WebGL三维模型实现Phong着色
1. demo效果
2. Phong着色与Gouraud 着色
通过前面几篇文章，大致知道典型的照明技术有三种：漫反射光（diffuse light）、环境光（ambient light）和反射光（specular light）。通过与它们组合使用可以实现更加逼真的照明效果。
2.1Gouraud 着色
前几篇文章的光照实现都是在顶点着色器实现的，会对每个三角形的顶点进行一次着色，这样的着色称为Gouraud 着色，Gouraud 着色时颜色信息从顶点着色器传向片元着色器的过程中会进行颜色插值，因此在颜色变化的边界处可能会出现锯齿。尤其是在顶点数比较少的时候。下图是Gouraud 着色的效果，可以看到红色框内的阴影有些许锯齿
2.2 Phong 着色
Gouraud着色是在顶点着色器处理处理完成在向片元着色器传输的过程中会进行颜色插值，Phong 着色是直接在片元着色器处理，是对每个像素进行颜色插值。与Gouraud着色相比，Phong 着色使用逐像素颜色插值来消除不自然的锯齿，计算量会大一些，但在相同顶点数量的情况下，可以获得更加平滑的阴影和更美丽自然的高光。下图是使用Phong着色实现的效果，可以与Gouraud着色的效果对比一下
Phong着色效果
Gouraud着色效果
3. 实现要点
与上一篇文章相比，这一次将计算光的过程放在了片元着色器中，但是在顶点着色器中需要定义varying变量vNormal和vColor向片元着色器中传值法线信息和顶点颜色信息
//顶点着色器
var VSHADER_SOURCE = `
attribute vec3 position; //顶点位置信息
attribute vec4 color; //颜色
attribute vec3 normal; //法线
uniform mat4 uMvpMatrix; //模型视图投影矩阵
varying vec3 vNormal; //向片元着色器传值法线信息
varying vec4 vColor; //向片元着色器传值颜色信息
void main(){
vNormal = normal;
vColor = color;
gl_Position = uMvpMatrix*vec4(position,1.0); //将模型视图投影矩阵与顶点坐标相乘赋值给顶点着色器内置变量gl_Position
}
`
在片元着色器中接收顶点着色器传来的法线信息和顶点颜色信息，然后分别计算慢反射光、反射光，并与接收到的环境颜色，使用公式：颜色 = 顶点颜色 * 漫反射光 + 反射光 + 环境光 计算着色使用的颜色
//片元着色器
var FSHADER_SOURCE = `
#ifdef GL_ES
precision mediump float; // 设置float类型为中精度
#endif
uniform mat4 uInvMatrix;//模型坐标变换矩阵的逆矩阵
uniform vec3 uLightDirection;//平行光方向
uniform vec4 uAmbientLightColor;//环境光颜色
uniform vec3 uEyeDirection;//视点方向
varying vec3 vNormal; //接收法线信息
varying vec4 vColor; //接收颜色信息
void main(){
vec3 invLight = normalize(uInvMatrix*vec4(uLightDirection,0.0)).xyz;
vec3 invEye = normalize(uInvMatrix*vec4(uEyeDirection,0.0)).xyz;
vec3 halfLE = normalize(invLight + invEye);//半程向量
float diffuse = clamp(dot(vNormal,invLight),0.0,1.0);//将结果限定在0.0~1.0内
float specular = pow(clamp(dot(vNormal, halfLE), 0.0, 1.0), 50.0);//计算高光
//颜色 = 顶点颜色 * 漫反射光 + 反射光 + 环境光
vec4 destColor = vColor*vec4(vec3(diffuse),1.0) + vec4(vec3(specular), 1.0)+uAmbientLightColor;
gl_FragColor = destColor;//将计算的颜色信息赋值给内置变量gl_FragColor
}
`
4. demo代码
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title></title>
</head>
<body>
<!--通过canvas标签创建一个800px*800px大小的画布-->
<canvas id="webgl" width="800" height="800"></canvas>
<script type="text/javascript" src="./lib/cuon-matrix.js"></script>
<script>
//顶点着色器
var VSHADER_SOURCE = `
attribute vec3 position; //顶点位置信息
attribute vec4 color; //颜色
attribute vec3 normal; //法线
uniform mat4 uMvpMatrix; //模型视图投影矩阵
varying vec3 vNormal; //向片元着色器传值法线信息
varying vec4 vColor; //向片元着色器传值颜色信息
void main(){
vNormal = normal;
vColor = color;
gl_Position = uMvpMatrix*vec4(position,1.0); //将模型视图投影矩阵与顶点坐标相乘赋值给顶点着色器内置变量gl_Position
}
`
//片元着色器
var FSHADER_SOURCE = `
#ifdef GL_ES
precision mediump float; // 设置float类型为中精度
#endif
uniform mat4 uInvMatrix;//模型坐标变换矩阵的逆矩阵
uniform vec3 uLightDirection;//平行光方向
uniform vec4 uAmbientLightColor;//环境光颜色
uniform vec3 uEyeDirection;//视点方向
varying vec3 vNormal; //接收法线信息
