WebGL入门(四十二)-使用（FBO）实现阴影效果
使用（FBO）实现阴影效果
- 1. demo效果
- 2. 相关知识点
-
- 2.1 阴影如何产生
- 2.2 阴影实现原理
-
- 2.2.1 准备阴影贴图
- 2.2.2 阴影映射
- 2.2.3 马赫带消除
- 3. demo代码
1. demo效果
2. 相关知识点
现实生活中阴影无处不在，在三维世界中想要获得立体感，阴影必不可少，这里学习通过 阴影贴图 (shadow map) 实现阴影绘制的方法,阴影贴图又称 深度贴图（depth map）
2.1 阴影如何产生
如上图，坐标原点出有一光源，中间有一个三角形，右侧有一投影面，如果三角形上有一点P1，从光源发出一条光线经过P1点，在投影面的上投射的点是P2，这时P2点的位置就在阴影中，同理无数的光线穿过三角形会投射出一个区域，即上图中紫色区域，这个区域就是三角形的投影，在这个区域外则没有阴影
2.2 阴影实现原理
阴影实现原理并不难，分为两步：准备阴影贴图和阴影映射(阴影绘制)
2.2.1 准备阴影贴图
准备阴影贴图需要一对专门的着色器，即顶点着色器和片元着色器。在顶点着色器中需要接收一个模型视图投影矩阵，这个矩阵是以光源位置为视点位置计算的模型视图投影矩阵。在片元着色器中需要获取片元的深度值，即gl_FragCoord.z，存放在片元颜色的R分量中，但并不会绘图，而是写到阴影贴图中
着色器实现如下：
var SHADOW_VSHADER_SOURCE =
'attribute vec4 a_Position;\n' +
'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' + //声明uniform变量u_MvpMatrix，存放以光源位置为视点位置的模型视图投影矩阵
'void main() {\n' +
' gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' +
'}\n';
//绘制阴影的片元着色器
var SHADOW_FSHADER_SOURCE =
'#ifdef GL_ES\n' +
'precision mediump float;\n' +
'#endif\n' +
'void main() {\n' +
' gl_FragColor = vec4(gl_FragCoord.z, 0.0, 0.0, 0.0);\n' + //将片元深度值z写入RGBA颜色的R分量
'}\n';
2.2.2 阴影映射
阴影映射其实就是绘制图形，这里需要另外一对着色器，这次在顶点着色器中接收的模型视图投影矩阵，是原来场景中的模型视图投影矩阵。即以原来的视点坐标观察物体的计算出的矩阵。在片元着色器中需要将片元坐标转换为光源坐标系中的坐标，即上一步中以光源位置为视点的坐标系，然后使用当前片元的深度值与阴影贴图中记录的深度值做比较，如果前者大，则当前片元处在阴影之中。用较深暗的颜色绘制
着色器实现如下：
var VSHADER_SOURCE =
'attribute vec4 a_Position;\n' + //声明attribute变量a_Position，用来存放顶点位置信息
'attribute vec4 a_Color;\n' + //声明attribute变量a_Color，用来存放顶点颜色
'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' + //声明uniform变量u_MvpMatrix，用来存放模型视图投影组合矩阵
'uniform mat4 u_MvpMatrixFromLight;\n' +
'varying vec4 v_PositionFromLight;\n' +
'varying vec4 v_Color;\n' +
'void main() {\n' +
' gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' +
' v_PositionFromLight = u_MvpMatrixFromLight * a_Position;\n' +
' v_Color = a_Color;\n' +
'}\n';
var FSHADER_SOURCE =
'#ifdef GL_ES\n' +
'precision mediump float;\n' +
'#endif\n' +
'uniform sampler2D u_ShadowMap;\n' + //声明uniform变量u_ShadowMap，存放纹理单元编号
'varying vec4 v_PositionFromLight;\n' +
'varying vec4 v_Color;\n' +
'void main() {\n' +
' vec3 shadowCoord = (v_PositionFromLight.xyz/v_PositionFromLight.w)/2.0 + 0.5;\n' + //转换为光源坐标系，坐标区间[-1.0,1.0]转换为[0.0,1.0]
' vec4 rgbaDepth = texture2D(u_ShadowMap, shadowCoord.xy);\n' +
' float depth = rgbaDepth.r;\n' + //从R分量中获取深度值
' float visibility = (shadowCoord.z > depth + 0.005) ? 0.7 : 1.0;\n' + //判断片元在平面上是否为阴影
' gl_FragColor = vec4(v_Color.rgb * visibility, v_Color.a);\n' +
'}\n';
2.2.3 马赫带消除
在绘制阴影的片元着色中，在做深度比较时，加了一个0.005的偏移量，之所以添加这个偏移量是为了消除马赫带，如去掉这个偏移量demo效果如下
之所以产生这种效果，是因为精度问题导致相同的值也会比较结果也会不同，详细说明一下：
- 纹理图像的RGBA的每个分量都是8位，假设存储的值是0.1234567，实际上是31个1/256,即0.12109375
- 计算的当前片元深度值是float类型，是16为，假设存储的值也是0.1234567，实际上是8090个1/65535,即0.12344360
这样即使相同深度也会得出不一样的结果，就会产生马赫带，为了避免产生马赫带，需要给纹理贴图的深度值添加一个偏移量，这个偏移量应略大于精度，这里0.005略大于1/256
3. demo代码
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title></title>
</head>
<body>
<!--通过canvas标签创建一个800px*800px大小的画布-->
<canvas id="webgl" width="800" height="800"></canvas>
<script type="text/javascript" src="./lib/cuon-matrix.js"></script>
<script>
var VSHADER_SOURCE =
