WebGL简易教程(十一)：纹理

目录

• 1. 概述
• 2. 实例
  • 2.1. 准备纹理
  • 2.2. 配置纹理
  • 2.3. 使用纹理
• 3. 结果
• 4. 参考

1. 概述

在之前的之前的教程《WebGL简易教程(九)：综合实例：地形的绘制》中，绘制了一个带颜色的地形场景。地形的颜色是根据高程赋予的RGB值，通过不同的颜色来表示地形的起伏，这是表达地形渲染的一种方式。除此之外，还可以将拍摄得到的数字影像，贴到地形上面，得到更逼真的地形效果。这就要用到我们这一章的新知识——纹理了。

这里用到的纹理图像，是一张从GoogleEarth上下载的卫星影像DOM.tif，其范围正好覆盖地形数据。为了方便使用，特意将其转换为JPG格式的影像：tex.jpg。并放到与HTML和JS同目录下。用图像查看软件打开图像的显示效果为：

注意，在大部分浏览器（如chrome）中，基于安全策略是不允许访问本地文件的。WebGL的纹理需要用到本地的图像，所以需要将浏览器设置成支持跨域访问或者建立服务器在域内使用。

2. 实例

基于《WebGL简易教程(九)：综合实例：地形的绘制》中的JS代码进行改进：

// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;
' + //位置
  'attribute vec4 a_Color;
' + //颜色
  'uniform mat4 u_MvpMatrix;
' +
  'varying vec4 v_Color;
' +
  'varying vec4 v_position;
' +
  'void main() {
' +
  '  v_position = a_Position;
' +
  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;
' + // 设置顶点坐标
  '  v_Color = a_Color;
' +
  '}
';

// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
  'precision mediump float;
' +
  'uniform vec2 u_RangeX;
' + //X方向范围
  'uniform vec2 u_RangeY;
' + //Y方向范围
  'uniform sampler2D u_Sampler;
' +
  'varying vec4 v_Color;
' +
  'varying vec4 v_position;
' +
  'void main() {
' +
  '  vec2 v_TexCoord = vec2((v_position.x-u_RangeX[0]) / (u_RangeX[1]-u_RangeX[0]), 1.0-(v_position.y-u_RangeY[0]) / (u_RangeY[1]-u_RangeY[0]));
' +
  '  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);
' +
  '}
';

//定义一个矩形体：混合构造函数原型模式
function Cuboid(minX, maxX, minY, maxY, minZ, maxZ) {
  this.minX = minX;
  this.maxX = maxX;
  this.minY = minY;
  this.maxY = maxY;
  this.minZ = minZ;
  this.maxZ = maxZ;
}

Cuboid.prototype = {
  constructor: Cuboid,
  CenterX: function () {
    return (this.minX + this.maxX) / 2.0;
  },
  CenterY: function () {
    return (this.minY + this.maxY) / 2.0;
  },
  CenterZ: function () {
    return (this.minZ + this.maxZ) / 2.0;
  },
  LengthX: function () {
    return (this.maxX - this.minX);
  },
  LengthY: function () {
    return (this.maxY - this.minY);
  }
}

//定义DEM
function Terrain() { }
Terrain.prototype = {
  constructor: Terrain,
  setWH: function (col, row) {
    this.col = col;
    this.row = row;
  }
}

var currentAngle = [0.0, 0.0]; // 绕X轴Y轴的旋转角度 ([x-axis, y-axis])
var curScale = 1.0; //当前的缩放比例
var initTexSuccess = false; //纹理图像是否加载完成

function main() {
  var demFile = document.getElementById('demFile');
  if (!demFile) {
    console.log("Failed to get demFile element!");
    return;
  }

  //加载文件后的事件
  demFile.addEventListener("change", function (event) {
    //判断浏览器是否支持FileReader接口
    if (typeof FileReader == 'undefined') {
      console.log("你的浏览器不支持FileReader接口！");
      return;
    }

