WebGL学习(3) - 3D模型

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。

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。

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 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;
}

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

precision mediump float;
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

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 =  lightColor.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。