1 初试webGL

const canvas = document.getElementById('canvas')
//获取webgl上下文对象 相当于设置画笔
const gl = canvas.getContext('webgl')
//声明颜色
gl.clearColor(0,0,0,1)

gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT)

2 将rbga颜色设置为webgl颜色

使用three.js的color

const color = new Color('rgba(255,1,2,1)')

3 webgl坐标系

坐标中心位于原点，y轴方向朝上，其余和正常坐标系一致

4 webgl绘图步骤

建立canvas画图
获取canvas画布
使用canvas获取wegbl绘图上下文
在script中建立顶点着色器和片元着色器

<script id="vertexShader" type="x-shader/x-vertex">
<script id="fragmentShader" type="x-shader/x-fragment">

初始化着色器


      //获取着色器文本
      const vsSource = document.querySelector("#vertexShader").innerHTML;
      const fsSource = document.querySelector("#fragmentShader").innerHTML;
      //初始化着色器
      initShaders(gl, vsSource, fsSource);

      function initShaders(gl, vsSource, fsSource) {
        //创建程序对象
        const program = gl.createProgram();
        //建立着色对象
        const vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vsSource);
        const fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fsSource);
        //把顶点着色对象装进程序对象中
        gl.attachShader(program,vertexShader)
        gl.attachShader(program,fragmentShader)
        //连接webgl上下文对象和程序对象
        gl.linkProgram(program)
        //启动程序对象
        gl.useProgram(program)
        //将程序对象挂载到上下文对象中
        gl.program = program
        return true
      }

      function loadShader(gl,type,source){
        //根据着色类型，建立着色器对象
        const shader = gl.createShader(type)
        //将着色器源文件传入着色器对象中
        gl.shaderSource(shader,source)
        //编译着色器对象
        gl.compileShader(shader)
        return shader
      }

5 着色器

着色器语言是GLSL ES语言

顶点着色器：描述顶点的特征，如位置、颜色
片元着色器：进行逐片元处理，如光照

着色器编程：

void main(){
	gl_Position = vec4(x,y,z,1.0);
	gl_PointSize = 100.0;
	gl_FragColor = vec4(r,g,b,a)
}

着色器初始化：

//建立程序对象
const shader = gl.createProgram()

//建立着色对象
const vertexShader = loadShader(gl,gl.VERTEX_SHADER,vsSource)
const fragShader = loadShader(gl,gl.FRAGMENT_SHADER,fsSource)

//将着色器对象装入程序对象中
gl.attachShader(program,vertexShader)
gl.attachShader(program,fragmentShader)

//连接webgl上下文对象和程序对象
gl.linkProgram(program)

//启动程序对象
gl.useProgram(program)

gl.program = program


function loadShader(gl,type,source){
	//根据着色器类型，建立着色器对象
	const shader = gl.createShader(type)
	//将着色器对象放入着色器源文件中
	gl.shaderSource(shader,source)
	//编译着色器对象
	gl.compileShader(shader)
	return shader
}

attribute变量及设置:

const position = gl.getAttribLocation(gl.program,'z_position')

//设置前3各值
gl.vertexAttrib3f(position,0,0,0)

6 获取鼠标点在webgl坐标系中的位置

webgl是同步绘图是由颜色缓冲区导致的，颜色缓冲区中存储的图像只在当前线程有效；在执行异步线程时，颜色缓冲区会被重置

canvas.addEventListener('click',(e)=>{
	const { clientX,clientY } = e
	const {left,top,width,height} = gl.getBoundingClientRect()
	const [ cssX,cssY ] = [clientX-left,clientY-top]
	const [halfWidth,halfHeight] = [width/2,height/2]
	const [ x,y ] =  [(cssX-halfWidth)/halfWidth,(halfHeight-cssY)/halfHeight]
	a.points.push({x,y})
	render()
})

function render(){
	gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT)
	a.points.forEach(({x,y})=>{
		gl.vertexAttrib2f(a_position,x,y)
		gl.drawArrays(gl.POINTS,0,1)
	})
}

7 修改顶点颜色

使用uniform限定符

const u_fragColor= gl.getUniformLocation(gl.program,'u_fragColor')
gl.uniform4f(u_fragColor,0,0,0,0)
const arr = new Float32Array([r,g,b,a])
gl.uniform4fv(u_fragColor,arr)