varying vec4 vColor; //接收颜色信息
void main(){
vec3 invLight = normalize(uInvMatrix*vec4(uLightDirection,0.0)).xyz;
vec3 invEye = normalize(uInvMatrix*vec4(uEyeDirection,0.0)).xyz;
vec3 halfLE = normalize(invLight + invEye);//半程向量
float diffuse = clamp(dot(vNormal,invLight),0.0,1.0);//将结果限定在0.0~1.0内
float specular = pow(clamp(dot(vNormal, halfLE), 0.0, 1.0), 50.0);//计算高光
//颜色 = 顶点颜色 * 漫反射光 + 反射光 + 环境光
vec4 destColor = vColor*vec4(vec3(diffuse),1.0) + vec4(vec3(specular), 1.0)+uAmbientLightColor;
gl_FragColor = destColor;//将计算的颜色信息赋值给内置变量gl_FragColor
}
`
onload = function () {
//通过getElementById()方法获取canvas画布
var canvas = document.getElementById('webgl');
//通过方法getContext()获取WebGL上下文
var gl = canvas.getContext('webgl') || canvas.getContext('experimental-webgl');
//创建程序对象
var prg = createProgram(VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE);
//获取顶点位置、法线、颜色的存储地址
var attLocations = {
position: gl.getAttribLocation(prg, 'position'),
normal: gl.getAttribLocation(prg, 'normal'),
color: gl.getAttribLocation(prg, 'color'),
}
//每个顶点属性的大小(分量数)
var attStrides = {
position: 3,
normal: 3,
color: 4,
}
// 生成绘制甜圈圈的信息
var torusData = torus(50, 50, 3.0, 8.0);
var position = torusData[0];
var normal = torusData[1];
var color = torusData[2];
var index = torusData[3];
// 创建存放顶点、法线、颜色的VBO
var vbos = {
position: create_vbo(position),
normal: create_vbo(normal),
color: create_vbo(color),
}
// 设置VBO
set_attribute(vbos, attLocations, attStrides);
// 创建IBO
var ibo = create_ibo(index);
// IBO绑定
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, ibo);
//获取uniform变量模型视图投影矩阵、模型坐标变换矩阵的逆矩阵、平行光方向、环境光颜色、视角方向
var uniformLocations = {
uMvpMatrix: gl.getUniformLocation(prg, 'uMvpMatrix'),
uInvMatrix: gl.getUniformLocation(prg, 'uInvMatrix'),
uLightDirection: gl.getUniformLocation(prg, 'uLightDirection'),
uAmbientLightColor: gl.getUniformLocation(prg, 'uAmbientLightColor'),
uEyeDirection: gl.getUniformLocation(prg, 'uEyeDirection'),
}
//给顶点着色器uniform变量uLightDirection-平行光方向传值[-2.5, 3.5, 0.5]
gl.uniform3fv(uniformLocations.uLightDirection, [-2.5, 3.5, 0.5]);
//给顶点着色器uniform变量uAmbientLightColor- 环境光颜色传值(0.2, 0.1, 0.2, 1.0)
gl.uniform4f(uniformLocations.uAmbientLightColor, 0.2, 0.1, 0.2, 1.0);
//给顶点着色器uniform变量uEyeDirection-视点方向传值[0.0, 0.0, 20.0]
gl.uniform3fv(uniformLocations.uEyeDirection, [0.0, 0.0, 20.0]);
var currentAngle = [0.0, 0.0]; //当前旋转的角度[x-axis, y-axis]
var g_MvpMatrix = new Matrix4(); //模型视图投影矩阵
var viewProjMatrix = new Matrix4(); //创建视图投影矩阵
var modelMatrix = new Matrix4(); //创建模型矩阵
var invMatrix = new Matrix4(); //创建模型矩阵
viewProjMatrix.setPerspective(45.0, canvas.width / canvas.height, 1.0, 100.0);
viewProjMatrix.lookAt(0.0, 20.0, 30.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
gl.enable(gl.DEPTH_TEST); //开启隐藏面消除
gl.depthFunc(gl.LEQUAL); //如果传入值小于或等于深度缓冲区值，则通过
gl.enable(gl.CULL_FACE); //激活多边形正反面剔除
