1. 概述
2. 实例
- 2.1. TerrainViewer.html
- 2.2. TerrainViewer.js
3. 结果
4. 参考

1. 概述

在上一篇教程《WebGL简易教程(八)：三维场景交互》中，给三维场景加入了简单的交互，通过鼠标实现场景的旋转和缩放。那么在这一篇教程中，综合前面的知识，可以做出一个稍微复杂的实例：绘制一张基于现实的地形图。

地形也就是DEM（数字高程模型），是由一组网格点组成的模型，每个点都有x，y，z值；更简单来说，图像格式就可以作为DEM的载体，只不过每个图像的像素值代表的是高程的值。这里准备了一张tif格式的DEM数据DEM.tif：

WebGL简易教程(九)：综合实例：地形的绘制

这张tif是从谷歌地球上下载下来的，是美国大峡谷的某一块地形。因为JS处理tif稍微有点麻烦，我这里预先将其处理成DEM.dem，这是一个文本格式：

WebGL简易教程(九)：综合实例：地形的绘制

其中第一行的六个值分别表示：

起点X坐标起点Y坐标 X间距 Y间距宽高

剩下的每一行表示一个点，点的顺序为从上至下，从左至右：

与起点X距离与起点Y距离高程值颜色R 颜色G 颜色B 法向量X坐标法向量Y坐标法向量Z坐标

一般来说DEM里面保存的应该只有点的位置信息也就是XYZ坐标，其渲染的颜色信息和法向量信息是预处理的过程中计算出来的。目前来说可以将其当成已知量，以后有机会将会在后续介绍详细的预处理过程。

2. 实例

2.1. TerrainViewer.html

<!DOCTYPE html>

<html>

<head>

  <meta charset="utf-8" />

  <title> 显示地形 </title>

  <title>Hello Triangle</title>

</head>

<body onload="main()">

  <div><input type='file' id='demFile'></div>

  <div>

    <canvas id="webgl" width="600" height="600">

      请使用支持WebGL的浏览器

    </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的代码中，添加了一个input按钮元素，用来导入DEM文件。一旦加载成功，canvas元素就会把读取的数据显示出来。

2.2. TerrainViewer.js

// 顶点着色器程序

var VSHADER_SOURCE =

  'attribute vec4 a_Position;\n' +  //位置

  'attribute vec4 a_Color;\n' + //颜色

  'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' +

  'varying vec4 v_Color;\n' +

  'void main() {\n' +

  '  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // 设置顶点坐标

  '  v_Color = a_Color;\n' +

  '}\n';

// 片元着色器程序

var FSHADER_SOURCE =

  'precision mediump float;\n' +

  'varying vec4 v_Color;\n' +

  'void main() {\n' +

  '  gl_FragColor = v_Color;\n' +

  '}\n';

//定义一个矩形体：混合构造函数原型模式

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);

  }

}

//定义DEM

function Terrain() {

}

Terrain.prototype = {

  constructor: Terrain,

  setWH: function (col, row) {

    this.col = col;

    this.row = row;

  }

}

var currentAngle = [0.0, 0.0]; // 绕X轴Y轴的旋转角度 ([x-axis, y-axis])

var curScale = 1.0;   //当前的缩放比例

function main() {

  var demFile = document.getElementById('demFile');

  if (!demFile) {

    console.log("Failed to get demFile element!");

    return;

  }

  //加载文件后的事件

  demFile.addEventListener("change", function (event) {

    //判断浏览器是否支持FileReader接口

    if (typeof FileReader == 'undefined') {

      console.log("你的浏览器不支持FileReader接口！");

      return;

    }

    //读取文件后的事件

    var reader = new FileReader();

    reader.onload = function () {

      if (reader.result) {

        var terrain = new Terrain();

        if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {

          console.log("文件格式有误，不能读取该文件！");

        }

        //绘制函数

        onDraw(gl, canvas, terrain);

      }

    }

    var input = event.target;

    reader.readAsText(input.files[0]);

  });

  // 获取 <canvas> 元素

  var canvas = document.getElementById('webgl');

  // 获取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>的颜色

  gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

  // 开启深度测试

  gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

  //清空颜色和深度缓冲区

  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

}

//绘制函数

function onDraw(gl, canvas, terrain) {

  // 设置顶点位置

  //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;

