优雅的学习webgl(4)—webgl中的投影模型

[forthealllight]

优雅的学习webgl(4)—webgl中的投影模型

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    在前一章中我们介绍了三维图形基础，提到了要想在画布中渲染出三维图形，必须同时确定视图矩阵和投影矩阵，这章我们来详细的介绍一下什么是投影模型。

• webgl中的坐标系统
• 什么是投影
• 正射投影
• 透视投影

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这个系列的源码地址为：源码的地址为： https://github.com/forthealllight/webgl-demo

一、webgl中的坐标系统

    在了解投影之前，我们现来看一下webgl中的坐标系统,在webgl中有两个坐标系统，一个是裁剪面坐标,另一个是纹理坐标。其中跟旋转变换以及图形渲染可视有关的是裁剪面坐标，这里我们先介绍webgl中的裁剪面坐标，而纹理坐标会在纹理贴图章节介绍。

webgl中的裁剪面坐标如下所示：

    从上述裁剪坐标系统的示意图中我们可以看出，webgl中整个裁剪平面的中心坐标是(0,0),对于二维的裁剪平面而言其水平方向从(-1,0)到(1,0),其竖直方向从(0,-1)到(0,1).

也就是说其裁剪坐标任何方向的值在区间[-1,1]内。

注意一点：裁剪平面是决定如何映射到画布上，因为画布是二维的，因此裁剪平面也是二维的。webgl中z轴的坐标并不限制在(-1,1),可以为任何值。

那么画布坐标呢，比如我们以canvans640 X 480大小的画布为例：

画布坐标的原点位于左下角。在webgl中我们推荐对于所有的点使用裁剪面坐标来表示，这样比较方便绘制，如何将裁剪面坐标表示的点展示到画布上呢，可以通过webgl的函数来实现：

gl.viewport(0, 0, gl.canvas.width, gl.canvas.height);

有些场景比较特殊，我们将在webgl中使用像素坐标(画布坐标系下的坐标)，那么需要额外的操作，在顶点着色器中，需要将画布坐标转化为裁剪平面坐标，转化的例子如下，在顶点着色器中我们使用：

uniform vec2 u_resolution; 用于读取画布的坐标，比如(640,480)向量
 
  void main() {
    // 从像素坐标转换到 0.0 到 1.0
    vec2 zeroToOne = a_position / u_resolution;
 
    // 再把 0->1 转换 0->2
    vec2 zeroToTwo = zeroToOne * 2.0;
 
    // 把 0->2 转换到 -1->+1 (裁剪空间)
    vec2 clipSpace = zeroToTwo - 1.0;
 
    gl_Position = vec4(clipSpace, 0, 1);
  }

这样，我们在其他webgl的代码中就可以使用像素坐标，下面是一个使用像素坐标来绘制一个三角形的例子：

以640 * 480 的canvas画布为例，像素坐标系下的点：

positions = [
    160, 120,
    320, 360,
    480, 120,
]

和裁剪平面下的坐标点：

positions = [
    0.0,0.5,
    -0.5,-0.5,
    0.5,-0.5
]

这两组坐标是等价的。具体例子可见：

https://github.com/forthealllight/webgl-demo/tree/master/demo7

二、什么是投影

    在第三章我们将到了视图矩阵，得出一个公式就是：

观测到的经过矩阵变换三维图形的坐标 = <视图矩阵> x <模型矩阵> 图形的原始坐标

    这个模型下，我们认为无论观测者位于哪里，都可以看到被观测的物体，我们简单的认为可视空间是无限大的。显然这样是不对的，因为在现实生活中，在北京的人不可能可以观测到上海的物体。限定可视区的模型就是投影。

