WebGL簡易教程(九)：綜合執行個體：地形的繪制

綜合WebGL的知識，實作了繪制一張地形圖的執行個體。

1. 概述
2. 執行個體
- 2.1. TerrainViewer.html
- 2.2. TerrainViewer.js
3. 結果
4. 參考

在上一篇教程《WebGL簡易教程(八)：三維場景互動》中，給三維場景加入了簡單的互動，通過滑鼠實作場景的旋轉和縮放。那麼在這一篇教程中，綜合前面的知識，可以做出一個稍微複雜的執行個體：繪制一張基于現實的地形圖。

地形也就是DEM（數字高程模型），是由一組網格點組成的模型，每個點都有x，y，z值；更簡單來說，圖像格式就可以作為DEM的載體，隻不過每個圖像的像素值代表的是高程的值。這裡準備了一張tif格式的DEM資料DEM.tif：

這張tif是從谷歌地球上下載下傳下來的，是美國大峽谷的某一塊地形。因為JS處理tif稍微有點麻煩，我這裡預先将其處理成DEM.dem，這是一個文本格式：

其中第一行的六個值分别表示：

起點X坐标起點Y坐标 X間距 Y間距寬高

剩下的每一行表示一個點，點的順序為從上至下，從左至右：

與起點X距離與起點Y距離高程值顔色R 顔色G 顔色B 法向量X坐标法向量Y坐标法向量Z坐标

一般來說DEM裡面儲存的應該隻有點的位置資訊也就是XYZ坐标，其渲染的顔色資訊和法向量資訊是預處理的過程中計算出來的。目前來說可以将其當成已知量，以後有機會将會在後續介紹詳細的預處理過程。

<!DOCTYPE html>
<html>

<head>
  <meta charset="utf-8" />
  <title> 顯示地形 </title>
  <title>Hello Triangle</title>
</head>

<body onload="main()">
  <div><input type='file' id='demFile'></div>  
  <div>
    <canvas id="webgl" width="600" height="600">
      請使用支援WebGL的浏覽器
    </canvas>
  </div>

  <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="TerrainViewer.js"></script>
</body>

</html>

在HTML的代碼中，添加了一個input按鈕元素，用來導入DEM檔案。一旦加載成功，canvas元素就會把讀取的資料顯示出來。

// 頂點着色器程式
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;\n' +  //位置
  'attribute vec4 a_Color;\n' + //顔色
  'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' + 
  'varying vec4 v_Color;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // 設定頂點坐标
  '  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);
  }
}

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

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

  //加載檔案後的事件
  demFile.addEventListener("change", function (event) {
    //判斷浏覽器是否支援FileReader接口
    if (typeof FileReader == 'undefined') {
      console.log("你的浏覽器不支援FileReader接口！");
      return;
    }
    
    //讀取檔案後的事件
    var reader = new FileReader();
    reader.onload = function () {
      if (reader.result) {        
        var terrain = new Terrain();
        if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {
          console.log("檔案格式有誤，不能讀取該檔案！");
        }

        //繪制函數
        onDraw(gl, canvas, terrain);
      }
    }

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

  // 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;
  }

  // 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);

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

//繪制函數
function onDraw(gl, canvas, terrain) {
  // 設定頂點位置
  //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;
  }

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

  //繪制函數
  var tick = function () {
    //設定MVP矩陣
    setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.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_SHORT, 0);
    //gl.drawArrays(gl.Points, 0, n);

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

  //開始繪制
  tick();
}

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

  //讀取頭資訊
  var subline = stringlines[0].split("\t");
  if (subline.length != 6) {
    return false;
  }
  var col = parseInt(subline[4]);       //DEM寬
  var row = parseInt(subline[5]);      //DEM高
  var verticeNum = col * row;
  if (verticeNum + 1 > stringlines.length) {
    return false;
  }
  terrain.setWH(col, row);

  //讀取點資訊
  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;
  }

  //包圍盒
  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, terrain) {
  //DEM的一個網格是由兩個三角形組成的
  //      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;   //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;
}

與上一篇的JS代碼相比，沒有什麼新的知識，大部分流程都是一樣的，隻不過對資料的組織略有不同。

在main()函數中，為按鈕定義了加載事件函數。在函數中通過FileReader()讀取檔案，讀取函數為readDEMFile();接着進行繪制，繪制函數為onDraw()。

//...

