文章目录

1. 概述
2. 实例
- 2.1. 数据
- 2.2. 程序
- - 2.2.1. 文件读取
  - 2.2.2. glTF格式解析
  - - 2.2.2.1. 场景节点
    - 2.2.2.2. 网格
    - 2.2.2.3. 缓冲，缓冲视图和访问器
    - 2.2.2.4. 纹理材质
  - 2.2.3. 初始化顶点缓冲区
  - 2.2.4. 其他
3. 结果
4. 参考
5. 相关

1. 概述

一般来说，图形渲染总是需要从磁盘数据开始，最终保存到磁盘数据中，保存这种数据的就是3D模型文件。3D模型文件一般会把顶点、索引、纹理、材质等等信息都保存起来，方便下次直接读取。3D模型文件格式一般是与图形渲染工作强关联的，了解3D模型文件格式的组成，有助于进一步了解图形渲染的流程。

glTF可以说是专门为WebGL量身定制的数据格式，具有以下特点：

场景数据结构是使用JSON来描述的，读取后即可解析，无需再自定义组织对象。
buffer数据被保存为二进制文件，占用空间小，读取后即可使用，无需转换过程。
纹理数据可以使用jpg文件，方便压缩和传输。

从以上特性可以看出，glTF特别方便与互联网的使用场景，便于传输且预处理程度小。在这篇教程中，就通过一个带纹理的地形文件，具体解析以下glTF格式，顺便加深一下WebGL中初始化数据的理解。

2. 实例

2.1. 数据

使用的地形glTF文件已经处理好并上传到文章末尾的地址中（具体的转换过程可以参看《DEM转换为gltf》）。glTF是这样一个JSON文件：

{"asset": {"generator": "CL","version": "2.0"},"scene": 0,"scenes": [{"nodes": [0]}],"nodes": [{"mesh": 0}],"meshes": [{"primitives": [{"attributes": {"POSITION": 1,"TEXCOORD_0": 2},"indices": 0,"material": 0}]}],"materials": [{"pbrMetallicRoughness": {"baseColorTexture": {"index": 0}}}],"textures": [{"sampler": 0,"source": 0}],"images": [{"uri": "tex.jpg"}],"samplers": [{"magFilter": 9729,"minFilter": 9987,"wrapS": 33648,"wrapT": 33648}],"buffers": [{"uri": "new.bin","byteLength": 595236}],"bufferViews": [{"buffer": 0,"byteOffset": 374400,"byteLength": 220836,"target": 34963},{"buffer": 0,"byteStride": 20,"byteOffset": 0,"byteLength": 374400,"target": 34962}],"accessors": [{"bufferView": 0,"byteOffset": 0,"componentType": 5123,"count": 110418,"type": "SCALAR","max": [18719],"min": [0]},{"bufferView": 1,"byteOffset": 0,"componentType": 5126,"count": 18720,"type": "VEC3","max": [770,0.0,1261.151611328125],"min": [0.0,-2390,733.5555419921875]},{"bufferView": 1,"byteOffset": 12,"componentType": 5126,"count": 18720,"type": "VEC2","max": [1,1],"min": [0,0]}]
}

可以看到这个文件链接了两个外部文件new.bin和tex.jpg。new.bin也就是保存的顶点数据信息，是个二进制文件，tex.jpg也就是纹理图片。将这个数据导入到glTF Viewer网站上查看，显示结果如下：

注意，由于安全策略的原因，浏览器导入数据时应该将new.gltf、new.bin、tex.jpg这三个文件一同导入，否则无法正确读取显示。

2.2. 程序

2.2.1. 文件读取

由于需要一次性加载多个文件，所以需要将input控件改成支持多文件的：

<!DOCTYPE html>
<html><head><meta charset="utf-8" /><title> 显示地形 </title>
</head><body onload="main()"><div><input type='file' id='demFile' multiple="multiple"></div>  <div><canvas id="webgl" width="600" height="600">请使用支持WebGL的浏览器</canvas></div><script src="../lib/webgl-utils.js"></script><script src="../lib/webgl-debug.js"></script><script src="../lib/cuon-utils.js"></script><script src="../lib/cuon-matrix.js"></script><script src="TerrainViewer.js"></script>
</body></html>

