webgl基础1
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# 基础概念
# 着色器
着色器:使用webgl绘图,必须使用着色器。着色器程序以字符串的形式“嵌入”javascript文件中。类似c的编程语言,来实现视觉效果, 【着色器源码中的结尾分号“;” 是必须不能少】。webgl中共有2种着色器
- 顶点着色器:用来描述顶点特性(位置、颜色)信息,
- 片元着色器:进行逐片元处理过程如:光照的程序;
webgl程序中,图形的绘制主要就是依赖着色器代码实现。着色器可以灵活实现光照、灯光、阴影、贴图等渲染效果。
# 左右手坐标系
openGL中使用的是右手坐标系 (opens new window);
- 右手坐标系,z轴正方向是从屏幕里向外
- 左手坐标系,z轴正方向是从外向屏幕里
# 变量:
attribute、uniform、varying可以定义js和webgl【着色器】中传递数据的变量。
- attribute:定义的是与顶点相关的数据,例如位置;只能用在顶点着色器中。
- uniform:定义对应所有顶点都相同的数据(与顶点无关),例如:颜色,大小
- varying: 定义必须是全局变量,目的是从顶点到片元着色器传输数据。必须同时在两种着色器中声明同名、同类型的varying变量。
定义变量的格式:<存储限定符> <类型> <变量名>;
⚠️:行结尾的分号不可以漏掉;
attribute vec4 a_Position;
vec4: 表示有4个浮点数定义的矢量
# 齐次坐标
在坐标定义中,vec4变量中的第4个值表示齐次坐标值。
齐次坐标(x,y,z,w)等价于三维坐标(x/w,y/w,z/w)。所以如果第4个分量值是1,就可以把vec4定义的矢量当作三维坐标使用。
w的值必须大于等于0,如果是趋近0,就表示点趋近无穷远。
矩阵坐标乘法会经常用到齐次坐标。
绘制操作函数
drawArrays:用来绘制各种图形;共3个参数,mode、first、count
●mode:指定绘制方式,有gl.POINTS, gl.LINES, gl.LINE_STRIP, gl.LINE_LOOP, gl.TRIANGLES, gl.TRIANGLE_STRIP, gl.TRIANGLE_FAN
●first: 指定从哪个顶点开始绘制,【整型数】
●count:指定绘制需要用多少个顶点【整型数】
错误:
INVALID_ENUM: 传入的mode参数不合法
INVALID_VALUE: 参数first或count为负数
类型化数组
javascript中Array定义的变量不能限定变量的类型,这对于需要处理大量数据的三维绘图程序来说性能低。
在webgl中通常会处理大量同类型的数据,为了优化性能,webgl为每种基本数据类型引入了特殊的类型化数组。
例如:Float32Array是32位浮点类型数组,通常用来存储顶点的坐标或颜色数据。
数组类型 | 占的字节 | 描述(c语言中的数据类型) |
---|---|---|
Int8Array | 1 | 8位整型数(signed char) |
UInt8Array | 1 | 8位无符号整型数(unsigned char) |
Int16Array | 2 | 16位整型数(signed short) |
UInt16Array | 2 | 16位无符号整型数(unsigned short) |
Int32Array | 4 | 32位整型数(signed int) |
UInt32Array | 4 | 32位无符号整型数(unsigned int) |
Float32Array | 4 | 单精度32位浮点数(float) |
Float64Array | 8 | 双精度64位浮点数(double) |
注意:与普通的javascript数组不同的是,类型化数组不支持push和pop方法
类型化数组的方法
方法、属性、常量 | 描述 |
---|---|
get(index) | 获取第 index 个元素 |
set(index, value) | 设置第 index 个元素的值为value |
set(array, offset) | 从第 offset 个元素开始,将数组 array 中的值填充进去 |
length | 数组的长度 |
BYTES_PER_ELEMENT | 数组中每个元素所占的字节数 |
创建类型化数组
// 使用 new 关键字是创建类型化数组的唯一方式,
new Float32Array([1.0, 2.0, -1.0, 2.0]);
// 也可以指定数组元素个数创建一个空的类型化数组
new Float32Array(4);
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# 创建第一个webgl程序
# 1.在html中添加canvas标签
<div>
<canvas id="canvas" width="400" height="400"></canvas>
</div>
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# 2.设置绘图上下文
// 获取canvas元素
const ctx = document.getElementById('canvas')
// 获取webgl绘图上下文
const gl = ctx.getContext('webgl')
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# 3.设置顶点着色器和片元着色器 代码
// 顶点着色器代码
const VERTEX_SHADER = `
void main(){
gl_Position = vec4(0.0,0.0,0.0,1.0);
gl_PointSize = 15.0;
}
`;
// 片元着色器代码
const FRAGMENT_SHADER = `
void main(){
gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
}
`;
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# 4.创建着色器对象
// 创建顶点着色器
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
// 创建片元着色器
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
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# 5.将着色器代码添加到着色器对象中
// 将顶点着色器代码添加到顶点着色器中
gl.shaderSource(vertexShader, VERTEX_SHADER);
// 将片元着色器代码添加到片元着色器中
gl.shaderSource(fragmentShader, FRAGMENT_SHADER);