    //读取文件后的事件
    var reader = new FileReader();
    reader.onload = function () {
      if (reader.result) {
        var terrain = new Terrain();
        if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {
          console.log("文件格式有误，不能读取该文件！");
        }

        //绘制函数
        onDraw(gl, canvas, terrain);
      }
    }

    var input = event.target;
    reader.readAsText(input.files[0]);
  });

  // 获取 <canvas> 元素
  var canvas = document.getElementById('webgl');

  // 获取WebGL渲染上下文
  var gl = getWebGLContext(canvas);
  if (!gl) {
    console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
    return;
  }

  // 初始化着色器
  if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
    console.log('Failed to intialize shaders.');
    return;
  }

  // 指定清空<canvas>的颜色
  gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

  // 开启深度测试
  gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

  //清空颜色和深度缓冲区
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
}

//绘制函数
function onDraw(gl, canvas, terrain) {
  // 设置顶点位置
  //var cuboid = new Cuboid(399589.072, 400469.072, 3995118.062, 3997558.062, 732, 1268); 
  var n = initVertexBuffers(gl, terrain);
  if (n < 0) {
    console.log('Failed to set the positions of the vertices');
    return;
  }

  //设置纹理
  if (!initTextures(gl, terrain)) {
    console.log('Failed to intialize the texture.');
    return;
  }

  //注册鼠标事件
  initEventHandlers(canvas);

  //绘制函数
  var tick = function () {
    if (initTexSuccess) {
      //设置MVP矩阵
      setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid);

      //清空颜色和深度缓冲区
      gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

      //绘制矩形体
      gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
      //gl.drawArrays(gl.Points, 0, n);
    }

    //请求浏览器调用tick
    requestAnimationFrame(tick);
  };

  //开始绘制
  tick();
}

function initTextures(gl, terrain) {
  // 传递X方向和Y方向上的范围到着色器
  var u_RangeX = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeX');
  var u_RangeY = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeY');
  if (!u_RangeX || !u_RangeY) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_RangeX or u_RangeY');
    return;
  }
  gl.uniform2f(u_RangeX, terrain.cuboid.minX, terrain.cuboid.maxX);
  gl.uniform2f(u_RangeY, terrain.cuboid.minY, terrain.cuboid.maxY);

  //创建一个image对象
  var image = new Image();
  if (!image) {
    console.log('Failed to create the image object');
    return false;
  }
  //图像加载的响应函数 
  image.onload = function () {
    if (loadTexture(gl, image)) {
      initTexSuccess = true;
    }
  };

  //浏览器开始加载图像
  image.src = 'tex.jpg';

  return true;
}

function loadTexture(gl, image) {
  // 创建纹理对象
  var texture = gl.createTexture();
  if (!texture) {
    console.log('Failed to create the texture object');
    return false;
  }

  // 开启0号纹理单元
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
  // 绑定纹理对象
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

  // 设置纹理参数
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);

  // 配置纹理图像
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);

  // 将0号单元纹理传递给着色器中的取样器变量 
  var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');
  if (!u_Sampler) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_Sampler');
    return false;
  }
  gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

  return true;
}

//读取DEM函数
function readDEMFile(result, terrain) {
  var stringlines = result.split("
");
  if (!stringlines || stringlines.length <= 0) {
    return false;
  }

  //读取头信息
  var subline = stringlines[0].split("	");
  if (subline.length != 6) {
    return false;
  }
  var col = parseInt(subline[4]); //DEM宽
  var row = parseInt(subline[5]); //DEM高
  var verticeNum = col * row;
  if (verticeNum + 1 > stringlines.length) {
    return false;
  }
  terrain.setWH(col, row);