var rotateSpeed = 0.1; // 自动旋转速度
(function tick() {
// gl初始化
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); //指定调用 clear() 方法时使用的颜色值
gl.clearDepth(1.0); //设置深度清除值
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT); //清空颜色和深度缓冲区
//计算模型视图投影矩阵
g_MvpMatrix.set(viewProjMatrix); //设置视图投影矩阵
modelMatrix.setRotate(currentAngle[0], 1.0, 0.0, 0.0); //沿X轴旋转设置矩阵
modelMatrix.rotate(currentAngle[1], 0.0, 1.0, 0.0); //沿Y轴旋转设置矩阵
rotateSpeed += 0.3;
//modelMatrix.rotate(rotateSpeed, 0.0, 1.0, 1.0); //更新旋转矩阵
g_MvpMatrix.multiply(modelMatrix) //相乘模型变换矩阵
//计算模型坐标变换矩阵的逆矩阵
invMatrix.setInverseOf(modelMatrix)
//向着色器传值模型视图投影矩阵uMvpMatrix、模型坐标变换矩阵的逆矩阵uInvMatrix
gl.uniformMatrix4fv(uniformLocations.uMvpMatrix, false, g_MvpMatrix.elements);
gl.uniformMatrix4fv(uniformLocations.uInvMatrix, false, invMatrix.elements);
//绘图
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, index.length, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
gl.flush();
requestAnimationFrame(tick)
})();
initEventHandlers(canvas, currentAngle) //注册鼠标事件
//创建程序对象
function createProgram(vshader, fshader) {
//创建顶点着色器对象
var vertexShader = loadShader(gl.VERTEX_SHADER, vshader);
//创建片元着色器对象
var fragmentShader = loadShader(gl.FRAGMENT_SHADER, fshader);
if (!vertexShader || !fragmentShader) {
return null
}
//创建程序对象program
var program = gl.createProgram();
if (!gl.createProgram()) {
return null
}
//分配顶点着色器和片元着色器到program
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
//链接program
gl.linkProgram(program);
//检查程序对象是否连接成功
var linked = gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS);
if (!linked) {
var error = gl.getProgramInfoLog(program);
console.log('程序对象连接失败: ' + error);
gl.deleteProgram(program);
gl.deleteShader(fragmentShader);
gl.deleteShader(vertexShader);
return null
}
//使用program
gl.useProgram(program);
gl.program = program;
//返回程序program对象
return program
}
function loadShader(type, source) {
// 创建顶点着色器对象
var shader = gl.createShader(type);
if (shader == null) {
console.log('创建着色器失败');
return null
}
// 引入着色器源代码
gl.shaderSource(shader, source);
// 编译着色器
gl.compileShader(shader);
// 检查顶是否编译成功
var compiled = gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS);
if (!compiled) {
var error = gl.getShaderInfoLog(shader);
console.log('编译着色器失败: ' + error);
gl.deleteShader(shader);
return null
}
return shader
}
function initEventHandlers(canvas, currentAngle) {
var dragging = false; //默认鼠标拖动不旋转物体
var lastX = -1,
lastY = -1; //鼠标最后的位置
canvas.onmousedown = function (ev) { //注册鼠标按下事件
var x = ev.clientX,
y = ev.clientY;
//鼠标在物体上开始拖动
var rect = ev.target.getBoundingClientRect();
if (rect.left <= x && x < rect.right && rect.top <= y && y < rect.bottom) {
lastX = x;
lastY = y;
dragging = true;
}
}
//鼠标松开拖动结束
canvas.onmouseup = function (ev) {
dragging = false;
}
canvas.onmousemove = function (ev) { //注册鼠标移动事件
var x = ev.clientX,
y = ev.clientY;
