三维模型环境光照射实现(WebGL进阶03)

三维模型环境光照射实现

1. demo效果

三维模型环境光照射实现(WebGL进阶03)
上图是平行光照射下效果
三维模型环境光照射实现(WebGL进阶03)
上图是平行光+环境光照射下效果

2. 环境光介绍

上一篇文章我们学习了如何使用平行光,在现实世界中除了有平行光(太阳光),还会存在环境光(平行光在屋子墙面上来回反射,可以从四面八方射向物体),平行光有一个缺点,就是没有完全暴露在光线下的部分就是一片漆黑。如果正好是黑色背景,有可能会与黑色背景融为一体,看不到模型的真实的轮廓。
而环境光则会照亮一切,会帮助你把平行光无法照亮的地方也照亮

3. 实现要点

有了上一篇文章的代码,这一次变得非常简单,只需要在原来的基础上添加环境光即可

3.1 顶点着色器调整

在顶点着色器中只需要声明存放环境光颜色的变量,然后在main函数中将环境光与之前计算的平行光相加

//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
  uniform mat4 uInvMatrix;//模型坐标变换矩阵的逆矩阵
  uniform vec3 uLightDirection;//平行光方向
  uniform vec3 u_directLightColor;//平行光颜色
  uniform vec4 u_ambientLightColor;//环境光颜色
  varying vec4 vColor; //向片元着色器传值颜色信息
  void main(){
    vec3 invLight = normalize(uInvMatrix*vec4(uLightDirection,0.0)).xyz;
    float diffuse = clamp(dot(normal,invLight),0.0,1.0);
    vColor = color*vec4(vec3(u_directLightColor),1.0)*vec4(vec3(diffuse),1.0)+u_ambientLightColor;//平行光与环境光叠加
    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
  }
  `

3.2 向着色器中传值环境光颜色

只需要获取存放环境光颜色变量的存储地址,然后向该地址传值颜色

//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、平行光颜色、平行光方向、环境光颜色
var uniformLocations = {
  uMvpMatrix: gl.getUniformLocation(prg, 'uMvpMatrix'),
  uInvMatrix: gl.getUniformLocation(prg, 'uInvMatrix'),
  uDirectLightColor: gl.getUniformLocation(prg, 'u_directLightColor'),
  uLightDirection: gl.getUniformLocation(prg, 'uLightDirection'),
  uAmbientLightColor: gl.getUniformLocation(prg, 'u_ambientLightColor'),
}


//给顶点着色器uniform变量u_ambientLightColor- 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)

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
      uniform mat4 uInvMatrix;//模型坐标变换矩阵的逆矩阵
      uniform vec3 uLightDirection;//平行光方向
      uniform vec3 u_directLightColor;//平行光颜色
      uniform vec4 u_ambientLightColor;//环境光颜色
      varying vec4 vColor; //向片元着色器传值颜色信息
      void main(){
        vec3 invLight = normalize(uInvMatrix*vec4(uLightDirection,0.0)).xyz;
        float diffuse = clamp(dot(normal,invLight),0.0,1.0);
        vColor = color*vec4(vec3(u_directLightColor),1.0)*vec4(vec3(diffuse),1.0)+u_ambientLightColor;//平行光与环境光叠加
        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
      varying vec4 vColor; //接收顶点着色器传送的颜色信息
      void main(){
       gl_FragColor = vColor; //将接收的颜色信息赋值给内置变量gl_FragColor
      }
      `

    onl oad = 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、平行光颜色、平行光方向、环境光颜色
      var uniformLocations = {
        uMvpMatrix: gl.getUniformLocation(prg, 'uMvpMatrix'),
        uInvMatrix: gl.getUniformLocation(prg, 'uInvMatrix'),
        uDirectLightColor: gl.getUniformLocation(prg, 'u_directLightColor'),
        uLightDirection: gl.getUniformLocation(prg, 'uLightDirection'),
        uAmbientLightColor: gl.getUniformLocation(prg, 'u_ambientLightColor'),

      }

      //给顶点着色器uniform变量u_directLightColor- 平行光颜色传值(1.0,1.0,1.0)
      gl.uniform3f(uniformLocations.uDirectLightColor, 1.0, 1.0, 1.0)

      //给顶点着色器uniform变量u_ambientLightColor- 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)


      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
      var lightDirection = [0, 30, 40]; //光照方向

      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

      (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
        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、光线方向uLightDirection
        gl.uniformMatrix4fv(uniformLocations.uMvpMatrix, false, g_MvpMatrix.elements);
        gl.uniformMatrix4fv(uniformLocations.uInvMatrix, false, invMatrix.elements);
        gl.uniform3fv(uniformLocations.uLightDirection, lightDirection)



        //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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