WebGL以渲染的三维图像作为纹理

编程语言 2019-01-12 02:02:02 阅读次数: 0

一、本节概述：

WebGL渲染三维图形，然后将渲染结果做为纹理贴到另一个三维物体上去。实际上，把渲染结果作为纹理使用，就是动态的生成图像，而不是向服务器请求加载外部图像。在纹理图像被贴上图形之前，我们还可以对其做一些额外的处理，比如动态模糊和景深效果。

二、本节知识点：

帧缓冲区对象和渲染缓冲区对象

在默认情况下，WebGL在颜色缓冲区中进行绘图，在开启隐藏面消除功能时，还会用到深度缓冲区。总之，绘制的结果图像是存储在颜色缓冲区中的。

帧缓冲区对象(framebuffer object)可以用来代替颜色缓冲区或深度缓冲区，如图10.18所示。绘制在帧缓冲区中的对象并不会直接显示在上，你可以先对帧缓冲区的内容进行一些处理再显示，或者直接用其中的内容作为纹理图像。在帧缓冲区中进行绘制的过程 又称为离屏绘制(offscreen drawing)。
在这里插入图片描述

图10.19显示了帧缓冲区的结构，它提供了颜色缓冲区和深度缓冲区的替代品。如你所见，绘制操作并不是直接发生在帧缓冲区中的，而是发生在帧缓冲区所关联的对象(attachment)上。一个帧缓冲区有三个关联对象：颜色关联对象(color attachment)、深度关联对象(depth attachment)和模板关联对象(stencil attachment)，分别用来替代颜色缓冲区，深度缓冲区，模板缓冲区。
在这里插入图片描述
经过一些设置，WebGL就可以向帧缓冲区的关联对象中写入数据，就像写入颜色缓冲区或深度缓冲区一样。每个关联对象又可以是两种类型的(见10.19)：纹理对象和渲染缓冲区对象(renderbuffer object)。

如何实现渲染到纹理

如上所述，我们希望把WebGL渲染出的图像作为纹理使用，那么就需要将纹理对象作为颜色关联对象关联到帧缓冲区对象上，然后在帧缓冲区中进行绘制，此时颜色关联对象(即纹理对象)就代替了颜色缓冲区。此时仍然需要进行隐藏面消除，所以我们又创建了一个渲染缓冲区对象作为帧缓冲区的深度关联对象，以替代深度缓冲区。帧缓冲区的设置如图10.20所示：
在这里插入图片描述

三、示例程序：

示例程序FramebufferObject，将一个旋转的立方体作为纹理贴到一个矩形上。

示例程序步骤：

  1. 创建帧缓冲区对象(gl.createFramebuffer())
  2. 创建纹理对象并设置其尺寸和参数(gl.createTexture()、 gl.bindTexture()、 gl.texImage2D()、gl.Parameteri() )
  3. 创建渲染缓冲区对象(gl.createRenderbuffer())
  4. 绑定渲染缓冲区对象并设置尺寸(gl.bindRenderbuffer()、 gl.renderbuffer-Storage() )
  5. 将帧缓冲区的颜色关联对象指定为一个纹理对象(gl.framebufferTexture2D())
  6. 将帧缓冲区的深度关联对象指定为一个渲染缓冲区对象(gl.framebufferRenderbuffer())
  7. 检测帧缓冲区是否正确配置(gl.checkFramebufferStatus())
  8. 在帧缓冲区中进行绘制(gl.bindFramebuffer())

示例：

在这里插入图片描述

代码：


<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, user-scalable=no, initial-scale=1.0, maximum-scale=1.0, minimum-scale=1.0">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="ie=edge">
    <title>WebGL渲染的图像作为纹理</title>
</head>
<body "main()">
<canvas id="webgl" width="400" height="400">
    Please use the browser supporting "canvas"
</canvas>

