【WebGL之巅】11-使用Matrix变换矩阵实现三角形旋转、平移、缩放

对应《WebGL编程指南》代码：12-RotatedTriangle_Matrix

要点：矩阵和矢量的乘法、矩阵变换（旋转矩阵、平移矩阵、缩放矩阵）、gl.uniformMatrix4fv

知识点

一、矩阵和矢量的乘法

矩阵示例：

$
\begin{bmatrix}
8 & 3 & 0 \\
4 & 3 & 6 \\
3 & 2 & 6
\end{bmatrix}
$

矩阵相乘：

$
\begin{bmatrix}
x’ \\
y’ \\
z’
\end{bmatrix}
= $$
\begin{bmatrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i
\end{bmatrix}
$ * $
\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix}$

结果：

$ \begin{cases} x’ = ax + by + cz \\ y’ = dx + ey + fz \\ z’ = gx + hy + iz \end{cases} $

注意：只有在矩阵列数与矢量的行数相等时才能相乘，且不满足交换律

二、变换矩阵：旋转

对比上一节计算角度变换的公式：

$ \begin{cases} x’ = xcosβ - ysinβ \\ y’ = xsinβ + ycosβ \\ z’ = z \end{cases} $

这里假设

$ \begin{cases} a = cosβ, b = -sinβ, c = 0 \\ d = sinβ, e = cosβ, f = 0 \\ g = 0, h = 0, i = 1 \end{cases} $

那么此时矩阵的乘法就可以变成：

$
\begin{bmatrix}
x’ \\
y’ \\
z’
\end{bmatrix}
= $$
\begin{bmatrix}
cosβ & -sinβ & 0 \\
sinβ & cosβ & 0 \\
0 & 0 & 1
\end{bmatrix}
$ * $
\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix}$

这个矩阵就被称为变换矩阵，将（x, y, z）变换成（x’, y’, z’），这个矩阵又可以称为旋转矩阵

接下来就是代码中的变换矩阵：

var xformMatrix = new Float32Array(
    [
        cosB, sinB, 0.0, 0.0,
        -sinB, cosB, 0.0, 0.0,
        0.0, 0.0, 1.0, 0.0,
        0.0, 0.0, 0.0, 1.0
    ]
);

var u_xformMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_xformMatrix');
// 赋值
gl.uniformMatrix4fv(u_xformMatrix, false, xformMatrix);

三、变换矩阵：平移

对比一般平移计算公式：

$x’ = ax+by+cz$

$x’ = x + Tx$ (一般方法)

分析：这里的Tx是一个常量，但是第一个等式中没有常量，意味着3X3的矩阵无法表示平移，所有这里使用4X4矩阵，以及具有第4个分量的矢量（通常设为1.0），也就是说，假设要进行平移的点p(x, y, z, 1)，平移后坐标为p'(x', y', z', 1)，如下等式：

$
\begin{bmatrix}
x’ \\
y’ \\
z’ \\
1
\end{bmatrix}
= $$
\begin{bmatrix}
a & b & c & d \\
e & f & g & h \\
i & j & k & l \\
m & n & o & p
\end{bmatrix}
$ * $
\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z \\
1
\end{bmatrix}$

结果如下：

$ \begin{cases} x’ = ax + by + cz + d \\ y’ = ex + fy + gz + h \\ z’ = ix + jy + kz + l \\ 1 = mx + ny + oz + p \end{cases} $

根据式子$1 = mx + ny + oz + p$，计算出$m=0，n=0，o=0，p=1$，其中d、h、lp均为常数，比较等式：

$ \begin{cases} x’ = x + Tx \\ y’ = y + Ty \\ z’ = z + Tz \end{cases} $

得出平移矩阵

$
\begin{bmatrix}
x’ \\
y’ \\
z’ \\
1
\end{bmatrix}
= $$
\begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 & Tx \\
0 & 1 & 0 & Ty \\
0 & 0 & 1 & Tz \\
0 & 0 & 0 & 1
\end{bmatrix}
$ * $
\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z \\
1
\end{bmatrix}$

程序示例代码：

var xformMatrix = 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,
            Tx, Ty, Tz, 1.0
        ]
    );

var u_xformMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_xformMatrix');
gl.uniformMatrix4fv(u_xformMatrix, false, xformMatrix);

