webgl变换：深刻图形平移

在之前的文章里，无论是绘制图形，绘制点亦或者是改变色值，全部的内容都是静态的。

在 webgl 里，图形的运动分为 平移、旋转、缩放 三种类型。

接下来，咱们会从零基础开始，一点一点来深刻了解图形如何进行运动。

首先来从零开始了解下图形的平移

1. 图形平移

首先咱们来看如何实现图形的平移操做。

平移的操做就是将图形的原始坐标加上对应的移动距离。首先来看下平移的实现

const vertexShaderSource = "" +
      "attribute vec4 apos;" + // 定义一个坐标
      "uniform float x;" + // 处理 x 轴移动
      "uniform float y;" + // 处理 y 轴移动
      "void main(){" +
      " gl_Position.x = apos.x + x;" +
      " gl_Position.y = apos.y + y;" +
      " gl_Position.z = 0.0;" + // z轴固定
      " gl_Position.w = 1.0;" +
      "}";
const fragmentShaderSource = "" +
      "void main(){" +
      " gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);" +
      "}";

// initShader已经实现了不少次，本次就再也不赘述了
const program = initShader(gl,vertexShaderSource,fragmentShaderSource);

const buffer = gl.createBuffer();
const data = new Float32Array([
  0.0,0.0,
  -0.5,-0.5,
  0.5,-0.5,
]);

gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER,buffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER,data,gl.STATIC_DRAW);

const aposlocation = gl.getAttribLocation(program,'apos');
const xlocation = gl.getUniformLocation(program,'x');
const ylocation = gl.getUniformLocation(program,'y');

gl.vertexAttribPointer(aposlocation,2,gl.FLOAT,false,0,0);
gl.enableVertexAttribArray(aposlocation);

let x = 0.0;
let y = 0.0;
function run () {
  gl.uniform1f(xlocation,x += 0.01);
  gl.uniform1f(ylocation,y += 0.01);

  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES,0,3);
  // 使用此方法实现一个动画
  requestAnimationFrame(run)
}
run()
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解释：

• 首先声明一个变量 x 和变量 y ，用来处理 x轴 和 y轴 的坐标。这里使用的是 uniform 变量，由于平移的操做对于图形上的全部顶点都有影响。
• 经过 gl_Position.[xyzw] 来分别设置 x、y、z、w 的值。用于改变图形位置。
• 使用 gl.uniform1f 来为 x 和 y 赋值
• 使用 requestAnimationFrame 实现一个缓动动画。方便观察效果。
• 其余的操做，缓冲区，绘制，赋值，激活，

能够看到，这样处理图形移动的话很好理解，可是由于一个移动，咱们声明了两个 uniform 变量来实现。而且分开设置的 xyz 坐标，很是的不方便。

因此，在处理webgl变换（平移、缩放、旋转）的时候，一般使用矩阵来实现。接下来就来看看，如何使用矩阵实现图形的平移。

2. 平移矩阵

推导平移矩阵的步骤：

• 获取平移先后的图形坐标（三维）
• 计算平移先后的差值
• 带入到平移矩阵
• 处理图形顶点
• 得到平移后的图形

2.1 平移矩阵的推导

首先让咱们来看一幅图片。

这幅图片的意义就是咱们将橙色的三角形移动到蓝色虚线三角形处。

移动以后的蓝色虚线三角形的三个坐标分别为

• x’ = x + x1
• y' = y + y1
• z' = z + z1
• w=1 齐次坐标为1

2.2 得到平移矩阵

在 webgl 中，一般使用矩阵来实现图形变换。下面咱们来看看矩阵如何表示。

左侧是平移以前的原始坐标，中间的是一个平移矩阵，通过二者相乘，能够获得一个平移以后的坐标。

如今咱们来看下平移矩阵如何计算得出

首先经过上述图片中的矩阵咱们来获得几个方程式。用左侧的列分别乘矩阵的行，能够获得一下公式

• ax + by + cz + w = x'
• ex + fy + gz + h = y'
• ix + jy + kz + l = z'
• mx + ny + oz + p = w'

公式合并：

将第一节 里的四个方程式和第二节里的四个方程式合并，能够获得以下结果：

• ax + by + cz + w = x + x1'：只有当 a = 1，b = c = 0, w = x1 的时候，等式左右两边成立
• ex + fy + gz + h = y + y1'：只有当 f = 1, e = g = 0, h = y1 的时候，等式左右两边成立
• ix + jy + kz + l = z + z1'：只有当 k = 1,i = j = 0, l = z1 的时候，等式左右两边成立
• mx + ny + oz + p = 1'：只有当 m = n = o = 0, p = 1 的时候，等式左右两边成立

