WebGL簡易教程(八)：三維場景互動

基于之前教程的知識，實作了一個三維場景的浏覽執行個體：通過滑鼠實作場景的旋轉和縮放。

1. 概述
2. 執行個體
- 2.1. 重繪重新整理
- 2.2. 滑鼠事件調整參數
3. 結果
4. 參考

在上一篇教程《WebGL簡易教程(七)：繪制一個矩形體》中，通過一個繪制矩形包圍盒的執行個體，進一步了解了模型視圖投影變換。其實，三維場景的UI互動工作正是基于模型視圖投影變換的基礎之上的。這裡就通過之前的知識實作一個三維場景的浏覽執行個體：通過滑鼠實作場景的旋轉和縮放。

改進上一篇教程的JS代碼，得到新的代碼如下：

// 頂點着色器程式
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;\n' + // attribute variable
  'attribute vec4 a_Color;\n' +
  'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' +
  'varying vec4 v_Color;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // Set the vertex coordinates of the point
  '  v_Color = a_Color;\n' +
  '}\n';

// 片元着色器程式
var FSHADER_SOURCE =
  'precision mediump float;\n' +
  'varying vec4 v_Color;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  gl_FragColor = v_Color;\n' +
  '}\n';

//定義一個矩形體：混合構造函數原型模式
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);
  }
}

var currentAngle = [0.0, 0.0]; // 繞X軸Y軸的旋轉角度 ([x-axis, y-axis])
var curScale = 1.0;   //目前的縮放比例

function main() {
  // 擷取 <canvas> 元素
  var canvas = document.getElementById('webgl');

  // 擷取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;
  }

  // 設定頂點位置
  var cuboid = new Cuboid(399589.072, 400469.072, 3995118.062, 3997558.062, 732, 1268);
  var n = initVertexBuffers(gl, cuboid);
  if (n < 0) {
    console.log('Failed to set the positions of the vertices');
    return;
  }

  //注冊滑鼠事件
  initEventHandlers(canvas);

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

  // 開啟深度測試
  gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

  //繪制函數
  var tick = function () {
    //設定MVP矩陣
    setMVPMatrix(gl, canvas, cuboid);

    //清空顔色和深度緩沖區
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

    //繪制矩形體
    gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_BYTE, 0);

    //請求浏覽器調用tick
    requestAnimationFrame(tick);  
  };

  //開始繪制
  tick();

  // 繪制矩形體
  gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_BYTE, 0);
}

//注冊滑鼠事件
function initEventHandlers(canvas) {
  var dragging = false;         // Dragging or not
  var lastX = -1, lastY = -1;   // Last position of the mouse

  //滑鼠按下
  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;
    }
  };

  //滑鼠離開時
  canvas.onmouseleave = function (ev) {
    dragging = false;
  };

  //滑鼠釋放
  canvas.onmouseup = function (ev) {
    dragging = false;
  };

  //滑鼠移動
  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;
  };

  //滑鼠縮放
  canvas.onmousewheel = function (event) {    
    if (event.wheelDelta > 0) {
      curScale = curScale * 1.1;
    } else {
      curScale = curScale * 0.9;
    }
  };
}

//設定MVP矩陣
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;
  }

  //模型矩陣
  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());

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

  //計算lookAt()函數初始視點的高度
  var angle = fovy / 2 * Math.PI / 180.0;  
  var eyeHight = (cuboid.LengthY() * 1.2) / 2.0 / angle;

  //視圖矩陣  
  var viewMatrix = new Matrix4();  // View matrix   
  viewMatrix.lookAt(0, 0, eyeHight, 0, 0, 0, 0, 1, 0);

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

  //将MVP矩陣傳輸到着色器的uniform變量u_MvpMatrix
  gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);
}

//
function initVertexBuffers(gl, cuboid) {
  // Create a cube
  //    v6----- v5
  //   /|      /|
  //  v1------v0|
  //  | |     | |
  //  | |v7---|-|v4
  //  |/      |/
  //  v2------v3
  // 頂點坐标和顔色
  var verticesColors = new Float32Array([
    cuboid.maxX, cuboid.maxY, cuboid.maxZ, 1.0, 1.0, 1.0,  // v0 White
    cuboid.minX, cuboid.maxY, cuboid.maxZ, 1.0, 0.0, 1.0,  // v1 Magenta
    cuboid.minX, cuboid.minY, cuboid.maxZ, 1.0, 0.0, 0.0,  // v2 Red
    cuboid.maxX, cuboid.minY, cuboid.maxZ, 1.0, 1.0, 0.0,  // v3 Yellow
    cuboid.maxX, cuboid.minY, cuboid.minZ, 0.0, 1.0, 0.0,  // v4 Green
    cuboid.maxX, cuboid.maxY, cuboid.minZ, 0.0, 1.0, 1.0,  // v5 Cyan
    cuboid.minX, cuboid.maxY, cuboid.minZ, 0.0, 0.0, 1.0,  // v6 Blue
    cuboid.minX, cuboid.minY, cuboid.minZ, 1.0, 0.0, 1.0   // v7 Black
  ]);