<script src="../lib/webgl-utils.js"></script>
<script src="../lib/webgl-debug.js"></script>
<script src="../lib/cuon-utils.js"></script>
<script src="../lib/cuon-matrix.js"></script>
<script>
    // canvas全屏
    var canvas = document.getElementById('webgl');
    canvas.width = window.innerWidth;
    canvas.height = window.innerHeight;

    // 设置顶点着色器
    var vertexShaderSource =
        'attribute vec4 a_Position;\n' +
        'attribute vec2 a_TexCoord;\n' +
        'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' +
        'varying vec2 v_TexCoord;\n' +
        'void main(){\n' +
        ' gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' +
        ' v_TexCoord = a_TexCoord;\n' +
        '}\n';

    // 设置片元着色器
    var fragmentShaderSource =
        '#ifdef GL_ES\n' +
        'precision mediump float;\n' +
        '#endif\n' +
        'uniform sampler2D u_Sampler;\n' +
        'varying vec2 v_TexCoord;\n' +
        'void main(){\n' +
        ' gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);\n' +
        '}\n';

    // 中间平面图形的高和宽
    var offset_width = 256;
    var offset_height = 256;

    // 主函数
    function main() {
        var canvas = document.getElementById('webgl');
        if(!canvas) {
            console.log('获取canvas元素失败');
            return;
        }

        var gl = getWebGLContext(canvas);
        if(!gl) {
            console.log('无法获取WebGL绘图上下文');
            return;
        }

        // 创建并初始化着色器
        if(!initShaders(gl, vertexShaderSource, fragmentShaderSource)) {
            console.log('无法初始化着色器');
            return;
        }

        // 获取attribute和uniform变量的存储位置
        var program = gl.program; // 获取程序对象
        program.a_Position = gl.getAttribLocation(program, 'a_Position');
        program.a_TexCoord = gl.getAttribLocation(program, 'a_TexCoord');
        program.u_MvpMatrix = gl.getUniformLocation(program, 'u_MvpMatrix');
        if(program.a_Position < 0 || program.a_TexCoord < 0 || !program.u_MvpMatrix) {
            console.log('无法获取变量的存储位置');
            return;
        }

        // 设置顶点的位置信息
        var cube = initVertexBuffersForCube(gl);
        var plane = initVertexBuffersForPlane(gl);

        if(!cube || !plane) {
            console.log('存入缓冲区数据失败');
            return;
        }

        // 设置纹理
        var texture = initTextures(gl);
        if(!texture) {
            console.log('无法创建纹理缓冲区');
            return;
        }

        // 初始化帧缓冲区(FBO)
        var fbo = initFramebufferObject(gl);
        if(!fbo) {
            console.log('无法初始化帧缓冲区');
            return;
        }

        // 开启隐藏面消除功能
        gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

        // 设置视图投影矩阵相关信息
        var viewProjectMatrix = new Matrix4();
        viewProjectMatrix.setPerspective(30.0, canvas.width / canvas.height, 1.0, 100.0);
        viewProjectMatrix.lookAt(0.0, 0.0, 7.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);

        // 设置帧缓冲区的视图投影矩阵
        var viewProjectMatrixFbo = new Matrix4();
        viewProjectMatrixFbo.setPerspective(30.0, canvas.width / canvas.height, 1.0, 100.0);
        viewProjectMatrixFbo.lookAt(0.0, 2.0, 7.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);

        // 开始绘制
        var currentAngle = 0.0;
        function tick() {
            currentAngle = animate(currentAngle); // 更新选择角度
            draw(gl, canvas, fbo, plane, cube, currentAngle, texture, viewProjectMatrix, viewProjectMatrixFbo);
            requestAnimationFrame(tick);
        }

        tick();
    }

    function draw(gl, canvas, fbo, plane, cube, angle, texture, viewProjectMatrix, viewProjectMatrixFbo) {
        gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, fbo); // 更改绘图的目标为帧缓冲区
        gl.viewport(0, 0, offset_width, offset_height); // 对帧缓冲区设置视口

