WebGL的顏色渲染-渲染一張DEM(數字高程模型)

来源:https://www.cnblogs.com/charlee44/archive/2019/05/01/10799995.html
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通過渲染一張DEM的具體例子，瞭解在WebGL中顏色渲染的過程。 ...


目錄

1. 具體實例

通過WebGL，可以渲染生成DEM(數字高程模型)。DEM(數字高程模型)是網格點組成的模型，每個點都有x，y，z值；x，y根據一定的間距組成網格狀，同時根據z值的高低來選定每個點的顏色RGB。通過這個例子可以熟悉WebGL顏色渲染的過程。

2. 解決方案

1) DEM數據.XYZ文件

這裡使用的DEM文件的數據組織如下，如下圖所示。

其中每一行表示一個點，前三個數值表示位置XYZ，後三個數值表示顏色RGB。

2) showDEM.html

<!DOCTYPE html>
<html>

<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title> 顯示地形 </title>
    <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 src="showDEM.js"></script>
</head>

<body>
    <div><input type = 'file' id = 'demFile' ></div>
    <!-- <div><textarea id="output" rows="300" cols="200"></textarea></div> -->
    <div>
        <canvas id ="demCanvas" width="600" height="600">
            請使用支持WebGL的瀏覽器
        </canvas>
    </div>
</body>

</html>

3) showDEM.js

// Vertex shader program
var VSHADER_SOURCE =
    //'precision highp float;\n' +
    'attribute vec4 a_Position;\n' +
    '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' +
    '  v_Color = a_Color;\n' +
    '}\n';

// Fragment shader program
var FSHADER_SOURCE =
    '#ifdef GL_ES\n' +
    'precision mediump float;\n' +
    '#endif\n' +
    'varying vec4 v_Color;\n' +
    'void main() {\n' +
    '  gl_FragColor = v_Color;\n' +
    '}\n';

//
var col = 89;       //DEM寬
var row = 245;      //DEM高

// Current rotation angle ([x-axis, y-axis] degrees)
var currentAngle = [0.0, 0.0];

//當前lookAt()函數初始視點的高度
var eyeHight = 2000.0;

//setPerspective()遠截面
var far = 3000;

//
window.onload = function () {
    var demFile = document.getElementById('demFile');
    if (!demFile) {
        console.log("Error!");
        return;
    }

    //demFile.onchange = openFile(event);
    demFile.addEventListener("change", function (event) {
        //判斷瀏覽器是否支持FileReader介面
        if (typeof FileReader == 'undefined') {
            console.log("你的瀏覽器不支持FileReader介面！");
            return;
        }

        //
        var reader = new FileReader();
        reader.onload = function () {
            if (reader.result) {        
                //        
                var stringlines = reader.result.split("\n");
                verticesColors = new Float32Array(stringlines.length * 6);
            
                //
                var pn = 0;
                var ci = 0;
                for (var i = 0; i < stringlines.length; i++) {
                    if (!stringlines[i]) {
                        continue;
                    }
                    var subline = stringlines[i].split(',');
                    if (subline.length != 6) {
                        console.log("錯誤的文件格式！");
                        return;
                    }
                    for (var j = 0; j < subline.length; j++) {
                        verticesColors[ci] = parseFloat(subline[j]);
                        ci++;
                    }
                    pn++;
                }
            
                if (ci < 3) {
                    console.log("錯誤的文件格式！");
                }

                //
                var minX = verticesColors[0];
                var maxX = verticesColors[0];
                var minY = verticesColors[1];
                var maxY = verticesColors[1];
                var minZ = verticesColors[2];
                var maxZ = verticesColors[2];
                for (var i = 0; i < pn; i++) {
                    minX = Math.min(minX, verticesColors[i * 6]);
                    maxX = Math.max(maxX, verticesColors[i * 6]);
                    minY = Math.min(minY, verticesColors[i * 6 + 1]);
                    maxY = Math.max(maxY, verticesColors[i * 6 + 1]);
                    minZ = Math.min(minZ, verticesColors[i * 6 + 2]);
                    maxZ = Math.max(maxZ, verticesColors[i * 6 + 2]);
                }
               
                //包圍盒中心
                var cx = (minX + maxX) / 2.0;
                var cy = (minY + maxY) / 2.0;
                var cz = (minZ + maxZ) / 2.0;

                //根據視點高度算出setPerspective()函數的合理角度
                var fovy = (maxY - minY) / 2.0 / eyeHight;
                fovy = 180.0 / Math.PI * Math.atan(fovy) * 2;

                startDraw(verticesColors, cx, cy, cz, fovy);
            }
        };

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

function startDraw(verticesColors, cx, cy, cz, fovy) {
    // Retrieve <canvas> element
    var canvas = document.getElementById('demCanvas');