'attribute vec4 a_Position;\n' + //声明attribute变量a_Position，用来存放顶点位置信息
'attribute vec4 a_Color;\n' + //声明attribute变量a_Color，用来存放顶点颜色
'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' + //声明uniform变量u_MvpMatrix，用来存放模型视图投影组合矩阵
'uniform mat4 u_MvpMatrixFromLight;\n' +
'varying vec4 v_PositionFromLight;\n' +
'varying vec4 v_Color;\n' +
'void main() {\n' +
' gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' +
' v_PositionFromLight = u_MvpMatrixFromLight * a_Position;\n' +
' v_Color = a_Color;\n' +
'}\n';
var FSHADER_SOURCE =
'#ifdef GL_ES\n' +
'precision mediump float;\n' +
'#endif\n' +
'uniform sampler2D u_ShadowMap;\n' + //声明uniform变量u_ShadowMap，存放纹理单元编号
'varying vec4 v_PositionFromLight;\n' +
'varying vec4 v_Color;\n' +
'void main() {\n' +
' vec3 shadowCoord = (v_PositionFromLight.xyz/v_PositionFromLight.w)/2.0 + 0.5;\n' +
//转换为光源坐标系，坐标区间[-1.0,1.0]转换为[0.0,1.0]
' vec4 rgbaDepth = texture2D(u_ShadowMap, shadowCoord.xy);\n' +
' float depth = rgbaDepth.r;\n' + //从R分量中获取深度值
' float visibility = (shadowCoord.z > depth + 0.005) ? 0.7 : 1.0;\n' + //判断片元在平面上是否为阴影
' gl_FragColor = vec4(v_Color.rgb * visibility, v_Color.a);\n' +
'}\n';
var SHADOW_VSHADER_SOURCE =
'attribute vec4 a_Position;\n' +
'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' + //声明uniform变量u_MvpMatrix，存放以光源位置为视点位置的模型视图投影矩阵
'void main() {\n' +
' gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' +
'}\n';
//绘制阴影的片元着色器
var SHADOW_FSHADER_SOURCE =
'#ifdef GL_ES\n' +
'precision mediump float;\n' +
'#endif\n' +
'void main() {\n' +
' gl_FragColor = vec4(gl_FragCoord.z, 0.0, 0.0, 0.0);\n' + //将片元深度值z写入RGBA颜色的R分量
'}\n';
var OFFSCREEN_WIDTH = 2048
var OFFSCREEN_HEIGHT = 2048
//光源坐标
var LIGHT_X = 0,
LIGHT_Y = 7,
LIGHT_Z = 2;
//创建程序对象
function createProgram(gl, vshader, fshader) {
//创建顶点着色器对象
var vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vshader)
//创建片元着色器对象
var fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fshader)
if (!vertexShader || !fragmentShader) {
return null
}
//创建程序对象program
var program = gl.createProgram()
if (!gl.createProgram()) {
return null
}
//分配顶点着色器和片元着色器到program
gl.attachShader(program, vertexShader)
gl.attachShader(program, fragmentShader)
//链接program
gl.linkProgram(program)
//检查程序对象是否连接成功
var linked = gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)
if (!linked) {
var error = gl.getProgramInfoLog(program)
console.log('程序对象连接失败: ' + error)
gl.deleteProgram(program)
gl.deleteShader(fragmentShader)
gl.deleteShader(vertexShader)
return null
}
gl.program = program
//返回程序program对象
return program
}
function loadShader(gl, type, source) {
// 创建顶点着色器对象
var shader = gl.createShader(type)
if (shader == null) {
console.log('创建着色器失败')
return null
}
// 引入着色器源代码
gl.shaderSource(shader, source)
// 编译着色器
gl.compileShader(shader)
// 检查顶是否编译成功
var compiled = gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)
if (!compiled) {
var error = gl.getShaderInfoLog(shader)
console.log('编译着色器失败: ' + error)
gl.deleteShader(shader)
return null
}
return shader
}
function init() {
//通过getElementById()方法获取canvas画布
var canvas = document.getElementById('webgl')
//通过方法getContext()获取WebGL上下文