四、4x4旋转矩阵——先旋转再平移

分析：要达到先旋转再平移的效果，需要将两个矩阵组合起来，而旋转矩阵（3x3）与平移矩阵（4x4）的阶数不同，需要某种手段使两者阶数一致

将3x3阶矩阵转换为4X4阶矩阵，可以比较：

$ \begin{cases} x’ = xcosβ - ysinβ \\ y’ = xsinβ + ycosβ \\ z’ = z \end{cases} 与$ $ \begin{cases} x’ = ax + by + cz + d \\ y’ = ex + fy + gz + h \\ z’ = ix + jy + kz + l \\ 1 = mx + ny + oz + p \end{cases} $

可知，例如两者x’表达式中，令a=cosβ，b=-sinβ，c=0，d=0即可相等，以此类推解出y’、z’中的系数，得出4x4的旋转矩阵:

$
\begin{bmatrix}
x’ \\
y’ \\
z’ \\
1
\end{bmatrix}
= $$
\begin{bmatrix}
cosβ & -sinβ & 0 & 0 \\
sinβ & cosβ & 0 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 1
\end{bmatrix}
$ * $
\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z \\
1
\end{bmatrix}$

五、变换矩阵：缩放

仍然假设最初的点p(x, y, z)，缩放过后的点p’(x’, y’, z’)，假设缩放因子Sx，Sy，Sz，那么有

$ \begin{cases} x’ = Sx x \\ y’ = Sy y \\ z’ = Sz * z \end{cases} $ 与等式 $ \begin{cases} x’ = ax + by + cz + d \\ y’ = ex + fy + gz + h \\ z’ = ix + jy + kz + l \\ 1 = mx + ny + oz + p \end{cases} $ 比较

可知缩放矩阵如下：

$
\begin{bmatrix}
x’ \\
y’ \\
z’ \\
1
\end{bmatrix}
= $$
\begin{bmatrix}
Sx & 0 & 0 & 0 \\
0 & Sy & 0 & 0 \\
0 & 0 & Sz & 0 \\
0 & 0 & 0 & 1
\end{bmatrix}
$ * $
\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z \\
1
\end{bmatrix}$

六、gl.uniformMatrix4fv(location, transpose, array);

作用：将array表示的4x4矩阵分配给location指定的uniform变量

参数：

location：uniform变量的存储位置

transpose：表示是否转置矩阵，在webGl中必须设置为false

array：待传输的类型化数组（按列主序的4x4矩阵）

实例

固定代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>rotate triangle</title>
</head>
<body onload="main()">
<canvas id="webgl" width="400" height="400">
    Please use the browser supporting "canvas".
</canvas>

<script src="../lib/webgl-utils.js"></script>
<script src="../lib/webgl-debug.js"></script>
<script src="../lib/cuon-utils.js"></script>
<script src="RotatedTriangle_Matrix.js"></script>
</body>
</html>

function initVertexBuffers(gl) {
    var vertices = new Float32Array(
        [0.0, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, -0.5]
    );
    var n=3; //点的个数

    //创建缓冲区对象
    var vertexBuffer = gl.createBuffer();
    if(!vertexBuffer){
        console.log("Failed to create thie buffer object");
        return -1;
    }

    //将缓冲区对象保存到目标上
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);

    //向缓存对象写入数据
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);

    var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
    if(a_Position < 0){
        console.log("Failed to get the storage location of a_Position");
        return -1;
    }

    //将缓冲区对象分配给a_Postion变量
    gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

    //连接a_Postion变量与分配给它的缓冲区对象
    gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

    return n;
}

4x4旋转

var VSHADER_SOURCE =
    //x' = x cos b - y sin b
    //y' = x sin b + y cosb
    //z' = z
    'attribute vec4 a_Position;\n' +
    'uniform mat4 u_xformMatrix;\n' +
    'void main() {\n' +
        'gl_Position = u_xformMatrix * a_Position;\n' +
    '}\n';

var FSHADER_SOURCE=
    'void main(){'+
        'gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);'+
    '}';

var ANGLE = 90.0;

function main(){

    var canvas = document.getElementById("webgl");
    if(!canvas){
        console.log("Failed to retrieve the <canvas> element");
        return;
    }

    var gl = getWebGLContext(canvas);
    if(!gl){
        console.log("Failed to get the rendering context for WebGL");
        return;
    }

    if(!initShaders(gl,VSHADER_SOURCE,FSHADER_SOURCE)){
        console.log("Failed to initialize shaders.");
        return;
    }