  }

  //注册鼠标事件

  initEventHandlers(canvas);

  //绘制函数

  var tick = function () {

    //设置MVP矩阵

    setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid);

    //清空颜色和深度缓冲区

    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

    //绘制矩形体

    gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);

    //gl.drawArrays(gl.Points, 0, n);

    //请求浏览器调用tick

    requestAnimationFrame(tick);

  };

  //开始绘制

  tick();

}

//读取DEM函数

function readDEMFile(result, terrain) {

  var stringlines = result.split("\n");

  if (!stringlines || stringlines.length <= 0) {

    return false;

  }

  //读取头信息

  var subline = stringlines[0].split("\t");

  if (subline.length != 6) {

    return false;

  }

  var col = parseInt(subline[4]);       //DEM宽

  var row = parseInt(subline[5]);      //DEM高

  var verticeNum = col * row;

  if (verticeNum + 1 > stringlines.length) {

    return false;

  }

  terrain.setWH(col, row);

  //读取点信息

  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;

  }

  //包围盒

  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;

}

//注册鼠标事件

function initEventHandlers(canvas) {

  var dragging = false;         // Dragging or not

  var lastX = -1, lastY = -1;   // Last position of the mouse

  //鼠标按下

  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;

    }

  };

  //鼠标离开时

  canvas.onmouseleave = function (ev) {

    dragging = false;

  };

  //鼠标释放

  canvas.onmouseup = function (ev) {

    dragging = false;

  };

  //鼠标移动

  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;

  };

  //鼠标缩放

  canvas.onmousewheel = function (event) {

    if (event.wheelDelta > 0) {

      curScale = curScale * 1.1;

    } else {

      curScale = curScale * 0.9;

    }

  };

}

//设置MVP矩阵

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;

  }

  //模型矩阵

  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());

  //投影矩阵

  var fovy = 60;

  var near = 1;

  var projMatrix = new Matrix4();

  projMatrix.setPerspective(fovy, canvas.width / canvas.height, 1, 10000);

  //计算lookAt()函数初始视点的高度

  var angle = fovy / 2 * Math.PI / 180.0;

  var eyeHight = (cuboid.LengthY() * 1.2) / 2.0 / angle;

  //视图矩阵

  var viewMatrix = new Matrix4();  // View matrix

  viewMatrix.lookAt(0, 0, eyeHight, 0, 0, 0, 0, 1, 0);

  //MVP矩阵

  var mvpMatrix = new Matrix4();

  mvpMatrix.set(projMatrix).multiply(viewMatrix).multiply(modelMatrix);

  //将MVP矩阵传输到着色器的uniform变量u_MvpMatrix

  gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);

}

//

function initVertexBuffers(gl, terrain) {

  //DEM的一个网格是由两个三角形组成的

  //      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;   //数组中每个元素的字节数

  // 创建缓冲区对象

  var vertexColorBuffer = gl.createBuffer();

  var indexBuffer = gl.createBuffer();

  if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) {

    console.log('Failed to create the buffer object');

    return -1;

  }

  // 将缓冲区对象绑定到目标

  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);

  // 向缓冲区对象写入数据

  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);

  //获取着色器中attribute变量a_Position的地址

  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;

  }

  // 将缓冲区对象分配给a_Position变量

  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);

  // 连接a_Position变量与分配给它的缓冲区对象

  gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

  //获取着色器中attribute变量a_Color的地址

  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;

  }

  // 将缓冲区对象分配给a_Color变量

  gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);

  // 连接a_Color变量与分配给它的缓冲区对象

  gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

  // 将顶点索引写入到缓冲区对象

  gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);

  gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

  return indices.length;

}

与上一篇的JS代码相比，没有什么新的知识，大部分流程都是一样的，只不过对数据的组织略有不同。

在main()函数中，为按钮定义了加载事件函数。在函数中通过FileReader()读取文件，读取函数为readDEMFile();接着进行绘制，绘制函数为onDraw()。

//...

var demFile = document.getElementById('demFile');

if (!demFile) {

  console.log("Failed to get demFile element!");

  return;