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# 6.编译着色器对象
// 添加完成后,需要编译着色器对象
gl.compileShader(vertexShader);
gl.compileShader(fragmentShader);
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# 7.创建程序对象,将着色器对象添加到程序对象中
const program = gl.createProgram();
// 将着色器添加到程序中
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
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# 8.关联程序对象
// 关联program
gl.linkProgram(program);
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# 9.使用程序对象
// 使用program
gl.useProgram(program);
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# 10.设置背景色
// 设置背景色
gl.clearColor(0.2, 0.8, 0.0, 1.0);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER);
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# 11.绘制点
// 绘制点
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
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# 完整的绘制代码:
# 以上绘制流程抽象为一个initShader方法
/**
* @description: 生成webgl着色器对象的程序
* @param {*} gl gl的上下文对象;ctx.getContext('webgl')
* @param {*} VERTEX_SHADER_SOURCE;顶点着色器源码
* @param {*} FRAGMENT_SHADER_SOURCE;片元着色器源码
* @return {*} 程序对象
*/
function initShader(gl, VERTEX_SHADER_SOURCE, FRAGMENT_SHADER_SOURCE) {
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, VERTEX_SHADER_SOURCE) // 指定顶点着色器的源码
gl.shaderSource(fragmentShader, FRAGMENT_SHADER_SOURCE) // 指定片元着色器的源码
// 编译着色器
gl.compileShader(vertexShader)
gl.compileShader(fragmentShader)
// 创建一个程序对象
const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader)
gl.attachShader(program, fragmentShader)
gl.linkProgram(program)
gl.useProgram(program)
return program;
}
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# 移动点位置、定义点位置
# 使用vertexAttrib[n]f方法改变点位置
动态设置attribute
属性,改变点的位置;
attribute
变量是 GLSL ES 变量,被用来从外部【javascript】向着色器内传输数据,只有顶点着色器能使用attribute
变量。
在顶点着色器中使用attribute,先进行定义;如下第3行表示定义 attribute
变量
// // 顶点着色器代码
const VERTEX_SHADER = `
attribute vec4 aPosition;
void main(){
gl_Position = aPosition;
gl_PointSize = 15.0;
}
`;
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# 1: 使用getAttribLocation
获取位置变量
let aPos = gl.getAttribLocation(program, name);
获取有 name 参数指定的 attribute 变量的存储地址。
参数: program :指定包含顶点着色器和片元着色器的着色器程序对象
name: 指定想要获取其存储地址的 attribute
变量的名称
返回值: 大于等于0 attribute 变量的存储地址
-1 指定的attribute变量不存在
错误: INVALID_OPERATION 程序对象未能成功连接
INVALID_VALUE name参数的长度大于 attribute
变量名的最大长度(默认256)
# 2: 使用vertexAttrib1f
进行设置变量
gl.vertexAttrib1f是一系列同族函数中的一个,该系列函数的任务是从javascript向顶点着色器中attribute属性传递值。
gl.vertexAttrib1f(aPos, x);
- vertexAttrib1f:设置参数的1个变量,后边跟一个变量和一个参数
- vertexAttrib2f: 设置参数的2个变量,
vertexAttrib2f(aPos, x, y)
- vertexAttrib3f: 设置参数的3个变量,
vertexAttrib3f(aPos, x, y, z)
- vertexAttrib4f: 设置参数的4个变量,
vertexAttrib4f(aPos, x, y, z, w)
可以是3f也可是3i;f表示浮点数,i表示整数
# 完整代码
// 获取canvas元素
const ctx = document.getElementById('canvas')
// 获取webgl绘图上下文
const gl = ctx.getContext('webgl')
// // 顶点着色器代码
const VERTEX_SHADER = `
attribute vec4 aPosition;
attribute float aPosSize;
void main(){
gl_Position = aPosition;
gl_PointSize = 15.0;
}
`;
// 片元着色器代码
const FRAGMENT_SHADER = `
void main(){
gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
