js canvas如何绘制3d

JS Canvas如何绘制3D：使用WebGL、创建顶点和片元着色器、进行矩阵变换、添加光照效果

使用WebGL是实现3D绘图的核心方法。WebGL是一个JavaScript API，用于在HTML5 Canvas中绘制交互式3D图形。它基于OpenGL ES 2.0，为浏览器中的3D图形提供了硬件加速。使用WebGL，可以通过创建顶点和片元着色器、进行矩阵变换、以及添加光照效果来实现复杂的3D场景。接下来，我们将详细探讨这些步骤。

一、使用WebGL

WebGL是基于OpenGL ES 2.0的浏览器API，用于在Canvas中绘制高性能的3D图形。它提供了一组低级别的绘图指令，使开发者能够直接控制GPU进行渲染。

1. 初始化WebGL上下文

要使用WebGL，首先需要获取Canvas元素并初始化WebGL上下文。

const canvas = document.getElementById('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');
if (!gl) {
    console.error('WebGL not supported, falling back on experimental-webgl');
    gl = canvas.getContext('experimental-webgl');
}
if (!gl) {
    alert('Your browser does not support WebGL');
}

2. 创建和编译着色器

WebGL使用GLSL（OpenGL Shading Language）编写的着色器进行渲染。通常需要两个着色器：顶点着色器和片元着色器。

顶点着色器：

const vertexShaderSource = `
attribute vec4 a_position;
void main() {
    gl_Position = a_position;
}
`;
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertexShaderSource);
gl.compileShader(vertexShader);

片元着色器：

const fragmentShaderSource = `
void main() {
    gl_FragColor = vec4(1, 0, 0, 1); // red color
}
`;
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSource);
gl.compileShader(fragmentShader);

二、创建顶点和片元着色器

着色器是用于在GPU上执行的程序，顶点着色器处理顶点数据，而片元着色器则处理像素数据。

1. 链接着色器程序

编译好着色器后，需要将它们链接到一个WebGL程序对象中。

const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
if (!gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)) {
    console.error('Could not initialize shaders');
}

2. 提供顶点数据

接下来，需要将顶点数据传递到顶点着色器。

const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
const positions = [
    -1.0, -1.0,
     1.0, -1.0,
    -1.0,  1.0,
     1.0,  1.0,
];
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW);
const positionLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_position');
gl.enableVertexAttribArray(positionLocation);
gl.vertexAttribPointer(positionLocation, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

三、进行矩阵变换

为了实现3D效果，需要对顶点数据进行矩阵变换。常见的矩阵变换包括平移、旋转和缩放。

1. 引入矩阵库

为了简化矩阵操作，可以使用glMatrix库。

<script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/gl-matrix/2.8.1/gl-matrix-min.js"></script>

2. 应用矩阵变换

通过矩阵变换，可以实现模型视图和投影变换。

const mat4 = glMatrix.mat4;
const modelViewMatrix = mat4.create();
const projectionMatrix = mat4.create();
mat4.perspective(projectionMatrix,
                 45 * Math.PI / 180,  // field of view in radians
                 canvas.clientWidth / canvas.clientHeight,
                 0.1,  // near clipping plane
                 100.0);  // far clipping plane
mat4.translate(modelViewMatrix,     // destination matrix
               modelViewMatrix,     // matrix to translate
               [-0.0, 0.0, -6.0]);  // amount to translate

四、添加光照效果

光照效果可以增加3D场景的真实感。常见的光照模型包括环境光、漫反射光和镜面反射光。

1. 设置光源

在顶点着色器中引入光源参数。

const vertexShaderSource = `
attribute vec4 a_position;
attribute vec3 a_normal;
uniform mat4 u_modelViewMatrix;
uniform mat4 u_projectionMatrix;
uniform vec3 u_lightWorldPosition;
varying vec3 v_normal;
varying vec3 v_surfaceToLight;
void main() {
    gl_Position = u_projectionMatrix * u_modelViewMatrix * a_position;
    vec3 surfaceWorldPosition = (u_modelViewMatrix * a_position).xyz;
    v_surfaceToLight = u_lightWorldPosition - surfaceWorldPosition;
    v_normal = mat3(u_modelViewMatrix) * a_normal;
}
`;

2. 计算光照

在片元着色器中计算光照效果。

const fragmentShaderSource = `
precision mediump float;
varying vec3 v_normal;
varying vec3 v_surfaceToLight;
void main() {
    vec3 normal = normalize(v_normal);
    vec3 surfaceToLightDirection = normalize(v_surfaceToLight);
    float light = dot(normal, surfaceToLightDirection);
    gl_FragColor = vec4(1, 0, 0, 1);
    gl_FragColor.rgb *= light;
}
`;

五、渲染场景

最后，将所有步骤结合起来进行渲染。

gl.useProgram(program);
gl.uniformMatrix4fv(gl.getUniformLocation(program, 'u_modelViewMatrix'), false, modelViewMatrix);
gl.uniformMatrix4fv(gl.getUniformLocation(program, 'u_projectionMatrix'), false, projectionMatrix);
const lightWorldPosition = [5, 5, 10];
gl.uniform3fv(gl.getUniformLocation(program, 'u_lightWorldPosition'), lightWorldPosition);
gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);

通过以上步骤，我们可以在Canvas中使用WebGL绘制3D图形。虽然这些步骤看起来繁琐，但它们提供了极大的灵活性和性能优势。通过进一步优化和扩展，可以实现更复杂和逼真的3D场景。

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