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

//加載檔案後的事件
demFile.addEventListener("change", function (event) {
  //判斷浏覽器是否支援FileReader接口
  if (typeof FileReader == 'undefined') {
    console.log("你的浏覽器不支援FileReader接口！");
    return;
  }
  
  //讀取檔案後的事件
  var reader = new FileReader();
  reader.onload = function () {
    if (reader.result) {        
      var terrain = new Terrain();
      if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {
        console.log("檔案格式有誤，不能讀取該檔案！");
      }

      //繪制函數
      onDraw(gl, canvas, terrain);
    }
  }

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

//...

readDEMFile()函數就是解析這個DEM檔案的過程，将讀取到的資料儲存到Terrain對象中。Terrain是一個自定義的對象，DEM檔案的寬、高、位置資訊以及顔色資訊都存入到這個對象中。值得注意的是，這裡求取了所有點的包圍盒，也一并儲存進Terrain對象中了。這個包圍盒資訊就是用來設定MVP矩陣的，進而讓場景與滑鼠進行互動。

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

//...

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

  //讀取頭資訊
  var subline = stringlines[0].split("\t");
  if (subline.length != 6) {
    return false;
  }
  var col = parseInt(subline[4]);       //DEM寬
  var row = parseInt(subline[5]);      //DEM高
  var verticeNum = col * row;
  if (verticeNum + 1 > stringlines.length) {
    return false;
  }
  terrain.setWH(col, row);

  //讀取點資訊
  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;
  }

  //包圍盒
  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;
}

繪制函數onDraw()與之前的代碼相比基本沒有變化。可以看到在設定MVP矩陣的函數 setMVPMatrix()中，傳遞的參數是Terrain對象的包圍盒，這一點與上一篇教程是一樣的。但主要的改動是在初始化頂點函數initVertexBuffers()中。

//繪制函數
function onDraw(gl, canvas, terrain) {
  // 設定頂點位置
  //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;
  }

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

  //繪制函數
  var tick = function () {
    //設定MVP矩陣
    setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.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_SHORT, 0);
    //gl.drawArrays(gl.Points, 0, n);

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

  //開始繪制
  tick();
}

在函數initVertexBuffers()中，由于讀取的頂點資訊（儲存在Terrain對象中）同樣包含位置資訊和定點資訊，是以同樣将其傳遞到緩沖區對象。不同的在于頂點索引的組織。前面提到過，頂點數組中的點是從上至下，從左至右依次排列的，是以每個網格是上、下、左、右四個不同的點組成的兩個三角形。是以一共要繪制\(((寬 - 1) * (高 - 1) * 2)\)個三角形，頂點索引數組的長度為\(((寬 - 1) * (高 - 1) * 6)\)。

//
function initVertexBuffers(gl, terrain) {
  //DEM的一個網格是由兩個三角形組成的
  //      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;   //數組中每個元素的位元組數

  //...
 
  return indices.length;
}

通過浏覽器運作程式，加載DEM.dem檔案，結果如下：

其滑鼠互動操作：

可以看到最終繪制的結果是一小塊起伏的地形。所有複雜的模型都可以采用本例的辦法，用足夠的三角形繪制而成。當然，這個例子還有個缺點，就是顯示的效果立體感不強，對地形起伏的表現不夠。這是因為缺少了場景渲染中的重要一環，也就是下一篇教程要講的内容——光照。

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(九)：綜合執行個體：地形的繪制

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