}
`;
let program = initShader(gl, VERTEX_SHADER, FRAGMENT_SHADER);
// getAttribLocation,获取gl的program对象的locatiion参数
let aPos = gl.getAttribLocation(program, 'aPosition');
let aSize = gl.getAttribLocation(program, 'aPosSize');
gl.vertexAttrib1f(aSize, 18);
let x = 0.0;
setInterval(() => {
x = x + 0.05;
if (x < 1.0) {
// 设置顶点的attribute数据
gl.vertexAttrib1f(aPos, x);
} else {
x = 0.0;
}
// 设置背景色
gl.clearColor(0.2, 0.8, 0.0, 1.0);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER);
// 绘制点
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
}, 200)
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通过定时器移动点的位置,可以创建出动画效果。后边的矩阵变换也是通过点位置坐标的改变实现。
# 使用buffer数据设置点的位置
1.使用createBuffer创建buffer对象const buffer = gl.createBuffer();
2.绑定buffer数据gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
3.赋值buffer数据gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, points, gl.STATIC_DRAW);
4.使用vertexAttribPointer方法,对aPosition变量进行赋值gl.vertexAttribPointer(aPosition, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
5.开启着色器中顶点的属性gl.enableVertexAttribArray(aPosition)
# buffer数据
缓冲区对象是webgl系统中一块存储区,可以在缓冲区对象保存想要绘制的所有顶点的数据。
要使用缓冲区数据,首先创建一个缓冲区,然后向其中写入顶点数据,这样就能一次性的向顶点着色器中传入多个顶点的attribute变量的数据。
- createBuffer:创建缓冲区对象
- bindBuffer:绑定缓冲区,2个参数
- target:可以是
ARRAY_BUFFER
或者ELEMENT_ARRAY_BUFFER
- buffer:由createBuffer创建出来的buffer数据
- target:可以是
- bufferData:向缓冲区对象写入数据,3个参数
- target:可以是
ARRAY_BUFFER
或者ELEMENT_ARRAY_BUFFER
- data:写入缓冲区对象的数据,一般指定义的类型化数组
- usage:三种变量类型gl.STATIC_DRAW、gl.STREAM_DRAW、gl.DYNAMIC_DRAW
- target:可以是
# vertexAttribPointer函数
将缓冲区对象分配给attribute变量,包含6个参数
- location:指定待分配 attribute 变量的存储位置
- size: 指定缓冲区每个顶点的分量个数
- type:用来指定数据格式
- gl.UNSIGNED_BYTE: 无符号字节,Unit8Array
- gl.SHORT: 短整型,Int16Array
- gl.UNSIGNED_SHORT:无符号短整型,Uint16Array
- gl.INT:整型,Int32Array
- gl.UNSIGNED_INT:无符号整型,Uint32Array
- gl.FLOAT:浮点型,Float32Array
- normalized: 布尔类型,表明是否将非浮点型的数据归一化
- stride: 指定相邻两个顶点间的字节数,默认为0
- offset: 指定缓冲区对象中的偏移量,即 attribute变量从缓冲区中何处开始存储。
最后通过gl.enableVertexAttribArray(position)
函数开启 attribute 变量;执行该函数后,才算将缓冲区对象和attribute变量之间建立了真正连接。
# 完整示例代码
function initShader(gl, VERTEX_SHADER_SOURCE, FRAGMENT_SHADER_SOURCE) {
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, VERTEX_SHADER_SOURCE) // 指定顶点着色器的源码
gl.shaderSource(fragmentShader, FRAGMENT_SHADER_SOURCE) // 指定片元着色器的源码
// 编译着色器
gl.compileShader(vertexShader)
gl.compileShader(fragmentShader)
// 创建一个程序对象
const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader)
gl.attachShader(program, fragmentShader)
gl.linkProgram(program)
gl.useProgram(program)
return program;
}
const ctx = document.getElementById('canvas')
const gl = ctx.getContext('webgl')
// 创建着色器源码
const VERTEX_SHADER_SOURCE = `
attribute vec4 aPosition;
void main() {
gl_Position = aPosition;
}
`; // 顶点着色器
const FRAGMENT_SHADER_SOURCE = `
void main() {
gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}
`; // 片元着色器
const program = initShader(gl, VERTEX_SHADER_SOURCE, FRAGMENT_SHADER_SOURCE)
const aPosition = gl.getAttribLocation(program, 'aPosition');
const points = new Float32Array([
-0.8, -0.8,
0.8, -0.8,
0.0, 0.8,