8 鼠标绘制星空

设置切片范围

precision mediump float;
uniform rec4 u_fragcolor;
void main(){
	float dist = distance(gl_PointCoord,rec2(0.5,0.5));
	if(dist<0.5){
		gl_FragColor = u_fragcolor;	
	}else {
		discard;
	}
}

9 设置颜色透明度

需要开启片元的颜色合成功能

gl.enable(gl.BLEND)
//设置片元的合成方式
gl.blendFunc(gl.SRC_ALPHA,gl.ONE_MINUS_SRC_ALPHA)

10 绘制多个点

//设置顶点坐标
const vertices = new Float32Array([0,0,0.1,0.1,0.2,0.2])
//建立顶点缓冲区
const vertexBuffer = gl.createBuffer()
//绑定缓冲区对象
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER,vertexBuffer)
//写入顶点数据
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER,vertices,gl.STATIC_DRAW)
//获取attribute变量
const a_position = gl.getAttribLocation(gl.program,'a_position')
//设置attribute变量
gl.vertexAttribPointer(a_position,2,gl.FLOAT,false,0,0)
gl.clearColor(0,0,1,1)
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT)
gl.drawArrays(gl.POINTS,0,3)

11 绘制线

LINES：每两点连线
LINE_STRIP：连接所有点成线
LINE_LOOP：形成闭环

12 判断三角形的第三个顶点是否处于正半边

有A（x1，y1）、B（x2，y2）、C（x3，y3）

const abX = x2-x1
const abY = y2-y1
const acX = x3-x1
const acY = y3-y1

const dist = abX*acY - abY*acX

if(dist>0){
	return true
}

13 旋转

无论绕那个轴，从正半轴向正半轴逆时针旋转都是正

（1）先移动后旋转
移动到相应位置后，按原来的中心点进行旋转

（2）先旋转后移动
先按中心点旋转，然后再位移

绕z轴逆时针旋转角度：[[cosθ,-sinθ]，[sinθ，cosθ]]

14 视图矩阵

视点：相机的位置
视线方向：相机所看的方向
上方向：相机绕视线转动的方向

三维向量叉乘：

x={ax,ay,az}
y = {bx,by,bz}

cross(x,y)=(ay*bz-az*by,)

生成视图矩阵：

function getViewMatrix(e, t, u){
	const c = new Vector3().subVectors(e, t).normalize()
	const a = new Vector3().corssVectors(u, c).normalize()
	const b = new Vector3().crossVectors(c, a).normalize()
	const mr = new Matrix4().set(
		...a,0,
		...b,0,
		-c.x,-c.y,-c.z,0,
		0,0,0,1
	)
	const mt = new Matrix4().set(
		1,0,0,-e.x,
		0,1,0,-e.y,
		0,0,1,-e.z,
		0,0,0,1	
	)
	return mr.multiple(mt).elements
}

15 多attribute数据合一

//按列拼接
const source = new Float32Array([])
//元素字节数
const elementBytes = source.BYTES_PRE_ELEMENT
//变量长度
const verticeSize = 3
const colorSize = 4
//总长度
const category = verticeSize + colorSize
//总字节数
const categoryBytes = catefory*elementBtyes
//变量索引
const verticeIndex = 0
const colorIndex = verticeSize * elementBytes
//顶点总数
const sourceSize = source.length/categorySize

//设置某个attribute变量
//gl.vertexArrtibPointer(index,size,type,normalized,stride,offset)
const a_color = gl.getAttribLocation(gl.program,'a_color')
gl.vertexAttribPointer(
	a_color,
	colorSize,
	gl.FLOAT,
	false,
	categoryBytes,
	colorIndex
)

16 纹理

//将图片上下对称翻转坐标轴
gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL)

//激活纹理单元
gl.activeTexture(gl.TEXTURE0)
//创建纹理对象
const texture = gl.createTexture()
//将纹理对象装进纹理单元中
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D,texture)
//创建图像
const image = new Image()
img.src = ''
img.onlaod = function(){
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D,0,gl.RGB,gl.RGB,gl.UNSIGNED_BYTE,image)
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D,gl.TEXTURE_MIN_FILTER,gl.LINEAR)
//防止非2的n次幂图像无法显示
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D,gl.TEXTURE_WRAP_S,gl.CLAMP_TO_EDGE)

gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D,gl.TEXTURE_WRAP_T,gl.CLAMP_TO_EDGE)