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

    // Initialize shaders
    if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
        console.log('Failed to intialize shaders.');
        return;
    }

    // Set the vertex coordinates and color (the blue triangle is in the front)
    n = initVertexBuffers(gl, verticesColors);          //, verticesColors, n
    if (n < 0) {
        console.log('Failed to set the vertex information');
        return;
    }

    // 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;
    }

    // Register the event handler 
    initEventHandlers(canvas);

    // Specify the color for clearing <canvas>
    gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

    // Start drawing
    var tick = function () {

        //setPerspective()寬高比
        var aspect = canvas.width / canvas.height;

        //
        draw(gl, n, aspect, cx, cy, cz, fovy, u_MvpMatrix);
        requestAnimationFrame(tick, canvas);
    };
    tick();
}

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

    // Mouse is pressed
    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;
    };

    // Mouse is released
    canvas.onmouseup = function (ev) {
        dragging = false;
    };

    // Mouse is moved
    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);
            // Limit x-axis rotation angle to -90 to 90 degrees
            //currentAngle[0] = Math.max(Math.min(currentAngle[0] + dy, 90.0), -90.0);
            currentAngle[0] = currentAngle[0] + dy;
            currentAngle[1] = currentAngle[1] + dx;
        }
        lastX = x, lastY = y;
    };

    //滑鼠縮放
    canvas.onmousewheel = function (event) {
        var lastHeight = eyeHight;
        if (event.wheelDelta > 0) {
            eyeHight = Math.max(1, eyeHight - 80);
        } else {
            eyeHight = eyeHight + 80;
        }

        far = far + eyeHight - lastHeight;
    };
}

function draw(gl, n, aspect, cx, cy, cz, fovy, u_MvpMatrix) {
    //模型矩陣
    var modelMatrix = new Matrix4();
    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(-cx, -cy, -cz);

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

    //投影矩陣
    var projMatrix = new Matrix4();
    projMatrix.setPerspective(fovy, aspect, 10, far);

    //模型視圖投影矩陣
    var mvpMatrix = new Matrix4();
    mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);

    // Pass the model view projection matrix to u_MvpMatrix
    gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);

    // Clear color and depth buffer
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

    // Draw the cube 
    gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
}

function initVertexBuffers(gl, verticesColors) {
    //DEM的一個網格是由兩個三角形組成的
    //      0------1            1
    //      |                   |
    //      |                   |
    //      col       col------col+1    
    var indices = new Uint16Array((row - 1) * (col - 1) * 6);
    var ci = 0;
    for (var yi = 0; yi < row - 1; 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++;
        }
    }

    //創建緩衝區對象
    var vertexColorBuffer = gl.createBuffer();
    var indexBuffer = gl.createBuffer();
    if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) {
        return -1;
    }

    // 將緩衝區對象綁定到目標
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);
    // 向緩衝區對象中寫入數據
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);

    //
    var FSIZE = verticesColors.BYTES_PER_ELEMENT;
    // 向緩衝區對象分配a_Position變數
    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;
    }
    gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);
    //開啟a_Position變數
    gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

    // 向緩衝區對象分配a_Color變數
    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;
    }
    gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);
    //開啟a_Color變數
    gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

    // 寫入並綁定頂點數組的索引值
    gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
    gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

    return indices.length;
}

4) 運行結果

用chrome打開showDEM.html，選擇DEM文件，界面就會顯示DEM的渲染效果：

3. 詳細講解

1) 讀取文件

程式的第一步是通過JS的FileReader（）函數讀取DEM文件，在其回調函數中讀取到數組verticesColors中，它包含了位置和顏色信息。讀取完成後調用繪製函數startDraw（）。

//
var reader = new FileReader();
reader.onload = function () {
    if (reader.result) {        
        //        
        var stringlines = reader.result.split("\n");
        verticesColors = new Float32Array(stringlines.length * 6);
    
        //
        var pn = 0;
        var ci = 0;
        for (var i = 0; i < stringlines.length; i++) {
            if (!stringlines[i]) {
                continue;
            }
            var subline = stringlines[i].split(',');
            if (subline.length != 6) {
                console.log("錯誤的文件格式！");
                return;
            }
            for (var j = 0; j < subline.length; j++) {
                verticesColors[ci] = parseFloat(subline[j]);
                ci++;
            }
            pn++;
        }
    
        if (ci < 3) {
            console.log("錯誤的文件格式！");
        }

        //
        var minX = verticesColors[0];
        var maxX = verticesColors[0];
        var minY = verticesColors[1];
        var maxY = verticesColors[1];
        var minZ = verticesColors[2];
        var maxZ = verticesColors[2];
        for (var i = 0; i < pn; i++) {
            minX = Math.min(minX, verticesColors[i * 6]);
            maxX = Math.max(maxX, verticesColors[i * 6]);
            minY = Math.min(minY, verticesColors[i * 6 + 1]);
            maxY = Math.max(maxY, verticesColors[i * 6 + 1]);
            minZ = Math.min(minZ, verticesColors[i * 6 + 2]);
            maxZ = Math.max(maxZ, verticesColors[i * 6 + 2]);
        }
       
