demFile = document.getElementById('demFile');
  if (!demFile) {
    console.log("Failed to get demFile element!");
    return;
  }

  //載入檔案後的事件
  demFile.addEventListener("change", function (event) {
    //判斷瀏覽器是否支援FileReader介面
    if (typeof FileReader == 'undefined') {
      console.log("你的瀏覽器不支援FileReader介面!");
      return;
    }

    //讀取檔案後的事件
    var reader = new FileReader();
    reader.onload = function () {
      if (reader.result) {
        var terrain = new Terrain();
        if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {
          console.log("檔案格式有誤,不能讀取該檔案!");
        }

        //繪製函式
        onDraw(gl, canvas, terrain);
      }
    }

    var input = event.target;
    reader.readAsText(input.files[0]);
  });

  // 獲取 <canvas> 元素
  var canvas = document.getElementById('webgl');

  // 獲取WebGL渲染上下文
  var gl = getWebGLContext(canvas);
  if (!gl) {
    console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
    return;
  }

  // 初始化著色器
  if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
    console.log('Failed to intialize shaders.');
    return;
  }

  // 指定清空<canvas>的顏色
  gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

  // 開啟深度測試
  gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

  //清空顏色和深度緩衝區
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
}

//繪製函式
function onDraw(gl, canvas, terrain) {
  // 設定頂點位置
  //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;
  }

  //設定紋理
  if (!initTextures(gl, terrain)) {
    console.log('Failed to intialize the texture.');
    return;
  }

  //註冊滑鼠事件
  initEventHandlers(canvas);

  //繪製函式
  var tick = function () {
    if (initTexSuccess) {
      //設定MVP矩陣
      setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid);

      //清空顏色和深度緩衝區
      gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

      //繪製矩形體
      gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
      //gl.drawArrays(gl.Points, 0, n);
    }

    //請求瀏覽器呼叫tick
    requestAnimationFrame(tick);
  };

  //開始繪製
  tick();
}

function initTextures(gl, terrain) {
  // 傳遞X方向和Y方向上的範圍到著色器
  var u_RangeX = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeX');
  var u_RangeY = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeY');
  if (!u_RangeX || !u_RangeY) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_RangeX or u_RangeY');
    return;
  }
  gl.uniform2f(u_RangeX, terrain.cuboid.minX, terrain.cuboid.maxX);
  gl.uniform2f(u_RangeY, terrain.cuboid.minY, terrain.cuboid.maxY);

  //建立一個image物件
  var image = new Image();
  if (!image) {
    console.log('Failed to create the image object');
    return false;
  }
  //影象載入的響應函式 
  image.onload = function () {
    if (loadTexture(gl, image)) {
      initTexSuccess = true;
    }
  };

  //瀏覽器開始載入影象
  image.src = 'tex.jpg';

  return true;
}

function loadTexture(gl, image) {
  // 建立紋理物件
  var texture = gl.createTexture();
  if (!texture) {
    console.log('Failed to create the texture object');
    return false;
  }

  // 開啟0號紋理單元
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
  // 繫結紋理物件
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

  // 設定紋理引數
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);

  // 配置紋理影象
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);

  // 將0號單元紋理傳遞給著色器中的取樣器變數 
  var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');
  if (!u_Sampler) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_Sampler');
    return false;
  }
  gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

  return true;
}

//讀取DEM函式
function readDEMFile(result, terrain) {
  var stringlines = result.split("\n");
  if (!stringlines || stringlines.length <= 0) {
    return false;
  }

  //讀取頭資訊
  var subline = stringlines[0].split("\t");
  if (subline.length != 6) {
    return false;
  }
  var col = parseInt(subline[4]); //DEM寬
  var row = parseInt(subline[5]); //DEM高
  var verticeNum = col * row;
  if (verticeNum + 1 > stringlines.length) {
    return false;
  }
  terrain.setWH(col, row);

  //讀取點資訊
  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;
  }

  //包圍盒
  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;
}


//註冊滑鼠事件
function initEventHandlers(canvas) {
  var dragging = false; // Dragging or not
  var lastX = -1,
    lastY = -1; // Last position of the mouse