        // 设置背景色
        gl.clearColor(0.2, 0.2, 0.4, 1.0);
        // 清除背景和隐藏面消除
        gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

        // 绘制立方体
        drawTextureCube(gl, gl.program, cube, angle, texture, viewProjectMatrixFbo);

        gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, null); // 将绘制的目标修改为颜色缓冲区
        gl.viewport(0, 0, canvas.width, canvas.height); // 将视口的大小设置为canvas的大小

        gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
        // 清除背景和隐藏面消除
        gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

        // 绘制平面
        drawTexturedPlane(gl, gl.program, plane, angle, fbo.texture, viewProjectMatrix);
    }

    // 声明坐标转换矩阵
    var g_modelMatrix = new Matrix4();
    var g_mvpMatrix = new Matrix4();

    function drawTexturedPlane(gl, program, obj,  angle, texture, viewProjectMatrix) {
        //计算模型矩阵
        g_modelMatrix.setTranslate(0.0,0.0,1.0);
        g_modelMatrix.rotate(20.0,1.0,0.0,0.0);
        g_modelMatrix.rotate(angle, 0.0, 1.0, 0.0);

        //计算模型视图投影矩阵，并赋值给u_MvpMatrix
        g_mvpMatrix.set(viewProjectMatrix);
        g_mvpMatrix.multiply(g_modelMatrix);
        gl.uniformMatrix4fv(program.u_MvpMatrix,  false, g_mvpMatrix.elements);

        drawTexturedObject(gl, program, obj, texture);
    }

    function drawTextureCube(gl, program, obj, angle, texture, viewProjectMatrix) {
        // 计算模型矩阵
        g_modelMatrix.setRotate(20.0, 1.0, 0.0, 0.0);
        g_modelMatrix.rotate(angle, 0.0, 1.0, 0.0);

        //  计算模型视图投影矩阵，并赋值给u_mvpMatrix
        g_mvpMatrix.set(viewProjectMatrix);
        g_mvpMatrix.multiply(g_modelMatrix);
        gl.uniformMatrix4fv(program.u_MvpMatrix, false, g_mvpMatrix.elements);

        // 绘制
        drawTexturedObject(gl, program, obj, texture);
    }

    function drawTexturedObject(gl, program, obj, texture) {
        // 分配缓冲区对象并启用赋值
        initAttributeVariable(gl, program.a_Position, obj.vertexBuffer);
        initAttributeVariable(gl, program.a_TexCoord, obj.texCoordBuffer);

        // 将纹理绑定到目标
        gl.activeTexture(gl.TEXTURE);
        gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

        // 绘制
        gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, obj.indexBuffer);
        gl.drawElements(gl.TRIANGLES, obj.numIndices, obj.indexBuffer.type, 0);
    }

    function initAttributeVariable(gl, a_attribute, buffer) {
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
        gl.vertexAttribPointer(a_attribute, buffer.num, buffer.type, false, 0, 0);
        gl.enableVertexAttribArray(a_attribute);
    }

    var angle_step = 30;
    var last = +new Date();
    function animate(angle) {
        var now = +new Date();
        var elapsed = now - last;
        last = now;
        var newAngle = angle + (angle_step * elapsed) / 1000.0;
        return newAngle % 360;
    }

    function initFramebufferObject(gl) {
        var framebuffer, texture, depthBuffer;

        // 定义错误函数
        function error() {
            if(framebuffer) gl.deleteFramebuffer(framebuffer);
            if(texture) gl.deleteFramebuffer(texture);
            if(depthBuffer) gl.deleteFramebuffer(depthBuffer);
            return null;
        }

        // 创建帧缓冲区对象
        framebuffer = gl.createFramebuffer();
        if(!framebuffer) {
            console.log('无法创建帧缓冲区对象');
            return error();
        }