        //包圍盒中心
        var cx = (minX + maxX) / 2.0;
        var cy = (minY + maxY) / 2.0;
        var cz = (minZ + maxZ) / 2.0;

        //根據視點高度算出setPerspective()函數的合理角度
        var fovy = (maxY - minY) / 2.0 / eyeHight;
        fovy = 180.0 / Math.PI * Math.atan(fovy) * 2;

        startDraw(verticesColors, cx, cy, cz, fovy);
    }
};

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

2) 繪製函數

繪製DEM跟繪製一個簡單三角形的步驟是差不多的：

  1. 獲取WebGL環境。
  2. 初始化shaders，構建著色器。
  3. 初始化頂點數組，分配到緩衝對象。
  4. 綁定滑鼠鍵盤事件，設置模型視圖投影變換矩陣。
  5. 在重繪函數中調用WebGL函數繪製。

其中最關鍵的步驟是第三步，初始化頂點數組initVertexBuffers()。

function startDraw(verticesColors, cx, cy, cz, fovy) {
    // Retrieve <canvas> element
    var canvas = document.getElementById('demCanvas');

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

    // Initialize shaders
    if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
        console.log('Failed to intialize shaders.');
        return;
    }

    // Set the vertex coordinates and color (the blue triangle is in the front)
    n = initVertexBuffers(gl, verticesColors);          //, verticesColors, n
    if (n < 0) {
        console.log('Failed to set the vertex information');
        return;
    }

    // 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;
    }

    // Register the event handler 
    initEventHandlers(canvas);

    // Specify the color for clearing <canvas>
    gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

    // Start drawing
    var tick = function () {

        //setPerspective()寬高比
        var aspect = canvas.width / canvas.height;

        //
        draw(gl, n, aspect, cx, cy, cz, fovy, u_MvpMatrix);
        requestAnimationFrame(tick, canvas);
    };
    tick();
}

3) 使用緩衝區對象

在函數initVertexBuffers（）中包含了使用緩衝區對象向頂點著色器傳入多個頂點數據的過程：

  1. 創建緩衝區對象（gl.createBuffer()）；
  2. 綁定緩衝區對象（gl.bindBuffer()）；
  3. 將數據寫入緩衝區對象（gl.bufferData）；
  4. 將緩衝區對象分配給一個attribute變數(gl.vertexAttribPointer)
  5. 開啟attribute變數(gl.enableVertexAttribArray)；

在本例中，在JS中申請的數組verticesColors分成位置和顏色兩部分分配給緩衝區對象，並傳入頂點著色器；vertexAttribPointer（）是其關鍵的函數，需要詳細瞭解其參數的用法。最後，把頂點數據的索引值綁定到緩衝區對象，WebGL可以訪問索引來間接訪問頂點數據進行繪製。

function initVertexBuffers(gl, verticesColors) {
    //DEM的一個網格是由兩個三角形組成的
    //      0------1            1
    //      |                   |
    //      |                   |
    //      col       col------col+1    
    var indices = new Uint16Array((row - 1) * (col - 1) * 6);
    var ci = 0;
    for (var yi = 0; yi < row - 1; 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++;
        }
    }

    //創建緩衝區對象
    var vertexColorBuffer = gl.createBuffer();
    var indexBuffer = gl.createBuffer();
    if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) {
        return -1;
    }

    // 將緩衝區對象綁定到目標
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);
    // 向緩衝區對象中寫入數據
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);

    //
    var FSIZE = verticesColors.BYTES_PER_ELEMENT;
    // 向緩衝區對象分配a_Position變數
    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;
    }
    gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);
    //開啟a_Position變數
    gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

    // 向緩衝區對象分配a_Color變數
    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;
    }
    gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);
    //開啟a_Color變數
    gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

    // 寫入並綁定頂點數組的索引值
    gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
    gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

    return indices.length;
}

4. 其他

1.這裡用到了幾個《WebGL編程指南》書中提供的JS組件。全部源代碼(包含DEM數據)地址鏈接：https://share.weiyun.com/5cvt8PJ ，密碼：4aqs8e。
2.如果關心如何設置模型視圖投影變換矩陣，以及綁定滑鼠鍵盤事件，可參看這篇文章：WebGL或OpenGL關於模型視圖投影變換的設置技巧。
3.渲染的結果如果加入光照，效果會更好。


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