}

//加载文件后的事件

demFile.addEventListener("change", function (event) {

  //判断浏览器是否支持FileReader接口

  if (typeof FileReader == 'undefined') {

    console.log("你的浏览器不支持FileReader接口！");

    return;

  }

  //读取文件后的事件

  var reader = new FileReader();

  reader.onload = function () {

    if (reader.result) {

      var terrain = new Terrain();

      if (!readDEMFile(reader.result, terrain)) {

        console.log("文件格式有误，不能读取该文件！");

      }

      //绘制函数

      onDraw(gl, canvas, terrain);

    }

  }

  var input = event.target;

  reader.readAsText(input.files[0]);

});

//...

readDEMFile()函数就是解析这个DEM文件的过程，将读取到的数据保存到Terrain对象中。Terrain是一个自定义的对象，DEM文件的宽、高、位置信息以及颜色信息都存入到这个对象中。值得注意的是，这里求取了所有点的包围盒，也一并保存进Terrain对象中了。这个包围盒信息就是用来设置MVP矩阵的，从而让场景与鼠标进行交互。

//定义DEM

function Terrain() {

}

Terrain.prototype = {

  constructor: Terrain,

  setWH: function (col, row) {

    this.col = col;

    this.row = row;

  }

}

//...

//读取DEM函数

function readDEMFile(result, terrain) {

  var stringlines = result.split("\n");

  if (!stringlines || stringlines.length <= 0) {

    return false;

  }

  //读取头信息

  var subline = stringlines[0].split("\t");

  if (subline.length != 6) {

    return false;

  }

  var col = parseInt(subline[4]);       //DEM宽

  var row = parseInt(subline[5]);      //DEM高

  var verticeNum = col * row;

  if (verticeNum + 1 > stringlines.length) {

    return false;

  }

  terrain.setWH(col, row);

  //读取点信息

  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;

  }

  //包围盒

  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;

}

绘制函数onDraw()与之前的代码相比基本没有变化。可以看到在设置MVP矩阵的函数 setMVPMatrix()中，传递的参数是Terrain对象的包围盒，这一点与上一篇教程是一样的。但主要的改动是在初始化顶点函数initVertexBuffers()中。

//绘制函数

function onDraw(gl, canvas, terrain) {

  // 设置顶点位置

  //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;

  }

  //注册鼠标事件

  initEventHandlers(canvas);

  //绘制函数

  var tick = function () {

    //设置MVP矩阵

    setMVPMatrix(gl, canvas, terrain.cuboid);

    //清空颜色和深度缓冲区

    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

    //绘制矩形体

    gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);

    //gl.drawArrays(gl.Points, 0, n);

    //请求浏览器调用tick

    requestAnimationFrame(tick);

  };

  //开始绘制

  tick();

}

在函数initVertexBuffers()中，由于读取的顶点信息（保存在Terrain对象中）同样包含位置信息和定点信息，所以同样将其传递到缓冲区对象。不同的在于顶点索引的组织。前面提到过，顶点数组中的点是从上至下，从左至右依次排列的，所以每个网格是上、下、左、右四个不同的点组成的两个三角形。所以一共要绘制\(((宽 - 1) * (高 - 1) * 2)\)个三角形，顶点索引数组的长度为\(((宽 - 1) * (高 - 1) * 6)\)。

//

function initVertexBuffers(gl, terrain) {

  //DEM的一个网格是由两个三角形组成的

  //      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;   //数组中每个元素的字节数

  //...

  return indices.length;

}

3. 结果

通过浏览器运行程序，加载DEM.dem文件，结果如下：

WebGL简易教程(九)：综合实例：地形的绘制

其鼠标交互操作：

WebGL简易教程(九)：综合实例：地形的绘制

可以看到最终绘制的结果是一小块起伏的地形。所有复杂的模型都可以采用本例的办法，用足够的三角形绘制而成。当然，这个例子还有个缺点，就是显示的效果立体感不强，对地形起伏的表现不够。这是因为缺少了场景渲染中的重要一环，也就是下一篇教程要讲的内容——光照。

4. 参考

本来部分代码和插图来自《WebGL编程指南》，源代码链接：地址。会在此共享目录中持续更新后续的内容。