        // 创建纹理对象并设置其尺寸和参数
        texture = gl.createTexture();
        if(!texture) {
            console.log('无法创建纹理缓冲区');
            return error();
        }

        gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);
        gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, offset_width, offset_height, 0, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, null);
        gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
        framebuffer.texture = texture; // 将纹理对象存入framebuffer

        //创建渲染缓冲区对象并设置其尺寸和参数
        depthBuffer = gl.createRenderbuffer();
        if(!depthBuffer){
            console.log("无法创建渲染缓冲区对象");
            return error();
        }

        gl.bindRenderbuffer(gl.RENDERBUFFER, depthBuffer);
        gl.renderbufferStorage(gl.RENDERBUFFER, gl.DEPTH_COMPONENT16, offset_width, offset_height);

        //将纹理和渲染缓冲区对象关联到帧缓冲区对象上
        gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, framebuffer); // 帧缓冲区绑定到目标上
        gl.framebufferTexture2D(gl.FRAMEBUFFER, gl.COLOR_ATTACHMENT0, gl.TEXTURE_2D, texture, 0); // 纹理对象指定为帧缓冲区的颜色关联对象
        gl.framebufferRenderbuffer(gl.FRAMEBUFFER, gl.DEPTH_ATTACHMENT, gl.RENDERBUFFER,depthBuffer); // 渲染缓冲区指定为帧缓冲区的深度关联对象

        //检查帧缓冲区对象是否被正确设置
        var e = gl.checkFramebufferStatus(gl.FRAMEBUFFER);
        if(gl.FRAMEBUFFER_COMPLETE !== e){
            console.log("渲染缓冲区设置错误"+e.toString());
            return error();
        }

        //取消当前的focus对象
        gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, null);
        gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, null);
        gl.bindRenderbuffer(gl.RENDERBUFFER, null);

        return framebuffer;
    }

    function initTextures(gl) {
        var texture = gl.createTexture();
        if(!texture){
            console.log("无法创建纹理缓冲区");
            return null;
        }

        var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, "u_Sampler");
        if(!u_Sampler){
            console.log("无法获取到缓冲区对象");
            return null;
        }

        var img = new Image();

        img.onload = function () {
            gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1);
            gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);
            gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
            gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, img);

            gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

            gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, null);
        };

        img.src = "../images/wallpaper.jpg";

        return texture;
    }

    function initVertexBuffersForPlane(gl) {
        // 创建一个面
        //  v1------v0
        //  |        |
        //  |        |
        //  |        |
        //  v2------v3

        // 顶点的坐标
        var vertices = new Float32Array([
            1.0, 1.0, 0.0,  -1.0, 1.0, 0.0,  -1.0,-1.0, 0.0,   1.0,-1.0, 0.0    // v0-v1-v2-v3
        ]);

        // 纹理的坐标
        var texCoords = new Float32Array([1.0, 1.0,   0.0, 1.0,   0.0, 0.0,   1.0, 0.0]);

        // 顶点的索引
        var indices = new Uint8Array([0, 1, 2,   0, 2, 3]);

        //将顶点的信息写入缓冲区对象
        var obj = {};
        obj.vertexBuffer = initArrayBufferForLaterUse(gl, vertices, 3, gl.FLOAT);
        obj.texCoordBuffer = initArrayBufferForLaterUse(gl, texCoords, 2, gl.FLOAT);
        obj.indexBuffer = initElementArrayBufferForLaterUse(gl, indices, gl.UNSIGNED_BYTE);
        if(!obj.vertexBuffer || !obj.texCoordBuffer || !obj.indexBuffer) return null;

        obj.numIndices = indices.length;

        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);
        gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, null);

        return obj;
    }

    function initVertexBuffersForCube(gl) {
        // Create a cube
        //    v6----- v5
        //   /|      /|
        //  v1------v0|
        //  | |     | |
        //  | |v7---|-|v4
        //  |/      |/
        //  v2------v3

