一起学 WebGL：绘制立方体

大家好，我是前端西瓜哥。

之前我们绘制三角形，是一个二维的图形。

现在我们来绘制一个立方体，其实本质和绘制二维图形是一样，也是绘制三角形，只是绘制很多个，然后组合起来，作为立方体的几个面，拼在一起就是一个立方体了。

绘制三角形，我们用的 API 是：

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, n);

那画一个立方体，假设选择 gl.TRIANGLE_FAN 图元模式，也就是画 6 个面，每个面有 4 个点。所以我们需要定义 24 个点。

这其实重复定义了顶点，因为一个立方体也就 8 个点，数据是有冗余的。

WebGL 提供了 gl.drawElements() 方法，通过索引值映射的方式来解决这个问题。

首先定义立方体的 8 个顶点（我们命名为 v0 到 v7）的位置和颜色。

const verticesColors = new Float32Array([
  1, 1, 1,     1, 1, 1, // 点 0 白
  -1, 1, 1,    1, 0, 1, // 点 1 品红
  -1, -1, 1,   1, 0, 0, // 点 2 红
  1, -1, 1,    1, 1, 0, // 点 3 黄

  1, -1, -1,   0, 1, 0, // 点 4 绿色
  1, 1, -1,    0, 1, 1, // 点 5 青色
  -1, 1, -1,   0, 0, 1, // 点 6 蓝色
  -1, -1, -1,  0, 0, 0, // 点 7 黑色
]);

然后用索引值构造好 6 个面，每个面 2 个三角形：

const indices = new Uint8Array([
  0, 1, 2, 0, 2, 3, // 正面
  0, 3, 4, 0, 4, 5, // 右面
  0, 5, 6, 0, 6, 1, // 上面
  1, 6, 7, 1, 7, 2, // 左面
  7, 4, 3, 7, 3, 2, // 下面
  4, 7, 6, 4, 6, 5, // 背面
]);

和顶点数据类似，索引值也要创建一个缓冲区，并进行绑定，绑定目标变成了 gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER 上。

const indexBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

最后调用 gl.drawElements 方法进行绘制。这里要传入 indices 数组的长度，WebGL 就会读取索引值得到对应的顶点信息去一个个绘制三角形啦。

gl.drawElements(gl.TRIANGLES, indices.length, gl.UNSIGNED_BYTE, 0);

绘制结果：

完整代码：

// Create a cube
//    v6----- v5
//   /|      /|
//  v1------v0|
//  | |     | |
//  | |v7---|-|v4
//  |/      |/
//  v2------v3

/** @type {HTMLCanvasElement} */
const canvas = document.querySelector('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');
const infoDiv = document.createElement('div');
document.body.appendChild(infoDiv);

const vertexShaderSrc = `
attribute vec4 a_Position;
attribute vec4 a_Color;
uniform mat4 u_ViewMatrix;  // 视图矩阵
uniform mat4 u_ProjMatrix; // 正射投影矩阵
mat4 u_MvpMatrix = u_ProjMatrix * u_ViewMatrix;
varying vec4 v_Color;
void main() {
 gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;
 v_Color = a_Color;
}
`;

const fragmentShaderSrc = `
precision highp float;
varying vec4 v_Color;
void main() {
  gl_FragColor = v_Color;
}
`;

/**** 渲染器生成处理 ****/
// 创建顶点渲染器
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertexShaderSrc);
gl.compileShader(vertexShader);
// 创建片元渲染器
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSrc);
gl.compileShader(fragmentShader);
// 程序对象
const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
gl.useProgram(program);
gl.program = program;

// prettier-ignore
const verticesColors = new Float32Array([
  1, 1, 1,     1, 1, 1, // 点 0 白
  -1, 1, 1,    1, 0, 1, // 点 1 品红
  -1, -1, 1,   1, 0, 0, // 点 2 红
  1, -1, 1,    1, 1, 0, // 点 3 黄

  1, -1, -1,   0, 1, 0, // 点 4 绿色
  1, 1, -1,    0, 1, 1, // 点 5 青色
  -1, 1, -1,   0, 0, 1, // 点 6 蓝色
  -1, -1, -1,  0, 0, 0, // 点 7 黑色
]);

