通过Three.js也许可以很方便的展示出3D模型,但是你知道它是怎么一步一步从构建网格到贴图到最终渲染出3D模型的吗?现在我们直接使用底层的webgl加上一点点的数学知识就可以实现它。

本节实现的效果: WebGL三维地球
WebGL三维地球

内容大纲

  1. 构建网格

  2. 编写着色器

  3. 实现3D地球

构建网格

首先我们要建立球体的三维模型,三维网格模型包括如下属性(不熟悉请复习webgl教程):

  • 顶点(position)
  • 法线(normal)
  • 贴图坐标(uv)
  • 顶点索引(indices)

最后要构建出如下所示的经纬球模型

经纬球

首先可以从xy平面构建圆形,接着再从xz平面将圆形转化为圆球,这其中只需使用到三角函数而已,是不是非常简单。

  • 法线使用的是顶点坐标,因为法线与顶点其实方向是一致的
  • 顶点索引为6个点,是因为每个面由两个三角形构成
  • 贴图uv坐标不需要深度信息,它对应上贴图的xy坐标即可

下面就是构建网格模型的基本逻辑:

const radius = 8;//半径
const n = 20;//经纬度格数
const position = [];//顶点
const normal = [];//法线
const texcoord = [];//uv坐标
const indices = [];//顶点索引
let x, y, z;

for (let i = 0; i < n; i++) {
const rad = Math.PI / n * i - Math.PI / 2;//从-90度开始计算
const r = radius * Math.cos(rad);
y = radius * Math.sin(rad);
for (let j = 0; j < n; j++) {
x = r * Math.sin(xRadian * j);
z = r * Math.cos(xRadian * j);
position.push(x, y, z);
texcoord.push(j / n, i / n);
normal.push(x, y, z); //顶点作为法线,法线从圆心360度放射
const c = i * (n + 1) + j
indices.push(c, c + 1, c + l + 1, c, c + l + 1, c + l);//平面的索引
}
}

编写着色器

和普通着色器相比,只是增加了uv坐标,uv直接通过顶点着色器差值透传到片段着色器即可,在片段着色器使用texture2D函数获取uv坐标对应的颜色,整体上也是比较基础。

// 顶点着色器
attribute vec4 aPosition;
attribute vec4 aNormal;
attribute vec2 aTexcoord;
uniform mat4 modelMatrix;
uniform mat4 vpMatrix;
varying vec3 fragPos;
varying vec3 fragNor;
varying vec2 texcoord;

void main() {
gl_Position = vpMatrix * modelMatrix * aPosition;
fragPos= vec3(modelMatrix * aPosition);
fragNor = vec3(modelMatrix * aNormal);
texcoord = aTexcoord;
}

// 片段着色器
precision mediump float;
uniform vec3 viewPos;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 ambientColor;
uniform sampler2D diffMap;
varying vec3 fragPos;
varying vec3 fragNor;
varying vec2 texcoord;

void main() {
vec3 normal = normalize(fragNor);
vec3 color = texture2D(diffMap, texcoord).rgb;

// 光线方向
vec3 lightDir = normalize(lightPos - fragPos);
// 光线方向和法向量夹角
float cosTheta = max(dot(lightDir, normal), 0.0);
// 漫反射
vec3 diffuse = lightColor * color * cosTheta;

// 环境光
// ...
// 高光
// ...

gl_FragColor = vec4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}

实现3D地球

最后实现部分就和之前的webgl基本逻辑一致,不过要准备好地球贴图

地图

图片加载完将构建好的贴图sampler传入着色器即可,其他都是基础业务逻辑,不再详述,这样我们就将三维地球实现了

//...
const vpMatrix = m4.identity();
const uniforms = {
modelMatrix: m4.identity(),
lightPos: [20, 0, -20],
lightColor: [1, 1, 1],
ambientColor: [0.5, 0.5, 0.5],
};

gl.clearColor(0.1, 0.1, 0.1, 1);
gl.enable(gl.DEPTH_TEST);//深度测试
gl.enable(gl.CULL_FACE);//背面剔除
gl.viewport(0, 0, canvas.width, canvas.height); //设置绘图区域
gl.useProgram(program.program);

function animate() {
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
m4.multiply(projection, m4.inverse(m4.lookAt(eye, [0, 0, 0], [0, 1, 0])), vpMatrix);
setBuffersAndAttributes(gl, vao);
setUniforms(program, { vpMatrix });
drawBufferInfo(gl, vao);
gl.bindVertexArray(null);

requestAnimationFrame(animate);
};

//加载贴图后执行
createTexture(gl, { src: '/img/earth.jpg', flipY: true }, texture => {
uniforms.diffMap = texture;
setUniforms(program, uniforms );
animate();
});