var gl = canvas.getContext('webgl')
//获取绘制阴影贴图相关变量的存储地址
var shadowProgram = createProgram(gl, SHADOW_VSHADER_SOURCE, SHADOW_FSHADER_SOURCE);
shadowProgram.a_Position = gl.getAttribLocation(shadowProgram, 'a_Position');
shadowProgram.u_MvpMatrix = gl.getUniformLocation(shadowProgram, 'u_MvpMatrix');
if (shadowProgram.a_Position < 0 || !shadowProgram.u_MvpMatrix) {
console.log('获取attribute变量或uniform变量存储地址失败');
return;
}
//获取绘制阴影以外物体相关变量的存储地址
var normalProgram = createProgram(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE);
normalProgram.a_Position = gl.getAttribLocation(normalProgram, 'a_Position');
normalProgram.a_Color = gl.getAttribLocation(normalProgram, 'a_Color');
normalProgram.u_MvpMatrix = gl.getUniformLocation(normalProgram, 'u_MvpMatrix');
normalProgram.u_MvpMatrixFromLight = gl.getUniformLocation(normalProgram, 'u_MvpMatrixFromLight');
normalProgram.u_ShadowMap = gl.getUniformLocation(normalProgram, 'u_ShadowMap');
if (normalProgram.a_Position < 0 || normalProgram.a_Color < 0 || !normalProgram.u_MvpMatrix ||
!normalProgram.u_MvpMatrixFromLight || !normalProgram.u_ShadowMap) {
console.log('获取attribute变量或uniform变量存储地址失败');
return;
}
//初始化三角形顶点信息
var triangle = initVertexBuffersForTriangle(gl)
//初始化平面顶点信息
var plane = initVertexBuffersForPlane(gl)
if (!triangle || !plane) {
console.log('初始化顶点信息失败')
return
}
//初始化帧缓冲区对象(FBO)
var fbo = initFramebufferObject(gl)
if (!fbo) {
console.log('初始化帧缓冲区对象失败')
return
}
//激活0号纹理单元并绑定到纹理对象
gl.activeTexture(gl.TEXTURE0)
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, fbo.texture) //将帧缓冲区的颜色关联对象关联的纹理对象绑定到纹理单元
// 设置canvas的背景色
gl.clearColor(0, 0, 0, 1)
//开启隐藏面消除
gl.enable(gl.DEPTH_TEST)
//创建、设置视图投影矩阵
var viewProjMatrix = new Matrix4()
viewProjMatrix.setPerspective(45, 1, 1, 100)
viewProjMatrix.lookAt(0.0, 7.0, 9.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
var viewProjMatrixFromLight = new Matrix4() //为阴影贴图创建视图投影矩阵
viewProjMatrixFromLight.setPerspective(70.0, OFFSCREEN_WIDTH / OFFSCREEN_HEIGHT, 1.0, 100.0)
viewProjMatrixFromLight.lookAt(LIGHT_X, LIGHT_Y, LIGHT_Z, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0)
var mvpMatrixFromLight_t = new Matrix4(); //三角形的模型视图投影矩阵
var mvpMatrixFromLight_p = new Matrix4(); //底面的模型视图投影矩阵
var currentAngle = 0.0
var tick = function () {
currentAngle = getCurrentAngle(currentAngle) //获取当前要旋转的角度
gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, fbo) //绑定帧缓冲区对象，后续绘制在绑定帧缓冲区中进行
gl.viewport(0, 0, OFFSCREEN_WIDTH, OFFSCREEN_HEIGHT) //设置在帧缓冲区绘制时窗口大小
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT) //清空帧缓冲区
//启用绘制阴影的着色器程序对象
gl.useProgram(shadowProgram)
//准备阴影纹理，即将三角形和平面片元写入帧缓冲区的深度关联对象
drawTriangle(gl, shadowProgram, triangle, currentAngle, viewProjMatrixFromLight); //以光源位置为视点计算投影
mvpMatrixFromLight_t.set(g_mvpMatrix); //恢复绘制三角形的模型视图投影矩阵
drawPlane(gl, shadowProgram, plane, viewProjMatrixFromLight);
mvpMatrixFromLight_p.set(g_mvpMatrix); //恢复绘制平面的模型视图投影矩阵
gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, null) //帧缓冲区对象解绑，解绑后绘制在默认的颜色缓冲区中进行
gl.viewport(0, 0, canvas.width, canvas.height) //设置在默认的颜色缓冲区绘制时窗口大小
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT) //清空颜色和深度缓冲区