}

纹理混合：mix(m,n,a)：m+(n-m)*a

跨域贴图：设置image.setAttribute(‘crossOrigin’,‘Anonymous’)

17 GLSL ES语言

结构体：struct

struct Light{
	vec4 color;
	vec3 pos;
};

void main(){
	Light l1 = Light(
		vec4(255,255,0,255),
		vec3(1,2,3)
	)
	gl_FragColor = l1.color/255.0;
}

数组

vec4 vs[2];
vs[0]=vec4();


const int n=2;
vec4 vs[n];

for循环
for循环的循环变量必须是int或float

for(int i=0;i<3;i++){}

for(float i=0.0;i<4.0;i++){}

函数

//不会影响原始数据，如果想修改原始数据要使用out
void setLum(in vec3 color){
	color.y = 255.0
}

设置精度
精度有：highp、mediump、lowp，float是没有默认精度的

//设置某个变量的精度
mediump float size;

//设置某种数据类型的精度
precision mediump float;

设置颜色渐变

//获取片元的投影长度
//以投影长度比例乘以颜色差值获得该点的颜色

18 四元数

在这里插入图片描述
例如有一点p需要绕OC2轴旋转ang度，那么可以让c2旋转到z轴对齐，然后点p绕z轴旋转ang度，然后再旋转回来

在这里插入图片描述
如何旋转到Z轴？C2旋转B2OB1度到C3,然后C3旋转C3OB1度到Z轴

//three.js中采用四元数旋转
const quaternion = new Quaternion()
quaternion.setFromAxisAngle(oc2,ang)
const m = new Matrix4()
m.makeRotationFromQuaternion(quaternion)
p1.clone().applyMatrix4(m)

19 正交投影矩阵

顶点在空间中的位置：投影矩阵\*视图矩阵\*模型矩阵*顶点的初始位置

正交投影矩阵=缩放矩阵*位移矩阵

const projectMatrix = new Matrix4()
//定义相机世界高度的一半
const halfH = 2
//计算画布的宽高比
const ratio = canvas.width/canvas.height
//计算相机的宽度
const halfW = halfH*ratio
//定义相机的6个边界
const [left,right,top,bottom,near,far]=[
	-halfW,halfW,halfH,-halfH,0,4
]

//获取正交投影矩阵
projectionMatrix.makeOrthographic(left,right,top,bottom,near,far)

20 视图位移

const camera = new OrthographicCamera(left,right,top,bottom,near,far)

camera.position.set(0,0,3)
camera.updateWorldMatrix(true)

const pvMatrix = new Matrix4().multiplyMatrices(
	camera.projectionMatrix,
	camera.matrixWorldInverse
)

21 视图旋转

const eye = new Vector3(1,2,3)
const target = new Vector3(0,0,0)
const up = new Vector3(1,1,1)

const camera = new OrthographicCamera(left,right,top,bottom,near,far)
camera.position.set(eye)

camera.lookat(target)
camera.updateWorldMatrix(true)

//计算投影矩阵
const pvMatrix = new Matrix4().multiplyMatrices(
	camera.projectionMatrix,
	camera.matrixWorldInverse
)

原理：

//位移矩阵
const positionMatrix = new Matrix4().setPosition(eye)

//旋转矩阵
const rotationMatrix = new Matrix4().lookAt(eye,target,up)

//计算相机的视图矩阵
const viewMatrix = new Matrix4().multiplyMatrices(
	positionMatrix,rotationMatrix
)

//投影视图矩阵
const pvMatrix = new Matrix4().multiplyMatrices(
	camera.projectionMatrix,viewMatrix
)