    投影有两种，一种是正射投影，也就是说在在投影范围内，看到物体是等大小的。另一种是透视投影，遵循近大远小的规则。现实生活中，透视投影比较贴近。

有些时候我们可能搞混淆了视图矩阵和投影模型矩阵，其实有一句诗可以帮助我们理解：

横看成岭侧成峰，远近高低各不同

    前半句就是视点不同，从而导致视图矩阵不同得到不同的观测结果，后半句就是更多侧重于投影规则引起的近大远小。

引入投影模型后，完整的图形渲染公式应该是：

观测到的经过矩阵变换三维图形的坐标 = <投影矩阵> x <视图矩阵> x <模型矩阵> 图形的原始坐标

下节我们会详细的介绍正射投影和透视投影。

三、正射投影

    正射投影就是可视区近处和远处看到的物体是等大小的。由正射投影模型产生的可视区称为盒状可视区，盒状可视区模型如下：

    盒装可视区就是一个三维长方体，近裁剪面就是能看到的最近的z轴距离，远裁剪面就是能看到的最远的z轴的距离，在远近裁剪面之间的三维长方体就是可视区。

    我们从模型中可以看出，这个正射投影矩阵或者说可视矩阵由6个坐标来决定，分别是near,top,left,right,bottom,far。

完整的三维图形观测渲染模型为：

观测到的经过矩阵变换三维图形的坐标 = <正射投影矩阵> x <视图矩阵> x <模型矩阵> 图形的原始坐标

下面我们来绘制一个在正射投影模型下的三维立方体：

  const zNear = 3;
  const zFar = 100.0;
  const projectionMatrix = mat4.create();
  
   mat4.ortho(projectionMatrix,
    -1,
    1,
    -1,
    1,
    zNear,
    zFar);

上述的代码就是构建了<正射投影矩阵> x <视图矩阵>的过程。具体的例子可以看：

https://github.com/forthealllight/webgl-demo/tree/master/demo8

绘制的图案如图所示：

这个正方体太大了，并且因为是正射投影的原因，因此只能在画布中看到正方体的一部分。

四、透视投影

    透视投影模型就是复合我们常识的近大远小的观测模型，我们来看透视模型的示意图：

    从上述的透视投影模型来看，它的可视区不是一个长方体，而是一个棱柱，是底面是大小不想等的长方形，在透视投影模型下的可视区又称为金字塔可视空间。

我们同样的在金字塔可视空间内绘制同样的一个正方体,修改代码使其变成金字塔模型

 const fieldOfView = 45 * Math.PI / 180;   // in radians
  const aspect = gl.canvas.clientWidth / gl.canvas.clientHeight;
  const zNear = 3;
  const zFar = 100.0;
  const projectionMatrix = mat4.create();
  mat4.perspective(projectionMatrix,
       fieldOfView,
       aspect,
       zNear,
       zFar);

最后的绘制结果为：

    显然这是不符合我们预期的，我们立方体的8个面分别有8个颜色，从上述的例子中我们不仅可以看到正面，还能看到背面的正方形，这显然是不符合人眼观测的，为了消除这种异常，我们要了解一下深度缓存。

    我们前面降到在裁剪平面中的xy值的范围是-1到1，而对于z轴不做处理，或者没有值的范围。这句话说对也对，说不对也不对。
诚然裁剪面内不会对z轴做任何处理，但是在webgl的深度缓存中会自动对z的深度做处理，将z值转化到0->1。那么这种自动对于深度的处理如何转化到裁剪平面，从而影响绘制结果呢，让我们只能看到正面而看不到背面。

    答案就是，在深度缓存中支持深度检测，当检测到在同样位置第二次绘制的图形的深度小于第一次，那么就不会绘制，如何第二次绘制图形的深度大于第一次，那么会重新绘制并覆盖第一次。

    这里的深度其实要加引号，深度越大，其实是离观察者越近，因此深度大的优先显示。

开启深度检测也很简单，只需要：

//开启深度检测
gl.enable(gl.DEPTH_TEST);  
//在绘制前清空深度缓存
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

进行深度检测后绘制的立方体的图形如下所示：

绘制出上述的正方体后，我们还是没能体现出透视投影近大远小的成像原理，我们可以尝试平移我们的视点位置，在z轴方向平移，

平移前：

  mat4.translate(modelViewMatrix, modelViewMatrix, [-0.0, 0.0, -6.0]); 

平移后：

 mat4.translate(modelViewMatrix, modelViewMatrix, [-0.0, 0.0, -16.0]); 

视点的位置从(0,0,-6)平移到了(0,0,-16),平移后我们来看渲染结果，负像的位移是使得视点远离物体的，最后的渲染结果为：

从直观上来看，正方体变小了，这就是我们所说的在透视投影模型中的近大远小。

本例的地址为：https://github.com/forthealllight/webgl-demo/tree/master/demo9

[rick-you]

webgl + 图形学发展很大啊

[forthealllight]

webgl + 图形学发展很大啊

hah是的，蛮好玩的

[rick-you]

我也想往这方面靠靠，做做游戏 flutter 引擎啥的，加油

[forthealllight]

我也想往这方面靠靠，做做游戏 flutter 引擎啥的，加油

哈哈 一起加油