])
// 使用vertexAttribPointer给aPosition赋值
const buffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, points, gl.STATIC_DRAW);
gl.vertexAttribPointer(aPosition, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(aPosition);
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);
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创建出红色三角形
# drawArrays绘制多点图形
drawArrays方法包含3个参数:mode、first、count
- 设定不同的绘制方式,包括 POINTS、LINES、LINE_STRIP、LINE_LOOP、TRIANGLES、TRIANGLE_STRIP、TRIANGLE_FAN
- 设置从哪个点开始绘制
- 指定绘制需要几个顶点
设置不同的mode绘制方式,会显示不同的绘制效果。如下图:
# 示例代码:展示4边形
# 绘制2个三角形
# TRIANGLES三角形
// 修改坐标点数据
const points = new Float32Array([
-0.5, -0.5,
0.5, -0.5,
-0.5, 0.5,
0.5, 0.5,
0.8, 0.9,
0.9, 0.3,
])
// 修改绘制方式
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);
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# TRIANGLE_STRIP
// 修改坐标点数据
const points = new Float32Array([
-0.5, -0.5,
0.5, -0.5,
-0.5, 0.5,
0.5, 0.5,
0.8, 0.9,
0.9, 0.3,
])
// 修改绘制方式
gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 6);
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# TRIANGLE_FAN
// 修改坐标点数据
const points = new Float32Array([
-0.5, -0.5,
0.5, -0.5,
-0.5, 0.5,
0.5, 0.5,
0.8, 0.9,
0.9, 0.3,
])
// 修改绘制方式
gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_FAN, 0, 6);
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# 使用数学公式进行操作
# 平移
通过修改着色器顶点数据,将原始数据和变量数据相加
# 旋转
绕着Z轴旋转,对x和y的坐标分别进行赋值。
gl_Position.x = aPosition.x * cos(deg) - aPosition.y * sin(deg);
gl_Position.y = aPosition.x * sin(deg) + aPosition.y * cos(deg);
# 缩放
将原始坐标值和变量进行相乘。 jcode (opens new window)
# 使用矩阵进行操作
# 矩阵的定义
- 矩阵是横竖排列的数据表格
- 作用是把一个点转移到另外一个位置
- 只有在矩阵的列数和矢量【有多个分量组成的对象,如点坐标、颜色值等】的行数相等时,才可以将两者相乘
矩阵的乘法不符合交换率,AB和BA的结果并不相等;
上面的矩阵有3行3列,因为相乘的矢量具有3个分量,也被称为三维矢量;
x' = ax + by + cz;
y' = dx + ey + fz;
z' = gx + hy + iz;
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# 矩阵分为行主序和列主序
// 行主序
new Float32Array([
1.0, 2.0, 3.0, 4.0,
5.0, 6.0, 7.0, 8.0,
9.0, 10.0, 11.0, 12.0,
13.0,14.0, 15.0, 16.0,
])
// 列主序
new Float32Array([
1.0, 5.0, 9.0, 13.0,
2.0, 6.0, 10.0, 14.0,
3.0, 7.0, 11.0, 15.0,
4.0, 8.0, 12.0, 16.0,
])
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# 平移
如上图,把A点坐标移动到 A' 点的位置,需要进行以下坐标移动
x' = x + x1;
y' = y + y1;
z' = z + z1;
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w的值为1
x' = ax + by + cz + d;
y' = ex + fy + gz + h;
z' = ix + jy + kz + l;
w' = mx + ny + oz + p;
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将公式1和公式2进行 等式 替换
ax + by + cz + d = x + x1; // 只有当a=1且 b=c=0,d=x1的时候,等式才成立
ex + fy + gz + h = y + y1; // 只有当f=1且 e=g=0,h=y1的时候,等式才成立
ix + jy + kz + l = z + z1; // 只有当k=1且 i=j=0,l=z1的时候,等式才成立
mx + ny + oz + p = 1; // 只有当p=1且 m=n=o=0 的时候,等式才成立
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// 平移矩阵
function getTranslateMatrix(x = 0,y = 0,z = 0) {
return 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,
x , y , z , 1,
])
}
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# 完整的平移矩阵示例代码
# 使用方法uniformMatrix4fv,给矩阵赋值
gl.uniformMatrix4fv(location, transpose, array)
该方法包含3个参数:
- location:uniform变量存储的位置
- transpose:在webgl中必须设置为false
