Skip to main content

定义几何

几何数据是指用于定义图形对象形状的信息，这些数据主要包括顶点、图元及其相关的属性。几何数据是WebGL渲染管线的输入，用于生成最终的图像。以下是几何数据的主要组成部分：

  • 顶点数据：顶点是几何数据的基本单位，用于定义图形的形状。一个顶点通常包含以下信息：

    • 位置 定义顶点在空间中的位置
    • 法向量 表示顶点的方向，用于光照计算
    • 纹理坐标 用于映射纹理到几何对象
    • 颜色 每个顶点可以携带颜色信息（r,g,b,a），用于直接着色
    • 其他属性 开发者可以定义额外的顶点属性，用于一些特别的场景，比如CAE仿真结果场数据

  • 图元：由顶点组成的基础几何形状，是WebGL渲染的基础单位。我们的引擎中支持以下几种图元类型：

    • 点（Points） gl.POINTS：单个顶点绘制为一个点
    • 线（Lines） 由两个顶点组成的线段。类型包括： gl.LINES：独立的线段。 gl.LINE_STRIP：连续的线段。 gl.LINE_LOOP：连续线段，最后一个顶点与第一个顶点相连。
    • 三角形（Triangles） 由三个顶点组成的三角形，是WebGL中最常用的图元。类型包括： gl.TRIANGLES：独立的三角形。 gl.TRIANGLE_STRIP：连续的三角形条带。 gl.TRIANGLE_FAN：以一个中心顶点为基础的三角形扇形。

  • 顶点索引：用于指定图元中顶点的连接信息。通过索引数组可以重用顶点数据，减少冗余。索引数据存储在索引缓冲对象（Index Buffer Object）中。

接下来，我们可以从零构建一个简单的3D空间渲染场景scene，该场景的几何是一个三角形。

从这个例子中，您可以了解到以下内容：

  • 定义几何：详细介绍了如何利用ORE Core库的接口定义绘制场景中的几何数据
  • 使用几何数据：WebGL的着色器如何使用几何数据，使其呈现在2D屏幕中
  • 构造渲染场景：从零开始构建渲染上下文所需的所有对象

定义几何​

在下面的代码段中定义了3D空间中的一个三角形，它的三个顶点的位置坐标分别是：(-0.5, -0.5, 0.0),(0.5, -0.5, 0.0),(0.0, 0.5, 0.0)。

我们先创建一个geometry对象，包括它的顶点位置、顶点索引。这里需要使用Vertices接口，来声明一个存储顶点数据的顶点缓冲对象，使用Triangles接口，声明了三角形图元的索引缓冲对象。

const geometry: JGeometry = {
    vertices: {
        // 所有顶点的位置被保存在一个顶点缓冲中。
        positions: Vertices([-0.5, -0.5, 0.0, 0.5, -0.5, 0.0, 0.0, 0.5, 0.0])
    },
    //当具备顶点信息后，使用顶点索引数组就可以定义三角形图元。索引数组保存在一个索引缓冲中。
    indices: Triangles([0, 1, 2])
};

顶点缓冲对象​

在上面的代码段中我们可以看出，顶点缓冲的定义需要使用接口Vertices。一般来说，顶点信息不仅仅包含位置信息，还需要有法向、纹理以及boundingBox。

const geometry: JGeometry = {
    vertices: {
        // 所有的图元顶点的位置、法向量、纹理坐标，它们分别保存在各自的顶点缓冲中。
        positions: Vertices([-0.5, -0.5, 0.0, 0.5, -0.5, 0.0, 0.0, 0.5, 0.0]),
        normals: Vertices([...]),
        texCoords: Vertices([...]),
    },
    indices: Triangles([0, 1, 2]),
    boundingBox: bbox(-0.5, 0.5, -0.5, 0.5, 0.0, 0.0)
};
info

顶点缓冲对象会作为WebGL的Shader程序的输入，在Shader程序中，您将需要指定顶点缓冲对象的数组维度，比如3D空间中位置是三维的，而2D空间中位置是二维的。法向量是三维的，而纹理坐标是二维的。

索引缓冲对象​

两个顶点连接形成一个线段，三个顶点连接形成一个三角形面。当空间中存在大量顶点时，必须通过索引缓冲对象定义这些顶点的连接，不同的连接，最终会成为不同形状的Shell。

比如一个三角形面的顶点索引是数组[0,1,2]，另一个三角形面的顶点索引是数组[0,2,3], 如果这两个三角形面属于同一个几何，那么在该几何的索引缓冲中，就有会这样一个数组片段：[...,0,1,2,0,2,3,...]。我们需要将该实体几何的所有图元的索引数组都写入该IBO中，最终被传输到着色器中。