  //滑鼠按下
  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;
    }
  };

  //滑鼠離開時
  canvas.onmouseleave = function (ev) {
    dragging = false;
  };

  //滑鼠釋放
  canvas.onmouseup = function (ev) {
    dragging = false;
  };

  //滑鼠移動
  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;
  };

  //滑鼠縮放
  canvas.onmousewheel = function (event) {
    if (event.wheelDelta > 0) {
      curScale = curScale * 1.1;
    } else {
      curScale = curScale * 0.9;
    }
  };
}

//設定MVP矩陣
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;
  }

  //模型矩陣
  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());

  //投影矩陣
  var fovy = 60;
  var near = 1;
  var projMatrix = new Matrix4();
  projMatrix.setPerspective(fovy, canvas.width / canvas.height, 1, 10000);

  //計算lookAt()函式初始視點的高度
  var angle = fovy / 2 * Math.PI / 180.0;
  var eyeHight = (cuboid.LengthY() * 1.2) / 2.0 / angle;

  //檢視矩陣  
  var viewMatrix = new Matrix4(); // View matrix   
  viewMatrix.lookAt(0, 0, eyeHight, 0, 0, 0, 0, 1, 0);

  //MVP矩陣
  var mvpMatrix = new Matrix4();
  mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);

  //將MVP矩陣傳輸到著色器的uniform變數u_MvpMatrix
  gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);
}

//
function initVertexBuffers(gl, terrain) {
  //DEM的一個網格是由兩個三角形組成的
  //      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; //陣列中每個元素的位元組數

  // 建立緩衝區物件
  var vertexColorBuffer = gl.createBuffer();
  var indexBuffer = gl.createBuffer();
  if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) {
    console.log('Failed to create the buffer object');
    return -1;
  }

  // 將緩衝區物件繫結到目標
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);
  // 向緩衝區物件寫入資料
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);

  //獲取著色器中attribute變數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;
  }
  // 將緩衝區物件分配給a_Position變數
  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);

  // 連線a_Position變數與分配給它的緩衝區物件
  gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

  //獲取著色器中attribute變數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;
  }
  // 將緩衝區物件分配給a_Color變數
  gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);
  // 連線a_Color變數與分配給它的緩衝區物件
  gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

  // 將頂點索引寫入到緩衝區物件
  gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
  gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

  return indices.length;
}

主要作了以下三點的改動以使用紋理。

2.1. 準備紋理

在WebGL中,由於JS的非同步特性,需要在JS載入圖片完成之後,再把圖片當做紋理傳入著色器進行繪製,所以首先這裡定義了一個boolean全域性變數initTexSuccess來標識紋理影象是否載入完成。在繪製函式onDraw()中,增加了一個設定紋理函式initTextures()。最後,在重繪重新整理函式tick()中檢測initTexSuccess變數,如果完成,就進行繪製。

var initTexSuccess = false;       //紋理影象是否載入完成

//...

//繪製函式
function onDraw(gl, canvas, terrain) {

  //...

  //設定紋理
  if (!initTextures(gl)) {
    console.log('Failed to intialize the texture.');
    return;
  }

  //...

  //繪製函式
  var tick = function () {
    if (initTexSuccess) {
         //...
    }

    //請求瀏覽器呼叫tick
    requestAnimationFrame(tick);
  };

  //開始繪製
  tick();
}

在初始化紋理函式initTextures()中,首先給著色器傳入了X方向和Y方向上的實際座標(區域性座標系座標)範圍,這個範圍是用來計算紋理座標的。接著建立了一個Image物件,通過這個物件來載入影象。最後給影象載入編寫響應函式,一旦紋理配置函式loadTexture()成功,就設定initTexSuccess為true。

function initTextures(gl, terrain) {
  // 傳遞X方向和Y方向上的範圍到著色器
  var u_RangeX = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeX');
  var u_RangeY = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeY');
  if (!u_RangeX || !u_RangeY) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_RangeX or u_RangeY');
    return;
  }
  gl.uniform2f(u_RangeX, terrain.cuboid.minX, terrain.cuboid.maxX);
  gl.uniform2f(u_RangeY, terrain.cuboid.minY, terrain.cuboid.maxY);