  //读取点信息
  var ci = 0;
  terrain.verticesColors = new Float32Array(verticeNum * 6);
  for (var i = 1; i < stringlines.length; i++) {
    if (!stringlines[i]) {
      continue;
    }

    var subline = stringlines[i].split(',');
    if (subline.length != 9) {
      continue;
    }

    for (var j = 0; j < 6; j++) {
      terrain.verticesColors[ci] = parseFloat(subline[j]);
      ci++;
    }
  }

  if (ci !== verticeNum * 6) {
    return false;
  }

  //包围盒
  var minX = terrain.verticesColors[0];
  var maxX = terrain.verticesColors[0];
  var minY = terrain.verticesColors[1];
  var maxY = terrain.verticesColors[1];
  var minZ = terrain.verticesColors[2];
  var maxZ = terrain.verticesColors[2];
  for (var i = 0; i < verticeNum; i++) {
    minX = Math.min(minX, terrain.verticesColors[i * 6]);
    maxX = Math.max(maxX, terrain.verticesColors[i * 6]);
    minY = Math.min(minY, terrain.verticesColors[i * 6 + 1]);
    maxY = Math.max(maxY, terrain.verticesColors[i * 6 + 1]);
    minZ = Math.min(minZ, terrain.verticesColors[i * 6 + 2]);
    maxZ = Math.max(maxZ, terrain.verticesColors[i * 6 + 2]);
  }

  terrain.cuboid = new Cuboid(minX, maxX, minY, maxY, minZ, maxZ);

  return true;
}


//注册鼠标事件
function initEventHandlers(canvas) {
  var dragging = false; // Dragging or not
  var lastX = -1,
    lastY = -1; // Last position of the mouse

  //鼠标按下
  canvas.onmousedown = function (ev) {
    var x = ev.clientX;
    var y = ev.clientY;
    // Start dragging if a moue is in <canvas>
    var rect = ev.target.getBoundingClientRect();
    if (rect.left <= x && x < rect.right && rect.top <= y && y < rect.bottom) {
      lastX = x;
      lastY = y;
      dragging = true;
    }
  };

  //鼠标离开时
  canvas.onmouseleave = function (ev) {
    dragging = false;
  };

  //鼠标释放
  canvas.onmouseup = function (ev) {
    dragging = false;
  };

  //鼠标移动
  canvas.onmousemove = function (ev) {
    var x = ev.clientX;
    var y = ev.clientY;
    if (dragging) {
      var factor = 100 / canvas.height; // The rotation ratio
      var dx = factor * (x - lastX);
      var dy = factor * (y - lastY);
      currentAngle[0] = currentAngle[0] + dy;
      currentAngle[1] = currentAngle[1] + dx;
    }
    lastX = x, lastY = y;
  };

  //鼠标缩放
  canvas.onmousewheel = function (event) {
    if (event.wheelDelta > 0) {
      curScale = curScale * 1.1;
    } else {
      curScale = curScale * 0.9;
    }
  };
}

//设置MVP矩阵
function setMVPMatrix(gl, canvas, cuboid) {
  // Get the storage location of u_MvpMatrix
  var u_MvpMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_MvpMatrix');
  if (!u_MvpMatrix) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_MvpMatrix');
    return;
  }

  //模型矩阵
  var modelMatrix = new Matrix4();
  modelMatrix.scale(curScale, curScale, curScale);
  modelMatrix.rotate(currentAngle[0], 1.0, 0.0, 0.0); // Rotation around x-axis 
  modelMatrix.rotate(currentAngle[1], 0.0, 1.0, 0.0); // Rotation around y-axis 
  modelMatrix.translate(-cuboid.CenterX(), -cuboid.CenterY(), -cuboid.CenterZ());

  //投影矩阵
  var fovy = 60;
  var near = 1;
  var projMatrix = new Matrix4();
  projMatrix.setPerspective(fovy, canvas.width / canvas.height, 1, 10000);

  //计算lookAt()函数初始视点的高度
  var angle = fovy / 2 * Math.PI / 180.0;
  var eyeHight = (cuboid.LengthY() * 1.2) / 2.0 / angle;

  //视图矩阵  
  var viewMatrix = new Matrix4(); // View matrix   
  viewMatrix.lookAt(0, 0, eyeHight, 0, 0, 0, 0, 1, 0);

  //MVP矩阵
  var mvpMatrix = new Matrix4();
  mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);