在glTF Viewer网站中查看glTF的原理并不是将数据提交到后台，而是直接交给前段页面的JS进行读取。可以通过FileReader对象来进行读取。FileReader读取的好处是不会触发浏览器的安全策略，不用设置跨域（至少chrome不用）：

  var demFile = document.getElementById('demFile');if (!demFile) {console.log("Failed to get demFile element!");return;}//加载文件后的事件demFile.addEventListener("change", function (event) {//判断浏览器是否支持FileReader接口if (typeof FileReader == 'undefined') {console.log("你的浏览器不支持FileReader接口！");return;}//读取文件后的事件var reader = new FileReader();reader.onload = function () {if (reader.result) {var gltfObj = JSON.parse(reader.result);for (var fi = 0; fi < input.files.length; fi++) {//读取bin文件if (gltfObj.buffers[0].uri === input.files[fi].name) {var binReader = new FileReader();binReader.onload = function () {if (binReader.result) {for (var fi = 0; fi < input.files.length; fi++) {if (gltfObj.images[0].uri === input.files[fi].name) {//读取纹理图像   var imgReader = new FileReader();imgReader.onload = function () {//创建一个image对象var image = new Image();if (!image) {console.log('Failed to create the image object');return false;}//图像加载的响应函数 image.onload = function () {//绘制函数onDraw(gl, canvas, gltfObj, binReader.result, image);};//浏览器开始加载图像image.src = imgReader.result;}imgReader.readAsDataURL(input.files[fi]); //按照base64格式读取break;}}}}binReader.readAsArrayBuffer(input.files[fi]);    //按照ArrayBuffer格式读取break;}}}}var input = event.target;var flag = false;for (var fi = 0; fi < input.files.length; fi++) {if (getFileSuffix(input.files[fi].name) === "gltf") {flag = true;reader.readAsText(input.files[fi]);      //按照字符串格式读取break;}}if (!flag) {alert("没有找到gltf");}});

这段代码看起来很繁复，其实原理很简单：遍历加载的文件，对于gltf文件采用FileReader.readAsText()也就是字符串格式的方法读取，这个字符串随后被解析成JSON；对于bin文件采用FileReader.readAsArrayBuffer()读取，将其读取成ArrayBuffer对象；对于jpg文件采用FileReader.readAsDataURL读取，将其读取成data:url开头的base64字符串，这个字符串可以直接生成JS的Image对象。

注意FileReader的读取方式都是异步读取，必须等到三个文件都读取完成，才调用onDraw()函数进行绘制。读取得到的对象也不用再多做处理，可以直接在后面的初始化步骤中使用。

2.2.2. glTF格式解析

初始化顶点缓冲区函数initVertexBuffers()中就用到了之前获取的对象。gltfObj是获取的JSON对象，里面记录了对三维物体的描述信息。具体解析如下：

2.2.2.1. 场景节点

    "asset": {"generator": "CL","version": "2.0"},"scene": 0,"scenes": [{"nodes": [0]}],"nodes": [{"mesh": 0}],

asset表示的是元数据信息，version一般为2.0。
scene是整个场景的入口，0表示scenes数组的第一个；scenes节点又包含了一个nodes数组，其中每个nodes对象包含一个children数组，这一数组引用了nodes对象的所有子结点。通过孩子结点，构成了整个场景结构：

这一段描述的其实是场景的结构层次模型。基本上来讲，一般的三维渲染引擎都会将三维场景中的物体分解成节点，采用树的结构来描述场景，这样做能够很方便的进行状态控制以及姿态传递。这里没有那么复杂的结构，就简化为0。

mesh则表示场景节点中的几何对象。

2.2.2.2. 网格

"meshes": [{"primitives": [{"attributes": {"POSITION": 1,"TEXCOORD_0": 2},"indices": 0,"material": 0}]}],

mesh对象包含了一个primitive数组对象。primitive表达的是一个图元，描述每个网格是怎样的几何图形。其attributes对象表达了图元顶点的属性。这里的POSITION属性表示顶点的位置信息，属性值1表示访问器对象accessors数组的索引；TEXCOORD_0表示顶点的纹理位置信息，属性值2表示访问器对象accessors数组的索引。