        // 顶点的数据坐标
        var vertices = new Float32Array([
            1.0, 1.0, 1.0,  -1.0, 1.0, 1.0,  -1.0,-1.0, 1.0,   1.0,-1.0, 1.0,    // v0-v1-v2-v3 front
            1.0, 1.0, 1.0,   1.0,-1.0, 1.0,   1.0,-1.0,-1.0,   1.0, 1.0,-1.0,    // v0-v3-v4-v5 right
            1.0, 1.0, 1.0,   1.0, 1.0,-1.0,  -1.0, 1.0,-1.0,  -1.0, 1.0, 1.0,    // v0-v5-v6-v1 up
            -1.0, 1.0, 1.0,  -1.0, 1.0,-1.0,  -1.0,-1.0,-1.0,  -1.0,-1.0, 1.0,    // v1-v6-v7-v2 left
            -1.0,-1.0,-1.0,   1.0,-1.0,-1.0,   1.0,-1.0, 1.0,  -1.0,-1.0, 1.0,    // v7-v4-v3-v2 down
            1.0,-1.0,-1.0,  -1.0,-1.0,-1.0,  -1.0, 1.0,-1.0,   1.0, 1.0,-1.0     // v4-v7-v6-v5 back
        ]);

        // 纹理的数据坐标
        var texCoords = new Float32Array([
            1.0, 1.0,   0.0, 1.0,   0.0, 0.0,   1.0, 0.0,    // v0-v1-v2-v3 front
            0.0, 1.0,   0.0, 0.0,   1.0, 0.0,   1.0, 1.0,    // v0-v3-v4-v5 right
            1.0, 0.0,   1.0, 1.0,   0.0, 1.0,   0.0, 0.0,    // v0-v5-v6-v1 up
            1.0, 1.0,   0.0, 1.0,   0.0, 0.0,   1.0, 0.0,    // v1-v6-v7-v2 left
            0.0, 0.0,   1.0, 0.0,   1.0, 1.0,   0.0, 1.0,    // v7-v4-v3-v2 down
            0.0, 0.0,   1.0, 0.0,   1.0, 1.0,   0.0, 1.0     // v4-v7-v6-v5 back
        ]);

        // 顶点的索引数据
        var indices = new Uint8Array([
            0, 1, 2,   0, 2, 3,    // front
            4, 5, 6,   4, 6, 7,    // right
            8, 9,10,   8,10,11,    // up
            12,13,14,  12,14,15,    // left
            16,17,18,  16,18,19,    // down
            20,21,22,  20,22,23     // back
        ]);

        //创建一个对象保存数据
        var obj = {};

        //将顶点信息写入缓冲区对象
        obj.vertexBuffer = initArrayBufferForLaterUse(gl, vertices, 3, gl.FLOAT);
        obj.texCoordBuffer = initArrayBufferForLaterUse(gl, texCoords, 2, gl.FLOAT);
        obj.indexBuffer = initElementArrayBufferForLaterUse(gl, indices, gl.UNSIGNED_BYTE);
        if(!obj.vertexBuffer || !obj.texCoordBuffer || !obj.indexBuffer) return null;

        obj.numIndices = indices.length;

        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);
        gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, null);

        return obj;
    }

    function initArrayBufferForLaterUse(gl, data, num, type) {
        var buffer = gl.createBuffer();
        if(!buffer){
            console.log("无法创建缓冲区对象");
            return null;
        }

        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);

        buffer.num = num;
        buffer.type = type;

        return buffer;
    }

    function initElementArrayBufferForLaterUse(gl, data, type) {
        var buffer = gl.createBuffer();
        if(!buffer){
            console.log("无法创建着色器");
            return null;
        }

        gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, buffer);
        gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);

        buffer.type = type;

        return buffer;
    }

</script>
</body>
</html>

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