WebGL之绘制三维地球

通过Three.js也许可以很方便的展示出3D模型，但是你知道它是怎么一步一步从构建网格到贴图到最终渲染出3D模型的吗？现在我们直接使用底层的webgl加上一点点的数学知识就可以实现它。

本节实现的效果: WebGL三维地球

earth3d

内容大纲

1. 构建网格

2. 编写着色器

3. 实现3D地球

构建网格

首先我们要建立球体的三维模型，三维网格模型包括如下属性（不熟悉请复习webgl教程）：

• 顶点(position)
• 法线(normal)
• 贴图坐标(uv)
• 顶点索引(indices)

最后要构建出如下所示的经纬球模型

经纬球

首先可以从xy平面构建圆形，接着再从xz平面将圆形转化为圆球，这其中只需使用到三角函数而已，是不是非常简单。

• 法线使用的是顶点坐标，因为法线与顶点其实方向是一致的
• 顶点索引为6个点，是因为每个面由两个三角形构成
• 贴图uv坐标不需要深度信息，它对应上贴图的xy坐标即可

下面就是构建网格模型的基本逻辑:

const radius = 8;//半径
const n = 20;//经纬度格数
const position = [];//顶点
const normal = [];//法线
const texcoord = [];//uv坐标
const indices = [];//顶点索引
let x, y, z;

for (let i = 0; i < n; i++) {
  const rad = Math.PI / n * i - Math.PI / 2;//从-90度开始计算
  const r = radius * Math.cos(rad);
  y = radius * Math.sin(rad);
  for (let j = 0; j < n; j++) {
    x = r * Math.sin(xRadian * j);
    z = r * Math.cos(xRadian * j);
    position.push(x, y, z);
    texcoord.push(j / n, i / n);
    normal.push(x, y, z); //顶点作为法线，法线从圆心360度放射
    const c = i * (n + 1) + j
    indices.push(c, c + 1, c + l + 1, c, c + l + 1, c + l);//平面的索引
  }
}

编写着色器

和普通着色器相比，只是增加了uv坐标，uv直接通过顶点着色器差值透传到片段着色器即可，在片段着色器使用texture2D函数获取uv坐标对应的颜色，整体上也是比较基础。

// 顶点着色器
attribute vec4 aPosition;
attribute vec4 aNormal;
attribute vec2 aTexcoord;
uniform mat4 modelMatrix;
uniform mat4 vpMatrix;
varying vec3 fragPos;
varying vec3 fragNor;
varying vec2 texcoord;

void main() {
  gl_Position = vpMatrix * modelMatrix * aPosition;
  fragPos= vec3(modelMatrix * aPosition);
  fragNor = vec3(modelMatrix * aNormal);
  texcoord = aTexcoord;
}

// 片段着色器
precision mediump float;
uniform vec3 viewPos;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 ambientColor;
uniform sampler2D diffMap;
varying vec3 fragPos;
varying vec3 fragNor;
varying vec2 texcoord;

void main() {
    vec3 normal = normalize(fragNor);
    vec3 color = texture2D(diffMap, texcoord).rgb;
    
    // 光线方向
    vec3 lightDir = normalize(lightPos - fragPos);
    // 光线方向和法向量夹角
    float cosTheta = max(dot(lightDir, normal), 0.0);
    // 漫反射
    vec3 diffuse = lightColor * color * cosTheta;
    
    // 环境光
    // ...
    // 高光
    // ...

    gl_FragColor = vec4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}

实现3D地球

最后实现部分就和之前的webgl基本逻辑一致，不过要准备好地球贴图

地图

图片加载完将构建好的贴图sampler传入着色器即可，其他都是基础业务逻辑，不再详述，这样我们就将三维地球实现了

//...
const vpMatrix = m4.identity();
const uniforms = {
   modelMatrix: m4.identity(),
   lightPos: [20, 0, -20],
   lightColor: [1, 1, 1],
   ambientColor: [0.5, 0.5, 0.5],
};

gl.clearColor(0.1, 0.1, 0.1, 1);
gl.enable(gl.DEPTH_TEST);//深度测试
gl.enable(gl.CULL_FACE);//背面剔除
gl.viewport(0, 0, canvas.width, canvas.height); //设置绘图区域
gl.useProgram(program.program);

function animate() {
   gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
   m4.multiply(projection, m4.inverse(m4.lookAt(eye, [0, 0, 0], [0, 1, 0])), vpMatrix);
   setBuffersAndAttributes(gl, vao);
   setUniforms(program, { vpMatrix });
   drawBufferInfo(gl, vao);
   gl.bindVertexArray(null);

   requestAnimationFrame(animate);
};

//加载贴图后执行
createTexture(gl, { src: '/img/earth.jpg', flipY: true }, texture => {
   uniforms.diffMap = texture;
   setUniforms(program, uniforms );
   animate();
});