// prettier-ignore
const indices = new Uint8Array([
  0, 1, 2, 0, 2, 3, // 正面
  0, 3, 4, 0, 4, 5, // 右面
  0, 5, 6, 0, 6, 1, // 上面
  1, 6, 7, 1, 7, 2, // 左面
  7, 4, 3, 7, 3, 2, // 下面
  4, 7, 6, 4, 6, 5, // 背面
]);

// 每个数组元素的字节数
const SIZE = verticesColors.BYTES_PER_ELEMENT;
// 创建缓存对象
const vertexColorBuffer = gl.createBuffer();
const indexBuffer = gl.createBuffer();

gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);

gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

// 获取 a_Position 变量地址
const a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
const a_Color = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Color');
/****** 正射投影 ******/
const u_ViewMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_ViewMatrix');

// prettier-ignore
const viewMatrix = createViewMatrix(
  3, 4, 8, // 观察点
  0, 0, 0, // 视点
  0, 1, 0 // 上方向
)
gl.uniformMatrix4fv(u_ViewMatrix, false, viewMatrix);

/****** 正射投影 ******/
const u_ProjMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_ProjMatrix');
// prettier-ignore
const projMatrix = createPerspective(
  30, canvas.width / canvas.height, 1, 100
)
gl.uniformMatrix4fv(u_ProjMatrix, false, projMatrix);

gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, SIZE * 6, 0);
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, SIZE * 6, SIZE * 3);
gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

/*** 绘制 ***/
// 清空画布，并指定颜色
gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
gl.enable(gl.DEPTH_TEST); // 启动深度检测，处理错误的像素覆盖问题

gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
// 绘制三角形
// gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 8);
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, indices.length, gl.UNSIGNED_BYTE, 0);

/************ 后面都是一些工具类方法 ******/

/**** 构造视图矩阵 ****/
function createViewMatrix(eyeX, eyeY, eyeZ, atX, atY, atZ, upX, upY, upZ) {
  const normalize = (v) => {
    const length = Math.sqrt(v[0] * v[0] + v[1] * v[1] + v[2] * v[2]);
    return [v[0] / length, v[1] / length, v[2] / length];
  };
  const subtract = (v1, v2) => {
    return [v1[0] - v2[0], v1[1] - v2[1], v1[2] - v2[2]];
  };
  const cross = (v1, v2) => {
    return [
      v1[1] * v2[2] - v1[2] * v2[1],
      v1[2] * v2[0] - v1[0] * v2[2],
      v1[0] * v2[1] - v1[1] * v2[0],
    ];
  };

  const zAxis = normalize(subtract([eyeX, eyeY, eyeZ], [atX, atY, atZ]));
  const xAxis = normalize(cross([upX, upY, upZ], zAxis));
  const yAxis = normalize(cross(zAxis, xAxis));

  return new Float32Array([
    xAxis[0],
    yAxis[0],
    zAxis[0],
    0,
    xAxis[1],
    yAxis[1],
    zAxis[1],
    0,
    xAxis[2],
    yAxis[2],
    zAxis[2],
    0,
    -(xAxis[0] * eyeX + xAxis[1] * eyeY + xAxis[2] * eyeZ),
    -(yAxis[0] * eyeX + yAxis[1] * eyeY + yAxis[2] * eyeZ),
    -(zAxis[0] * eyeX + zAxis[1] * eyeY + zAxis[2] * eyeZ),
    1,
  ]);
}

function angleToRadian(angle) {
  return (Math.PI * angle) / 180;
}

/***** 构建透视矩阵 *****/
function createPerspective(fov, aspect, near, far) {
  fov = angleToRadian(fov); // 角度转弧度
  const f = 1.0 / Math.tan(fov / 2);
  const nf = 1 / (near - far);
  // prettier-ignore
  return new Float32Array([
    f / aspect, 0, 0, 0,
    0, f, 0, 0,
    0, 0, (far + near) * nf, -1,
    0, 0, 2 * far * near * nf, 0,
  ]);
}

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