  //建立一個image物件
  var image = new Image(); 
  if (!image) {
    console.log('Failed to create the image object');
    return false;
  }
  //影象載入的響應函式 
  image.onload = function () {
    if (loadTexture(gl, image)) {
      initTexSuccess = true;
    }
  };


  //瀏覽器開始載入影象
  image.src = 'tex.jpg';

  return true;
}

2.2. 配置紋理

在配置紋理函式loadTexture()中,首先建立了一個紋理物件,並將其繫結到0號紋理單元。WebGL至少支援8個紋理單元,內建的變數名形如gl.TEXTURE0、gl.TEXTURE1......gl.TEXTURE7。

function loadTexture(gl, image) {
  // 建立紋理物件
  var texture = gl.createTexture();
  if (!texture) {
    console.log('Failed to create the texture object');
    return false;
  }

  // 開啟0號紋理單元
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
  // 繫結紋理物件
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

  //...  

  return true;
}

接著通過gl.texParameteri()函式配置紋理的引數,這個函式規定了紋理在縮放時的插值方法,以及紋理填充時採用何種方式鋪填。這裡表示紋理縮放時採用線性插值,填充範圍不夠時採用紋理影象邊緣值進行填充:

function loadTexture(gl, image) {
  //...

  // 設定紋理引數
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);

  //...

  return true;
}

最後通過gl.texImage2D()函式將紋理物件分配給紋理物件。而該紋理物件已經與0號紋理單元繫結,因此直接將0號紋理單元作為Uniform變數傳遞給著色器:

function loadTexture(gl, image) {
  //...

  // 配置紋理影象
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);

  // 將0號單元紋理傳遞給著色器中的取樣器變數 
  var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');
  if (!u_Sampler) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_Sampler');
    return false;
  }
  gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

  return true;
}

2.3. 使用紋理

在頂點著色器中,將頂點座標值a_Position賦值為varying變數v_position,這個變數是用來傳遞給片元著色器的。

// 頂點著色器程式
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;\n' + //位置
  'attribute vec4 a_Color;\n' + //顏色
  'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' +
  'varying vec4 v_Color;\n' +
  'varying vec4 v_position;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  v_position = a_Position;\n' +
  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // 設定頂點座標
  '  v_Color = a_Color;\n' +
  '}\n';

經過內插,片元著色器接受到了每個片元對應的頂點座標v_position。由於這個值是根據實際的頂點座標(區域性座標系座標)內插的,所以這個值也是實際座標值。同時片元著色器也接收到了傳遞過來的紋理物件u_Sampler,可以通過texture2D()函式來獲取對應座標的畫素,將其作為片元最終值:

// 片元著色器程式
var FSHADER_SOURCE =
  'precision mediump float;\n' +
  'uniform vec2 u_RangeX;\n' + //X方向範圍
  'uniform vec2 u_RangeY;\n' + //Y方向範圍
  'uniform sampler2D u_Sampler;\n' +
  'varying vec4 v_Color;\n' +
  'varying vec4 v_position;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  vec2 v_TexCoord = vec2((v_position.x-u_RangeX[0]) / (u_RangeX[1]-u_RangeX[0]), 1.0-(v_position.y-u_RangeY[0]) / (u_RangeY[1]-u_RangeY[0]));\n' +
  '  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);\n' +
  '}\n';

上述程式碼可以看到並沒有直接用v_position來進行插值。這是因為紋理座標範圍是在0~1之間,需要經過一個紋理對映的換算。如圖所示,這是一個簡單的線性變換的過程:

3. 結果

用瀏覽器執行,最終的顯示結果如下,可以清楚的看到山川河流等紋理:

再次說明下這個例項用到了本地圖片,需要讓瀏覽器設定跨域或者建立伺服器在域內使用。

4. 參考

本來部分程式碼和插圖來自《WebGL程式設計指南》,原始碼連結:地址 。會在此共享目錄中持續更新後續的內