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WebGL之绘制三维地球

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之绘制三维地球

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

WebGL之绘制三维地球

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

WebGL之绘制三维地球

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(); });  
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