    //设置顶点位置
    var n = initVertexBuffers(gl);
    if (n < 0) {
        console.log('Failed to set the positions of the vertices');
        return;
    }
	// 角度转弧度制
    var radian = Math.PI * ANGLE / 180.0;
    var cosB = Math.cos(radian);
    var sinB = Math.sin(radian);

    var xformMatrix = new Float32Array(
        [
            cosB, sinB, 0.0, 0.0,
            -sinB, cosB, 0.0, 0.0,
            0.0, 0.0, 1.0, 0.0,
            0.0, 0.0, 0.0, 1.0
        ]
    );

    var u_xformMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_xformMatrix');
	// 将旋转矩阵传输给顶点着色器
    gl.uniformMatrix4fv(u_xformMatrix, false, xformMatrix);

    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, n);
}

分析代码1：顶点着色器——‘uniform mat4 u_xformMatrix;\n’

u_xformMatrix：旋转矩阵

a_Position：顶点坐标，即4x4旋转矩阵右侧矢量

mat4类型：表示4x4的矩阵变量

效果

4x4平移矩阵

var VSHADER_SOURCE =
    //x' = x cos b - y sin b
    //y' = x sin b + y cosb
    //z' = z
    'attribute vec4 a_Position;\n' +
    'uniform mat4 u_xformMatrix;\n' +
    'void main() {\n' +
    	'gl_Position = u_xformMatrix * a_Position;\n' +
    '}\n';

var FSHADER_SOURCE=
    'void main(){'+
    	'gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);'+
    '}';

var Tx = 0.5, Ty = 0.5, Tz = 0.0;

function main(){

    var canvas = document.getElementById("webgl");

    var gl = getWebGLContext(canvas);

    if(!initShaders(gl,VSHADER_SOURCE,FSHADER_SOURCE)){
        console.log("Failed to initialize shaders.");
        return;
    }

    //设置顶点位置
    var n = initVertexBuffers(gl);

    var xformMatrix = 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,
            Tx, Ty, Tz, 1.0
        ]
    );

    var u_xformMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_xformMatrix');

    gl.uniformMatrix4fv(u_xformMatrix, false, xformMatrix);

    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, n);
}

分析代码2：

这是我们计算出的平移矩阵：

然而，JavaScript只能定义数组，没有表示矩阵的类型，数组只是一维，其元素只能排成一行，而矩阵是多维。这里，有两种方式来存储矩阵元素：按行主序和按列主序

WebGL与OpenGL都是采用按列主序的方式来存储矩阵：

var xformMatrix = 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,
        Tx, Ty, Tz, 1.0
    ]
);

效果

4x4缩放矩阵

// 变换矩阵缩放
var VSHADER_SOURCE =
    //x' = x cos b - y sin b
    //y' = x sin b + y cosb
    //z' = z
    'attribute vec4 a_Position;\n' +
    'uniform mat4 u_xformMatrix;\n' +
    'void main() {\n' +
    'gl_Position = u_xformMatrix * a_Position;\n' +
    '}\n';

var FSHADER_SOURCE=
    'void main(){'+
    'gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);'+
    '}';

var Sx = 1.5, Sy = 1.7, Sz = 1.0;

function main(){

    var canvas = document.getElementById("webgl");
    if(!canvas){
        console.log("Failed to retrieve the <canvas> element");
        return;
    }

    var gl = getWebGLContext(canvas);
    if(!gl){
        console.log("Failed to get the rendering context for WebGL");
        return;
    }

    if(!initShaders(gl,VSHADER_SOURCE,FSHADER_SOURCE)){
        console.log("Failed to initialize shaders.");
        return;
    }

    //设置顶点位置
    var n = initVertexBuffers(gl);
    if (n < 0) {
        console.log('Failed to set the positions of the vertices');
        return;
    }

    var xformMatrix = new Float32Array(
        [
            Sx, 0.0, 0.0, 0.0,
            0.0, Sy, 0.0, 0.0,
            0.0, 0.0, Sz, 0.0,
            0.0, 0.0, 0.0, 1.0
        ]
    );

    var u_xformMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_xformMatrix');
    if(u_xformMatrix < 0){
        console.log("Failed to get the storage location of u_xformMatrix");
        return;
    }

    gl.uniformMatrix4fv(u_xformMatrix, false, xformMatrix);

    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, n);
}

效果

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知识点

一、矩阵和矢量的乘法

二、变换矩阵：旋转

三、变换矩阵：平移

四、4x4旋转矩阵——先旋转再平移

五、变换矩阵：缩放

六、gl.uniformMatrix4fv(location, transpose, array);

实例

固定代码

4x4旋转

分析代码1：顶点着色器——‘uniform mat4 u_xformMatrix;\n’

效果

4x4平移矩阵

分析代码2：

效果

4x4缩放矩阵

效果

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