ORE core中提供了多种图元接口，他们本质上是声明了构成某种图元的顶点索引数组对象：

  • Points，创建多个顶点POINTS。

  • Lines，创建多个双顶点线段LINES，每两个顶点指定一条单独线段。

  • LineStrip，创建不闭合的连续线段LINE_STRIP，每个顶点之后的顶点指定的是线条延伸到的下一个点。

  • LineLoop，创建闭合的连续线段LINE_LOOP，与LINE_STRIP类似，只不过最后一条线段是由指定的最后一个和第一个顶点连接而成。

  • Triangles，创建多个三角形面TRIANGLES，每三个顶点指定一个三角形面。

  • TriangleFan，创建扇型连续三角形面TRIANGLE_FAN。指定的第一个顶点充当原点，后继的每个顶点与它前面的一个顶点以及原点，一起构成下一个三角形面。

  • TriangleStrip，创建线型连续三角形面TRIANGLE_STRIP。指定开始的三个顶点之后，后继的每个顶点与它前面两个顶点一起构成下一个三角形面。

基础图元

在这个例子中，我们使用了定义TRIANGLES图元的接口Triangles([0, 1, 2])，表示顶点缓冲中的索引0、1、2对应的顶点构成的一个三角形。

图元的索引缓冲都可以用两种不同的类型定义，即：JElementIndices类型与JArrayIndices类型。下面以定义三角形面的索引缓冲为例：

// JElementIndices类型的索引缓冲
const triangles1 = Triangles([...]);
// JArrayIndices类型的索引缓冲
const triangles2 = Triangles(n);

  • ElementIndices类型：Triangles([...])中需要直接写出所有图元的索引数组缓冲，比如Triangles([0,1,2,0,2,3])，它代表该几何有两个三角形面，它们的顶点索引数组分别是[0,1,2]、[0,2,3]。

  • ArrayIndices类型：Triangles(n)中只需要指定构成所有三角形面的顶点个数，就可以确定该几何所有的三角形图元各自的索引数组了。比如Triangles(6)代表该几何有两个三角形面，分别是[0,1,2]、[3,4,5]，或者比如TriangleStrip(6)代表该几何有4个三角形面，分别是[0,1,2]、[1,2,3]、[2,3,4]、[3,4,5]。

使用几何数据​

几何数据通过顶点着色器进入渲染管线。顶点着色器会处理每个顶点的数据，比如位置、法线、纹理坐标等，处理过程就是渲染管线的核心内容，引擎已经将这些过程全部封装起来，开发者不需要关心这部分内容。

不管是几何，还是材质，都会在着色器程序中得到进一步处理，着色器程序是可以运行在GPU上的一段比较小的代码，描述了如何处理顶点数据和材质属性数据，并计算出屏幕中每个像素片段的颜色分布。着色器是WebGL的基础部分，允许开发者实现各种复杂的图形效果。

这里我们使用了顶点着色器：vertex shader和面元着色器：fragment shader。前者承担了处理和变换顶点信息的功能，比如位置、颜色、贴图坐标等，计算出屏幕中每个像素的位置和颜色。而后者承担了更加复杂的计算，比如光照、阴影、反射等，得到了屏幕中每个像素的最终颜色，让图片有了更加真实的图形效果。

在下面的代码段中，我们可以看到顶点的位置缓冲对象positions出现在了名为vertexSource的shader程序中，并被指定为三维数组。

const vs = `#version 300 es
in vec3 positions;

void main() {
    gl_Position = vec4(positions, 1.0);
}`;
const fs = `#version 300 es
precision mediump float;

out vec4 fragColor;

void main() {
    fragColor = vec4(0.3, 0.5, 0.7, 1.0);
}`;
const material: JMaterial = {
    program: {
        vertex: vert(vs),
        fragment: frag(fs)
    }
};

构造渲染场景​

渲染场景用下面这个树结构来表示：

声明绘制单元​

在上面已经声明好了geometry与material，二者构成了一个绘制单元。

const primitive = Primitive({
    geometry: geometry,
    material: material
});

声明渲染节点​

将上面的绘制单元作为对象，声明一个渲染节点。

const node: JNode = {
    name: 'test',
    mesh: {
        primitives: [primitive]
    }
};

构造场景​

您会发现，我们在渲染通道pass中不仅包含了背景，还包含了上面构造好的渲染节点。

const background = Background({
    size: ivec2(canvas.width, canvas.height),
    colorMask: clr4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0),
    depthMask: float(1.0)
});
const pass: JPass = Pass({
    background: background,
    node: {
        name: 'test',
        children: [node],
    }
});
const scene: JScene = {
    name: 'scene',
    passes: [pass],
};

程序绘制出来的结果如下：

triangle