//启用绘制三角形和平面的着色器程序对象
gl.useProgram(normalProgram);
gl.uniform1i(normalProgram.u_ShadowMap, 0); //传值纹理编号
//绘制三角形
gl.uniformMatrix4fv(normalProgram.u_MvpMatrixFromLight, false, mvpMatrixFromLight_t.elements);
drawTriangle(gl, normalProgram, triangle, currentAngle, viewProjMatrix);
//绘制平面及平面上三角形的阴影
gl.uniformMatrix4fv(normalProgram.u_MvpMatrixFromLight, false, mvpMatrixFromLight_p.elements);
drawPlane(gl, normalProgram, plane, viewProjMatrix)
requestAnimationFrame(tick)
}
tick() // 调用tick
}
var g_LastTime = Date.now() // 上次绘制的时间
var ANGLE_SET = 30.0 // 旋转速度（度/秒）
function getCurrentAngle(angle) {
var now = Date.now()
var elapsed = now - g_LastTime //上次调用与当前时间差
g_LastTime = now
var newAngle = angle + (ANGLE_SET * elapsed) / 1000
return newAngle %= 360
}
//初始化帧缓冲区（FBO）
function initFramebufferObject(gl) {
var framebuffer, texture, depthBuffer
//处理错误
var error = function () {
if (framebuffer) gl.deleteFramebuffer(framebuffer)
if (texture) gl.deleteTexture(texture)
if (depthBuffer) gl.deleteRenderbuffer(depthBuffer)
return null
}
//创建帧缓冲区
framebuffer = gl.createFramebuffer()
if (!framebuffer) {
console.log('创建帧缓冲区对象失败')
return error()
}
//创建纹理对象并设置参数
texture = gl.createTexture() //创建纹理对象
if (!texture) {
console.log('创建纹理对象失败')
return error()
}
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture) //绑定纹理对象
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, OFFSCREEN_WIDTH, OFFSCREEN_HEIGHT, 0, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE,
null) //纹理图像分配给纹理对象
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR) //配置纹理对象参数
framebuffer.texture = texture //将纹理对象关联到帧缓冲区的颜色关联对象
//创建渲染缓冲区对象并设置参数
depthBuffer = gl.createRenderbuffer() //创建渲染缓冲区对象
if (!depthBuffer) {
console.log('创建渲染缓冲区对象失败')
return error()
}
gl.bindRenderbuffer(gl.RENDERBUFFER, depthBuffer) //绑定渲染缓冲区
gl.renderbufferStorage(gl.RENDERBUFFER, gl.DEPTH_COMPONENT16, OFFSCREEN_WIDTH, OFFSCREEN_HEIGHT) //设置渲染缓冲区尺寸
//将纹理对象和渲染缓冲区对象关联到帧缓冲区对象
gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, framebuffer) //绑定帧缓冲区对象
gl.framebufferTexture2D(gl.FRAMEBUFFER, gl.COLOR_ATTACHMENT0, gl.TEXTURE_2D, texture, 0)
gl.framebufferRenderbuffer(gl.FRAMEBUFFER, gl.DEPTH_ATTACHMENT, gl.RENDERBUFFER, depthBuffer)
//检查帧缓冲区的配置状态
var e = gl.checkFramebufferStatus(gl.FRAMEBUFFER)
if (gl.FRAMEBUFFER_COMPLETE !== e) {
//gl.FRAMEBUFFER_COMPLETE 表示帧缓冲区对象已正确配置
console.log('帧缓冲区配置不正确: ' + e.toString())
return error()
}
//解绑帧缓冲区对象、纹理对象、渲染缓冲区对象
gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, null)
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, null)
gl.bindRenderbuffer(gl.RENDERBUFFER, null)
return framebuffer
}
//模型矩阵、模型视图投影矩阵
var g_modelMatrix = new Matrix4()
var g_mvpMatrix = new Matrix4()
function drawTriangle(gl, program, triangle, angle, viewProjMatrix) {
//模型矩阵设置旋转角度
g_modelMatrix.setRotate(angle, 0, 1, 0);
draw(gl, program, triangle, viewProjMatrix);
}
function drawPlane(gl, program, plane, viewProjMatrix) {
//模型矩阵设置旋转角度
g_modelMatrix.setRotate(-45, 0, 1, 1);
draw(gl, program, plane, viewProjMatrix);
}
function draw(gl, program, o, viewProjMatrix) {
//为变量分配缓存并开启
initAttributeVariable(gl, program.a_Position, o.vertexBuffer);