if (dragging) {
var factor = 100 / canvas.height; //旋转因子
var dx = factor * (x - lastX);
var dy = factor * (y - lastY);
//沿Y轴的旋转角度控制在-90到90度之间
currentAngle[0] = Math.max(Math.min(currentAngle[0] + dy, 90.0), -90.0);
currentAngle[1] = currentAngle[1] + dx;
}
lastX = x;
lastY = y;
}
}
// 创建VBO
function create_vbo(data) {
//创建缓冲区对象
var vbo = gl.createBuffer();
//绑定缓冲区到ARRAY_BUFFER
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo);
//将数据写入缓冲区对象
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(data), gl.STATIC_DRAW);
//解绑缓冲区
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);
return vbo
}
// 向VBO写入数据
function set_attribute(vbo, attLocation, attStride) {
for (var key in vbo) {
//绑定缓冲区到ARRAY_BUFFER
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo[key]);
//分配缓存区到指定地址
gl.vertexAttribPointer(attLocation[key], attStride[key], gl.FLOAT, false, 0, 0);
//开启缓冲区
gl.enableVertexAttribArray(attLocation[key]);
}
}
// 创建IBO
function create_ibo(data) {
//创建缓冲区对象
var ibo = gl.createBuffer();
//绑定缓冲区到ELEMENT_ARRAY_BUFFER
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, ibo);
//将数据写入缓冲区对象
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, new Int16Array(data), gl.STATIC_DRAW);
//解绑缓冲区
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, null);
return ibo;
}
//生成甜圈圈
//第一个参数表示管道截面圆分段数，第二个参数表示管道圆的分段数，
//第三个参数管道截面圆的半径。第四个参数表示从管道中心到管道截面圆中心的距离
function torus(row, column, irad, orad) {
var position = new Array(),
normal = new Array(),
color = new Array(),
index = new Array();
for (var i = 0; i <= row; i++) {
var r = Math.PI * 2 / row * i; //管道圆上每个分段的弧度
var rr = Math.cos(r);
var ry = Math.sin(r);
for (var ii = 0; ii <= column; ii++) {
var tr = Math.PI * 2 / column * ii;
//每个顶点位置的x、y、z分量
var tx = (rr * irad + orad) * Math.cos(tr);
var ty = ry * irad;
var tz = (rr * irad + orad) * Math.sin(tr);
var rx = rr * Math.cos(tr);
var rz = rr * Math.sin(tr);
position.push(tx, ty, tz);
normal.push(rx, ry, rz);
var tc = hsva(360 / column * ii, 1, 1, 1);
color.push(tc[0], tc[1], tc[2], tc[3]);
}
}
for (i = 0; i < row; i++) {
for (ii = 0; ii < column; ii++) {
r = (column + 1) * i + ii;
index.push(r, r + column + 1, r + 1);
index.push(r + column + 1, r + column + 2, r + 1);
}
}
return [position, normal, color, index];
}
//将HSV颜色转换为RGB颜色
function hsva(h, s, v, a) {
if (s > 1 || v > 1 || a > 1) {
return;
}
var th = h % 360;
var i = Math.floor(th / 60);
var f = th / 60 - i;
var m = v * (1 - s);
var n = v * (1 - s * f);
var k = v * (1 - s * (1 - f));
var color = new Array();
if (!s > 0 && !s < 0) {
color.push(v, v, v, a);
} else {
var r = new Array(v, n, m, m, k, v);
var g = new Array(k, v, v, n, m, m);
var b = new Array(m, m, k, v, v, n);
color.push(r[i], g[i], b[i], a);
}
return color;
}
}
</script>
</body>
</html>
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THE END
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