48 | WebGL介绍（十二）：如何创建相机、场景及光源-微信小程序全栈开发实战(上)

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48 | WebGL介绍（十二）：如何创建相机、场景及光源

在WebGL这一强大的图形API中，构建三维场景不仅仅是绘制几何体那么简单，它还需要一个完整的视觉系统来模拟现实世界中的观察方式。这一系统通常由相机（Camera）、场景（Scene）和光源（Light）三大核心组件构成。本章将深入探讨如何在WebGL环境中创建这些关键元素，以实现更加逼真和动态的三维视觉效果。

一、WebGL中的相机

在WebGL中，相机代表了观察者的视角，它决定了哪些三维对象会被渲染到屏幕上，以及这些对象如何被透视变形。WebGL本身并不直接提供相机对象，但我们可以通过设置视图矩阵（View Matrix）和投影矩阵（Projection Matrix）来模拟相机的行为。

1.1 视图矩阵

视图矩阵定义了如何将世界空间中的点转换到观察空间（也称为相机空间或眼空间）。简单来说，就是将整个场景根据相机的位置和朝向进行变换，使得相机位于原点，且面向Z轴负方向。

位置（Position）：相机的位置决定了从哪里观察场景。
朝向（Orientation）：相机的朝向包括其看向的方向（通常指向Z轴负方向）以及绕Y轴的旋转（即“左右看”）和绕X轴的旋转（即“上下看”）。

创建视图矩阵通常涉及计算相机的逆变换矩阵，这可以通过GLM（GLSL Mathematics）库等数学库轻松实现。

// 假设cameraPosition为相机位置，cameraTarget为相机看向的点，cameraUp为相机向上的方向
mat4 createViewMatrix(vec3 cameraPosition, vec3 cameraTarget, vec3 cameraUp) {
    vec3 forward = normalize(vec3(cameraPosition - cameraTarget));
    vec3 side = normalize(cross(cameraUp, forward));
    vec3 up = cross(forward, side);
    return mat4(
        vec4(side.x, up.x, -forward.x, 0.0),
        vec4(side.y, up.y, -forward.y, 0.0),
        vec4(side.z, up.z, -forward.z, 0.0),
        vec4(-dot(side, cameraPosition), -dot(up, cameraPosition), dot(forward, cameraPosition), 1.0)
    );
}

1.2 投影矩阵

投影矩阵决定了如何将观察空间中的点转换到裁剪空间，并最终映射到屏幕上的二维坐标。WebGL中常用的投影方式有两种：正交投影（Orthographic Projection）和透视投影（Perspective Projection）。

正交投影：保持物体大小不变，常用于绘制二维图像或精确比例的三维场景。
透视投影：模拟人眼观察物体的近大远小效果，使场景更具立体感。

透视投影矩阵的创建相对复杂，需要指定视场角（Field of View, FOV）、纵横比（Aspect Ratio）、近裁剪面（Near Clipping Plane）和远裁剪面（Far Clipping Plane）等参数。

// 假设fovY为视场角（Y轴），aspectRatio为纵横比，near和far为近远裁剪面
mat4 createPerspectiveMatrix(float fovY, float aspectRatio, float near, float far) {
    float tanHalfFovY = tan(radians(fovY) / 2.0);
    mat4 matrix = mat4(0);
    matrix[0][0] = 1.0 / (aspectRatio * tanHalfFovY);
    matrix[1][1] = 1.0 / tanHalfFovY;
    matrix[2][2] = -(far + near) / (far - near);
    matrix[2][3] = -1.0;
    matrix[3][2] = -(2.0 * far * near) / (far - near);
    matrix[3][3] = 0.0;
    return matrix;
}

二、WebGL中的场景

在WebGL中，场景通常指的是一组需要被渲染的三维对象和它们之间的空间关系。虽然WebGL本身不直接管理场景的概念，但开发者可以通过组织和管理这些对象及其属性（如位置、大小、材质等）来构建场景。

2.1 对象管理

可以使用JavaScript对象或类来表示场景中的每一个三维对象，包括其几何体、材质和变换矩阵等信息。通过遍历这些对象，并应用相应的视图矩阵和投影矩阵，可以将它们渲染到屏幕上。

class SceneObject {
    constructor(geometry, material, position, rotation, scale) {
        this.geometry = geometry;
        this.material = material;
        this.modelMatrix = mat4.create();
        mat4.translate(this.modelMatrix, this.modelMatrix, position);
        mat4.rotateX(this.modelMatrix, this.modelMatrix, rotation.x);
        mat4.rotateY(this.modelMatrix, this.modelMatrix, rotation.y);
        mat4.rotateZ(this.modelMatrix, this.modelMatrix, rotation.z);
        mat4.scale(this.modelMatrix, this.modelMatrix, scale);
    }
    // 渲染方法，需结合视图矩阵和投影矩阵
    render(viewMatrix, projectionMatrix) {
        // 计算最终变换矩阵
        let finalMatrix = mat4.create();
        mat4.multiply(finalMatrix, projectionMatrix, viewMatrix);
        mat4.multiply(finalMatrix, finalMatrix, this.modelMatrix);
        // 使用finalMatrix和geometry, material进行渲染...
    }
}

三、WebGL中的光源

光源是影响场景视觉效果的关键因素，它决定了场景中物体的明暗、色彩和阴影等特性。WebGL通过光照模型来模拟光源对物体的影响，常见的光照模型包括环境光（Ambient Light）、漫反射光（Diffuse Light）和镜面反射光（Specular Light）等。

3.1 光源类型

点光源（Point Light）：从一个点向四周发射光线，如灯泡。
平行光（Directional Light）：从一个方向平行地照射所有物体，如太阳光。
聚光灯（Spotlight）：类似手电筒，从一个点发出，但光线被限制在一个锥形区域内。

3.2 光照计算

光照计算通常涉及计算光源对物体每个顶点的光照贡献，并将这些贡献合并到顶点颜色中。这可以通过在顶点着色器中实现光照方程来完成。

// 假设ambientColor为环境光颜色，diffuseColor为漫反射光颜色，specularColor为镜面反射光颜色
// lightPosition为世界空间中的光源位置，viewPosition为世界空间中的观察点位置
// normal为顶点的法线向量，vertexPosition为顶点的世界空间位置
vec3 calculateLight(vec3 ambientColor, vec3 diffuseColor, vec3 specularColor, vec3 lightPosition, vec3 viewPosition, vec3 normal, vec3 vertexPosition) {
    vec3 lightDir = normalize(lightPosition - vertexPosition);
    vec3 viewDir = normalize(viewPosition - vertexPosition);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float diffuseFactor = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = diffuseColor * diffuseFactor;
    float specularFactor = 0.0;
    if (dot(normal, lightDir) > 0.0) {
        float specPower = 32.0; // 镜面高光强度
        specularFactor = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), specPower);
    }
    vec3 specular = specularColor * specularFactor;
    vec3 ambient = ambientColor;
    return ambient + diffuse + specular;
}

结语

通过创建相机、场景和光源，WebGL能够模拟出复杂而逼真的三维世界。本章详细介绍了如何在WebGL中设置相机的位置和朝向、构建透视投影矩阵、管理场景中的对象，以及实现基本的光照计算。这些技术是构建任何三维图形应用的基础，掌握了它们，你将能够进一步探索WebGL的无限可能。