  //頂點索引
  var indices = new Uint8Array([
    0, 1, 2, 0, 2, 3,    // 前
    0, 3, 4, 0, 4, 5,    // 右
    0, 5, 6, 0, 6, 1,    // 上
    1, 6, 7, 1, 7, 2,    // 左
    7, 4, 3, 7, 3, 2,    // 下
    4, 7, 6, 4, 6, 5     // 後
  ]);

  //
  var FSIZE = verticesColors.BYTES_PER_ELEMENT;   //數組中每個元素的位元組數

  // 建立緩沖區對象
  var vertexColorBuffer = gl.createBuffer();
  var indexBuffer = gl.createBuffer();
  if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) {
    console.log('Failed to create the buffer object');
    return -1;
  }

  // 将緩沖區對象綁定到目标
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);
  // 向緩沖區對象寫入資料
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);

  //擷取着色器中attribute變量a_Position的位址 
  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;
  }
  // 将緩沖區對象配置設定給a_Position變量
  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);

  // 連接配接a_Position變量與配置設定給它的緩沖區對象
  gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

  //擷取着色器中attribute變量a_Color的位址 
  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;
  }
  // 将緩沖區對象配置設定給a_Color變量
  gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);
  // 連接配接a_Color變量與配置設定給它的緩沖區對象
  gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

  // 将頂點索引寫入到緩沖區對象
  gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
  gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

  return indices.length;
}

與之前的代碼相比，這裡主要改進了兩個方面的内容：重繪重新整理和滑鼠事件調整參數。

與之前隻繪制一次場景不同，為了滿足浏覽互動工作，頁面就必須實時重新整理，來滿足不同的滑鼠、鍵盤事件對場景的影響。可以使用JS的requestAnimationFrame()函數進行定時重繪重新整理操作。其函數定義如下：

在代碼中的實作如下：

//繪制函數
var tick = function () {
  //設定MVP矩陣
  setMVPMatrix(gl, canvas, cuboid);

  //清空顔色和深度緩沖區
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

  //繪制矩形體
  gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_BYTE, 0);

  //請求浏覽器調用tick
  requestAnimationFrame(tick);  
};

//開始繪制
tick();

在這段代碼中，定義了一個繪制函數tick()，而在該函數的結束處，調用了requestAnimationFrame()函數來向浏覽器請求調用其回調函數，也就是tick()。以此循環往複，頁面會不停的請求調用繪制tick()，進而帶到了重繪重新整理的效果。

前面提到過，重繪重新整理每一幀之前，都要清空顔色緩沖區和深度緩沖區，不讓上一幀的效果影響到下一幀。同理，MVP矩陣也是每繪制一幀之前就需要重新設定的。

在設定MVP矩陣函數setMVPMatrix()中，可以發現視圖矩陣和投影矩陣都是初次計算好就固定的，隻有模型矩陣随着變量currentAngle和curScale變化而變化，相關代碼如下：

var currentAngle = [0.0, 0.0]; // 繞X軸Y軸的旋轉角度 ([x-axis, y-axis])
var curScale = 1.0;   //目前的縮放比例

//設定MVP矩陣
function setMVPMatrix(gl, canvas, cuboid) {
  //...

  //模型矩陣
  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());

  //...
}

currentAngle和curScale是預先定義的全局變量，它們在函數initEventHandlers中被設定。在initEventHandlers函數中，注冊了畫布元素canvas的滑鼠事件。當滑鼠在畫布視圖中拖動的時候，currentAngle根據滑鼠在X、Y方向上位移變化而變化：

//滑鼠按下
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;
  }
};

//...

//滑鼠移動
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;
};

當滑鼠在畫布上滑動滾輪的時候，curScale根據滾動的幅度變化而變化：

//滑鼠縮放
canvas.onmousewheel = function (event) {    
  if (event.wheelDelta > 0) {
    curScale = curScale * 1.1;
  } else {
    curScale = curScale * 0.9;
  }
};

currentAngle和curScale的變化使得模型矩陣發生改變，而每繪制一幀就會重新設定MVP矩陣，這就使得三維場景随着滑鼠操作而變化，進而完成互動操作。

在浏覽器中打開對應的HTML檔案，運作結果如下：

本來部分代碼和插圖來自《WebGL程式設計指南》，源代碼連結：位址。會在此共享目錄中持續更新後續的内容。

WebGL簡易教程(八)：三維場景互動

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