22 透视投影矩阵

在这里插入图片描述
两种数据间的转换关系为y=k*x+b
其中k=(maxM-minM)/(maxN-minN)以及b=minM-k*minN

在这里插入图片描述

fov：相机视锥体垂直视野角度
aspect：摄像机视锥体宽高比
near：近裁剪面到视点的距离
far：远裁剪面到视点的距离

在这里插入图片描述

//在three.js中使用透视投影矩阵
//建立透视相机
const [fov,aspect,near,far] = [45,canvas.width/canvas.height,1,20]

const camera = new PerspectiveCamera(fov,aspect,near,far)

23 对投影矩阵、视图矩阵、模型矩阵的理解

模型矩阵：相当于更改物体的位置
视图矩阵：相当于改变相机位置
投影矩阵：将顶点坐标变换到裁剪坐标

24 相机轨道控制器

（1）设置相机位移轨道

//鼠标事件
const mouseButtons = new Map([
	[2, 'pan']
])

//轨道控制器状态,'pan'代表位移
let state = 'none'

//鼠标拖拽的起始和结束位置
const dragStart = new Vector2()
const dragEnd = new Vector2()

//鼠标移动的位移量
const panoffset = new Vector3()

//鼠标垂直拖拽，是基于y轴还是z轴
// true:y false:z
const screenSpacePanning = true

//取消右击菜单显示
canvas.addEventListener('contextmenu',event=>{
	event.preventDefault()
})

//指针按下时，设置拖拽起始位，获取轨道控制器状态
canvas.addEventListener('pointerdown',({clientX,clientY,button})=>{
	dragStart.set(clientX,clientY)
	state = mouseButtons.get(button)
})

//指针平移时，如果控制器处于移动状态，平移相机
canvas.addEventListener('pointermove',(event)=>{
	switch(case){
		case 'pan':
			handleMouseMovePan(event)	
	}
})

//指针抬起，清楚控制器状态
canvas.addEventListener('pointerup',(event)=>{
	state = 'none'
})

const handleMouseMovePan = ({clientX,clientY,button})=>{
	dragEnd.set(clientX,clientY)
	//基于拖拽距离拖拽相机
	pan(dragEnd.clone().sub(dragStart))
	//重置起始点位置
	dragStart.clone(dragEnd)
}	

//相机移动是基于鼠标在近裁剪面上的位移量来移动的
const pan = (delta)=>{
	//相机近裁剪面尺寸
	const cameraWidth = camera.right - camera.left
	const cameraHeight = camera.top - camera.bottom
	//指针拖拽量在画布中的比值
	const ratioX = delta.x / canvas.clientWidth
	const ratioY = delta.y / canvas.clientHeight
	//将像素单位的位移量转换为近裁剪面上的位移量
	const distanceLeft = ratioX * cameraWidth
	const distanceUp = ratioY * cameraHeight
	//相机本地坐标系的x轴 取相机本地坐标系第一列作为x轴
	const mx = new Vector3().setFromMatrixColumn(camera.matrix,0)
	//相机x轴位移量
	const vx = mx.clone().multiplyScalar(-distanceLeft)
	//相机z/y轴平移量
	const vy = new Vector3()
	if (screenSpacePanning){
		vy.setFromMatrixColumn(camera.matrix,1)
	} else {
	//-z向
	//相机的上方向叉乘x轴会得到-z轴 x轴叉乘上方向得到z轴
		vy.crossVectors(camera.up,mx)
	}
	vy.multiplyScalar(distanceUp)
	//整合平移量
	panoffset.copy(vx.add(vy))
	update()
}

const update = ()=>{
	//移动相机的目标点
	target.add(panoffset)
	//移动相机视点
	camera.position.add(panoffset)
	//看向目标点
	camera.lookAt(target)
	//更新相机世界坐标系
	camera.updateWorldMatrix(true)
	//计算投影视图矩阵
	pvMatrix.multiplyMatrix(
		camera.projectionMatrix,
		camera.matrixWorldInverse,
	)
	render()	
}

（2）设置相机旋转轨道

（3）设置相机缩放轨道
主要是让在同一深度上的东西更多或者更少

//定义缩放系数
const zoomScale = 0.95

//添加滚动事件
canvas.addEventListener('wheel',handleMouseWheel)

const handleMouseWheel = ({deltaY})=>{
	if(deltaY<0){
		dolly(1/zoomScale)	
	} else if (deltaY>0) {
		dolly(zoomScale)
	}
	update()
}