  //将MVP矩阵传输到着色器的uniform变量u_MvpMatrix
  gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);
}

//
function initVertexBuffers(gl, terrain) {
  //DEM的一个网格是由两个三角形组成的
  //      0------1            1
  //      |                   |
  //      |                   |
  //      col       col------col+1    
  var col = terrain.col;
  var row = terrain.row;

  var indices = new Uint16Array((row - 1) * (col - 1) * 6);
  var ci = 0;
  for (var yi = 0; yi < row - 1; yi++) {
    //for (var yi = 0; yi < 10; yi++) {
    for (var xi = 0; xi < col - 1; xi++) {
      indices[ci * 6] = yi * col + xi;
      indices[ci * 6 + 1] = (yi + 1) * col + xi;
      indices[ci * 6 + 2] = yi * col + xi + 1;
      indices[ci * 6 + 3] = (yi + 1) * col + xi;
      indices[ci * 6 + 4] = (yi + 1) * col + xi + 1;
      indices[ci * 6 + 5] = yi * col + xi + 1;
      ci++;
    }
  }

  //
  var verticesColors = terrain.verticesColors;
  var FSIZE = verticesColors.BYTES_PER_ELEMENT; //数组中每个元素的字节数

  // 创建缓冲区对象
  var vertexColorBuffer = gl.createBuffer();
  var indexBuffer = gl.createBuffer();
  if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) {
    console.log('Failed to create the buffer object');
    return -1;
  }

  // 将缓冲区对象绑定到目标
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);
  // 向缓冲区对象写入数据
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);

  //获取着色器中attribute变量a_Position的地址 
  var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
  if (a_Position < 0) {
    console.log('Failed to get the storage location of a_Position');
    return -1;
  }
  // 将缓冲区对象分配给a_Position变量
  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);

  // 连接a_Position变量与分配给它的缓冲区对象
  gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

  //获取着色器中attribute变量a_Color的地址 
  var a_Color = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Color');
  if (a_Color < 0) {
    console.log('Failed to get the storage location of a_Color');
    return -1;
  }
  // 将缓冲区对象分配给a_Color变量
  gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);
  // 连接a_Color变量与分配给它的缓冲区对象
  gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

  // 将顶点索引写入到缓冲区对象
  gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
  gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

  return indices.length;
}

主要作了以下三点的改动以使用纹理。

2.1. 准备纹理

在WebGL中，由于JS的异步特性，需要在JS加载图片完成之后，再把图片当做纹理传入着色器进行绘制，所以首先这里定义了一个boolean全局变量initTexSuccess来标识纹理图像是否加载完成。在绘制函数onDraw()中，增加了一个设置纹理函数initTextures()。最后，在重绘刷新函数tick()中检测initTexSuccess变量，如果完成，就进行绘制。

var initTexSuccess = false;       //纹理图像是否加载完成

//...

//绘制函数
function onDraw(gl, canvas, terrain) {

  //...

  //设置纹理
  if (!initTextures(gl)) {
    console.log('Failed to intialize the texture.');
    return;
  }

  //...

  //绘制函数
  var tick = function () {
    if (initTexSuccess) {
         //...
    }

    //请求浏览器调用tick
    requestAnimationFrame(tick);
  };

  //开始绘制
  tick();
}

在初始化纹理函数initTextures()中，首先给着色器传入了X方向和Y方向上的实际坐标(局部坐标系坐标)范围，这个范围是用来计算纹理坐标的。接着创建了一个Image对象，通过这个对象来加载图像。最后给图像加载编写响应函数，一旦纹理配置函数loadTexture()成功，就设置initTexSuccess为true。

function initTextures(gl, terrain) {
  // 传递X方向和Y方向上的范围到着色器
  var u_RangeX = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeX');
  var u_RangeY = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_RangeY');
  if (!u_RangeX || !u_RangeY) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_RangeX or u_RangeY');
    return;
  }
  gl.uniform2f(u_RangeX, terrain.cuboid.minX, terrain.cuboid.maxX);
  gl.uniform2f(u_RangeY, terrain.cuboid.minY, terrain.cuboid.maxY);