if (program.a_Color != undefined) {
initAttributeVariable(gl, program.a_Color, o.colorBuffer);
}
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, o.indexBuffer);
//计算模型视图投影矩阵并传值
g_mvpMatrix.set(viewProjMatrix);
g_mvpMatrix.multiply(g_modelMatrix);
gl.uniformMatrix4fv(program.u_MvpMatrix, false, g_mvpMatrix.elements);
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, o.numIndices, gl.UNSIGNED_BYTE, 0);
}
//初始化绘制平面的信息
function initVertexBuffersForPlane(gl) {
//平面顶点信息
var vertices = new Float32Array([
3.0, -1.7, 2.5, -3.0, -1.7, 2.5, -3.0, -1.7, -2.5, 3.0, -1.7, -2.5 // v0-v1-v2-v3
])
//平面颜色
var colors = new Float32Array([1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0])
//平面索引
var indices = new Uint8Array([0, 1, 2, 0, 2, 3])
var obj = new Object()
//所需顶点、颜色、索引信息写入缓冲区对象
obj.vertexBuffer = initArrayBufferForLaterUse(gl, vertices, 3, gl.FLOAT)
obj.colorBuffer = initArrayBufferForLaterUse(gl, colors, 3, gl.FLOAT)
obj.indexBuffer = initElementArrayBufferForLaterUse(gl, indices, gl.UNSIGNED_BYTE)
if (!obj.vertexBuffer || !obj.colorBuffer || !obj.indexBuffer) {
return null
}
//顶点索引数量
obj.numIndices = indices.length
//缓冲区对象解绑
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null)
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, null)
return obj
}
function initVertexBuffersForTriangle(gl) {
//三角形顶点
var vertices = new Float32Array([-0.8, 3.5, 0.0, 0.8, 3.5, 0.0, 0.0, 3.5, 1.8]);
//颜色
var colors = new Float32Array([1.0, 0.5, 0.0, 1.0, 0.5, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0]);
//顶点索引数量
var indices = new Uint8Array([0, 1, 2]);
var obj = new Object();
//所需顶点、颜色、索引信息写入缓冲区对象
obj.vertexBuffer = initArrayBufferForLaterUse(gl, vertices, 3, gl.FLOAT);
obj.colorBuffer = initArrayBufferForLaterUse(gl, colors, 3, gl.FLOAT);
obj.indexBuffer = initElementArrayBufferForLaterUse(gl, indices, gl.UNSIGNED_BYTE);
if (!obj.vertexBuffer || !obj.colorBuffer || !obj.indexBuffer) return null;
obj.numIndices = indices.length;
//缓冲区对象解绑
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, null);
return obj;
}
function initArrayBufferForLaterUse(gl, data, num, type) {
//创建缓冲区对象
var buffer = gl.createBuffer()
if (!buffer) {
console.log('创建缓冲区对象失败')
return null
}
//将数据写入缓冲区对象
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer)
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW)
//设置num和type后续使用
buffer.num = num
buffer.type = type
return buffer
}
function initElementArrayBufferForLaterUse(gl, data, type) {
//创建缓冲区对象
var buffer = gl.createBuffer()
if (!buffer) {
console.log('创建缓冲区对象失败')
return null
}
//将数据写入缓冲区对象
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, buffer)
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW)
//设置type后续使用
buffer.type = type
return buffer
}
//为指定变量分配缓存并开启
function initAttributeVariable(gl, a_attribute, buffer) {
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer) //将buffer绑定到缓冲区对象
gl.vertexAttribPointer(a_attribute, buffer.num, buffer.type, false, 0, 0) //缓冲区对象分配给a_attribute指定的地址
gl.enableVertexAttribArray(a_attribute) //开启a_attribute指定的变量
}
init()
</script>
</body>
</html>