- array:待传输的类型化数组,4x4矩阵按照列主序存储在其中
函数名最后一个字母为v,表示可以向着色器传递多个数据值;
# 旋转
上图中将实线三角形转动到虚线的位置,也就是把A点坐标移动到A'点的位置;
点A坐标的位置公式
x = cos(α) * R;
y = sin(α) * R;
z = 0;
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A'点的坐标公式
x'
= R * cos(α + β)
= R * (cos(α)*cos(β) - sin(α)*sin(β) )
= R * cos(α) *cos(β) - R * sin(α) * sin(β)
= x * cos(β) - y * sin(β);
y'
= R * sin(α + β)
= R * (sin(α)*cos(β) + cos(α)*sin(β))
= R * sin(α) * cos(β) + R * cos(α)*sin(β)
= y*cos(β) + x*sin(β);
z'
= z
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将以上坐标公式带入到矩阵中
x' = ax + by+ cz + d;
y' = ex + fy + gz + h;
z' = ix + jy + kz + l;
w' = mx + ny + oz + p;
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对比旋转坐标公式和矩阵坐标公式,进行等式替换
ax + by+ cz + d = x * cos(β) - y * sin(β); // 只有a=cos(β)且b=-sin(β)、c=d=0时,等式成立
ex + fy + gz + h = y*cos(β) + x*sin(β); // 只有e=sin(β)且f=cos(β)、g=h=0时,等式成立
ix + jy + kz + l = z; // 只有k=1且i=j=l=0时,等式成立
mx + ny + oz + p = 1; // 只有p=1且m=n=o=0时,等式成立
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从而可以推导出如下的旋转矩阵公式;
// 绕z轴旋转的旋转矩阵
function getRotateMatrix(deg) {
return new Float32Array([
Math.cos(deg) ,Math.sin(deg) ,0.0,0.0,
-Math.sin(deg) ,Math.cos(deg) ,0.0,0.0,
0.0, 0.0, 1.0,0.0,
0.0, 0.0, 0.0, 1,
])
}
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# 使用矩阵完成旋转的完整代码
# 缩放
将坐标A缩放到坐标A'
x' = Tx * x;
y' = Ty * y;
z' = Tz * z;
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x' = ax + by + cz + d;
y' = ex + fy + gz + h;
z' = ix + jy + kz + l;
w' = mx + ny + oz + p;
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推导出缩放矩阵坐标如下
x, 0.0, 0.0, 0.0,
0.0, y , 0.0, 0.0,
0.0, 0.0, z , 0.0,
0.0, 0.0, 0.0, 1 ,
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// 缩放矩阵
function getScaleMatrix(x = 1,y = 1,z = 1) {
return new Float32Array([
x , 0.0, 0.0, 0.0,
0.0, y , 0.0, 0.0,
0.0, 0.0, z , 0.0,
0.0, 0.0, 0.0, 1 ,
])
}
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# 完整的缩放矩阵示例代码
# 通用矩阵变换公式
4x4矩阵不仅可以表示平移,也可以用来表示旋转和缩放;
不管是平移、缩放、旋转都可以使用 矩阵和矢量的运算
完成变换;
变换公式:<新坐标> = <变换矩阵> * <旧坐标>
比如顶点着色器中定义的 gl_Position = mat * aPosition;
const VERTEX_SHADER_SOURCE = `
attribute vec4 aPosition;
uniform mat4 mat;
void main() {
gl_Position = mat * aPosition;
gl_PointSize = 10.0;
}
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# 矩阵的混合变换
图形变换包含平移、缩放、旋转中的至少2个;
# 通过定义多个uniform变量,设置矩阵参数,进行运算
在顶点着色器中,定义 translateMatrix
、scaleMatrix
、rotationMatrix
三个矩阵变量
jcode (opens new window)
# 将2个矩阵进行复合运算
将第一个矩阵A和第二个矩阵B相乘;
1:第一步用A第1列 乘以 矩阵B第一行,计算出第一行第一列的结果
2:用A第一列 乘以 矩阵B的第2行,计算出第一行的第2列结果
3:矩阵A 第一列乘以 矩阵B的第3列,计算出第一行的第3列结果
以此类推,可以求出新的矩阵
# 根据以上结果,推导出矩阵的复合公式
// 矩阵复合函数
function mixMatrix(A, B) {
const result = new Float32Array(16);
for (let i = 0; i < 4; i++) {
result[i] = A[i] * B[0] + A[i + 4] * B[1] + A[i + 8] * B[2] + A[i + 12] * B[3]
result[i + 4] = A[i] * B[4] + A[i + 4] * B[5] + A[i + 8] * B[6] + A[i + 12] * B[7]
result[i + 8] = A[i] * B[8] + A[i + 4] * B[9] + A[i + 8] * B[10] + A[i + 12] * B[11]
result[i + 12] = A[i] * B[12] + A[i + 4] * B[13] + A[i + 8] * B[14] + A[i + 12] * B[15]
}
return result;
}
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