  //创建一个image对象
  var image = new Image(); 
  if (!image) {
    console.log('Failed to create the image object');
    return false;
  }
  //图像加载的响应函数 
  image.onload = function () {
    if (loadTexture(gl, image)) {
      initTexSuccess = true;
    }
  };


  //浏览器开始加载图像
  image.src = 'tex.jpg';

  return true;
}

2.2. 配置纹理

在配置纹理函数loadTexture()中，首先创建了一个纹理对象，并将其绑定到0号纹理单元。WebGL至少支持8个纹理单元，内置的变量名形如gl.TEXTURE0、gl.TEXTURE1......gl.TEXTURE7。

function loadTexture(gl, image) {
  // 创建纹理对象
  var texture = gl.createTexture();
  if (!texture) {
    console.log('Failed to create the texture object');
    return false;
  }

  // 开启0号纹理单元
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
  // 绑定纹理对象
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

  //...  

  return true;
}

接着通过gl.texParameteri()函数配置纹理的参数，这个函数规定了纹理在缩放时的插值方法，以及纹理填充时采用何种方式铺填。这里表示纹理缩放时采用线性插值，填充范围不够时采用纹理图像边缘值进行填充：

function loadTexture(gl, image) {
  //...

  // 设置纹理参数
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);

  //...

  return true;
}

最后通过gl.texImage2D()函数将纹理对象分配给纹理对象。而该纹理对象已经与0号纹理单元绑定，因此直接将0号纹理单元作为Uniform变量传递给着色器：

function loadTexture(gl, image) {
  //...

  // 配置纹理图像
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, image);

  // 将0号单元纹理传递给着色器中的取样器变量 
  var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');
  if (!u_Sampler) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_Sampler');
    return false;
  }
  gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

  return true;
}

2.3. 使用纹理

在顶点着色器中，将顶点坐标值a_Position赋值为varying变量v_position，这个变量是用来传递给片元着色器的。

// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;
' + //位置
  'attribute vec4 a_Color;
' + //颜色
  'uniform mat4 u_MvpMatrix;
' +
  'varying vec4 v_Color;
' +
  'varying vec4 v_position;
' +
  'void main() {
' +
  '  v_position = a_Position;
' +
  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;
' + // 设置顶点坐标
  '  v_Color = a_Color;
' +
  '}
';

经过内插，片元着色器接受到了每个片元对应的顶点坐标v_position。由于这个值是根据实际的顶点坐标(局部坐标系坐标)内插的，所以这个值也是实际坐标值。同时片元着色器也接收到了传递过来的纹理对象u_Sampler，可以通过texture2D()函数来获取对应坐标的像素，将其作为片元最终值：

// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
  'precision mediump float;
' +
  'uniform vec2 u_RangeX;
' + //X方向范围
  'uniform vec2 u_RangeY;
' + //Y方向范围
  'uniform sampler2D u_Sampler;
' +
  'varying vec4 v_Color;
' +
  'varying vec4 v_position;
' +
  'void main() {
' +
  '  vec2 v_TexCoord = vec2((v_position.x-u_RangeX[0]) / (u_RangeX[1]-u_RangeX[0]), 1.0-(v_position.y-u_RangeY[0]) / (u_RangeY[1]-u_RangeY[0]));
' +
  '  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);
' +
  '}
';

上述代码可以看到并没有直接用v_position来进行插值。这是因为纹理坐标范围是在0~1之间，需要经过一个纹理映射的换算。如图所示，这是一个简单的线性变换的过程：

3. 结果

用浏览器运行，最终的显示结果如下，可以清楚的看到山川河流等纹理：

再次说明下这个实例用到了本地图片，需要让浏览器设置跨域或者建立服务器在域内使用。

4. 参考

本来部分代码和插图来自《WebGL编程指南》，源代码链接：地址 。会在此共享目录中持续更新后续的内容。