通过上述方程式，能够获得一个平移的矩阵：

| 1 0 0 x |

| 0 1 0 y |

| 0 0 1 z |

| 0 0 0 1 |

以后将平移矩阵和原始坐标相乘，就能够获得平移以后的坐标。

3. 矩阵实战

来看看使用矩阵如何处理图形的平移。

第一步，建立着色器源代码

const vertexShaderSource = "" +
      "attribute vec4 apos;" +
      "uniform mat4 mat;" + // 建立一个 uniform 变量，表明平移矩阵
      "void main(){" +
      " gl_Position = mat * apos;" + // 矩阵与原始坐标相乘
      "}";
const fragmentShaderSource = "" +
      "void main(){" +
      " gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);" +
      "}";
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第二步，建立平移矩阵

let Tx = 0.1;    //x坐标的位置
let Ty = 0.1;    //y坐标的位置
let Tz = 0.0;    //z坐标的位置
let Tw = 1.0;    //差值
const mat = new Float32Array([
  1.0,0.0,0.0,0.0,
  0.0,1.0,0.0,0.0,
  0.0,0.0,1.0,0.0,
  Tx,Ty,Tz,Tw,
]);
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这里能够看到，使用的矩阵和咱们推导出来的矩阵不太同样，推导的平移矩阵里 xyzw 位于矩阵的右侧，如今是位于矩阵的底部，这是为何呢？

这是由于在 webgl 中，矩阵的使用须要按照 左上右下 的对角线作一次翻转。因此使用的矩阵，xyzw 位于底部

第三步，绘制一个三角形

const program = initShader(gl,vertexShaderSource,fragmentShaderSource);
const aposlocation = gl.getAttribLocation(program,'apos');
const data =  new Float32Array([
  0.0,0.0,
  -.3,-.3,
  .3,-.3
]);

const buffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER,buffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER,data,gl.STATIC_DRAW);

gl.vertexAttribPointer(aposlocation,2,gl.FLOAT,false,0,0);
gl.enableVertexAttribArray(aposlocation);

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES,0,3); // 第五步的时候会重写
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第四步，获取矩阵变量，给矩阵赋值

const matlocation = gl.getUniformLocation(program,'mat');
gl.uniformMatrix4fv(matlocation,false,mat);
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这里使用 gl.uniformMatrix4fv 来给矩阵赋值。

第五步，添加缓动动画

function run () {
  Tx += 0.01
  Ty += 0.01
  const mat = new Float32Array([
    1.0,0.0,0.0,0.0,
    0.0,1.0,0.0,0.0,
    0.0,0.0,1.0,0.0,
    Tx,Ty,Tz,Tw,
  ]);
  gl.uniformMatrix4fv(matlocation,false,mat);
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES,0,3);

  // 使用此方法实现一个动画
  requestAnimationFrame(run)
}
run()
复制代码

4. 完整代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <title>Title</title>
</head>
<body>
<canvas id="webgl" width="500" height="500"></canvas>
<script> const gl = document.getElementById('webgl').getContext('webgl'); const vertexShaderSource = "" + "attribute vec4 apos;" + "uniform mat4 mat;" + "void main(){" + " gl_Position = mat * apos;" + "}"; const fragmentShaderSource = "" + "void main(){" + " gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);" + "}"; const program = initShader(gl,vertexShaderSource,fragmentShaderSource); const aposlocation = gl.getAttribLocation(program,'apos'); const matlocation = gl.getUniformLocation(program,'mat'); const data = new Float32Array([ 0.0,0.0, -.3,-.3, .3,-.3 ]); const buffer = gl.createBuffer(); gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER,buffer); gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER,data,gl.STATIC_DRAW); gl.vertexAttribPointer(aposlocation,2,gl.FLOAT,false,0,0); gl.enableVertexAttribArray(aposlocation); let Tx = 0.1; //x坐标的位置 let Ty = 0.1; //y坐标的位置 let Tz = 0.0; //z坐标的位置 let Tw = 1.0; //差值 function run () { Tx += 0.01 Ty += 0.01 const mat = new Float32Array([ 1.0,0.0,0.0,0.0, 0.0,1.0,0.0,0.0, 0.0,0.0,1.0,0.0, Tx,Ty,Tz,Tw, ]); gl.uniformMatrix4fv(matlocation,false,mat); gl.drawArrays(gl.TRIANGLES,0,3); // 使用此方法实现一个动画 requestAnimationFrame(run) } run() function initShader(gl,vertexShaderSource,fragmentShaderSource){ const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER); const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER); gl.shaderSource(vertexShader,vertexShaderSource); gl.shaderSource(fragmentShader,fragmentShaderSource); gl.compileShader(vertexShader); gl.compileShader(fragmentShader); const program = gl.createProgram(); gl.attachShader(program,vertexShader); gl.attachShader(program,fragmentShader) gl.linkProgram(program); gl.useProgram(program); return program; } </script>
</body>
</html>
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至此，经过矩阵控制图形移动就所有实现完成了。

今天的分享就到这儿了，

Bye~

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