indices属性表示图元顶点数据是通过索引来描述的，其值3表示访问器对象accessors数组的索引。

而material则表示图元用到了材质，在materials节点中可以找到其具体的描述。

2.2.2.3. 缓冲，缓冲视图和访问器

    "buffers": [{"uri": "new.bin","byteLength": 595236}],"bufferViews": [{"buffer": 0,"byteOffset": 374400,"byteLength": 220836,"target": 34963},{"buffer": 0,"byteStride": 20,"byteOffset": 0,"byteLength": 374400,"target": 34962}],"accessors": [{"bufferView": 0,"byteOffset": 0,"componentType": 5123,"count": 110418,"type": "SCALAR","max": [18719],"min": [0]},{"bufferView": 1,"byteOffset": 0,"componentType": 5126,"count": 18720,"type": "VEC3","max": [770,0.0,1261.151611328125],"min": [0.0,-2390,733.5555419921875]},{"bufferView": 1,"byteOffset": 12,"componentType": 5126,"count": 18720,"type": "VEC2","max": [1,1],"min": [0,0]}]

这里详细描述了上面提到的访问器对象accessors。之所以定义这个属性对象，是因为顶点数据信息被直接保存为二进制buffer了，需要去区分描述buffer哪些是位置信息，哪些是纹理坐标信息，哪些是索引信息。

buffers对象就是顶点数据的二进制buffer，url表示被保存为外部的二进制文件new.bin，byteLength表示其长度为595236，这个文件在导入的时候会被读取成JS的ArrayBuffer对象。

bufferViews对象将buffers分成两个视图：前374400个字节表达的是顶点数据，步长byteStride为20个表示每20个字节的数据表达一个顶点，target为34962表示的就是ARRAY_BUFFER；而从374400开始的220836个字节表示的是顶点索引的数据，target为34963表示的就是ELEMENT_ARRAY_BUFFER。

accessors对象则进一步描述了顶点数据的组织。

属性bufferView表示的就是前面bufferViews对象的索引值。
byteOffset表示数据从那个字节开始；componentType表示保存的数据类型，5123表示为UNSIGNED_SHORT型，占用2个字节；而5126表示FLOAT信号，占用4个字节。
count表示数据的个数。
type表示数据的类型，可以为标量SCALAR，也可以为矢量"VEC2"、"VEC3"等，甚至可以为矩阵"MAT3"等。
min，max则表示每个值得最大最小值，填写正确的范围，有助于浏览操作。

通过以上属性值，就能够正确区分描述顶点数据信息了。注意顶点数据的bufferViews对象在accessors对象被进一步划分视图，分别描述了位置信息和纹理坐标信息：bufferViews对象的步长byteStride被设置为20，accessors对象的偏移量byteOffset分别设置为0和12，说明二进制bin中的组织的结构为：

位置X坐标位置Y坐标位置Z坐标纹理S坐标纹理T坐标
位置X坐标位置Y坐标位置Z坐标纹理S坐标纹理T坐标
位置X坐标位置Y坐标位置Z坐标纹理S坐标纹理T坐标
…

当然，二进制bin中是没有空格和回车的，这里只是为了方便好看。

2.2.2.4. 纹理材质

    "materials": [{"pbrMetallicRoughness": {"baseColorTexture": {"index": 0}}}],"textures": [{"sampler": 0,"source": 0}],"images": [{"uri": "tex.jpg"}],"samplers": [{"magFilter": 9729,"minFilter": 9987,"wrapS": 33648,"wrapT": 33648}],

在primitives对象的material的属性中，指向的就是这个materials节点的索引值。materials对象又指向了纹理对象textures，textures对象通过索引引用了一个sampler对象和一个image对象。image对象包含了一个uri，引用了一个外部图像文件。samplers是一个采样器，用于设置纹理具体的采样方式，其设置参数与WebGL中设置纹理的方式向对应。

2.2.3. 初始化顶点缓冲区

读取后的数据可以直接交给initVertexBuffers()初始化顶点缓冲区，具体的实现代码如下：

//
function initVertexBuffers(gl, gltfObj, binBuf) {//获取顶点数据位置信息  var positionAccessorId = gltfObj.meshes[0].primitives[0].attributes.POSITION;if (gltfObj.accessors[positionAccessorId].componentType != 5126) {return 0;}var positionBufferViewId = gltfObj.accessors[positionAccessorId].bufferView;var verticesColors = new Float32Array(binBuf, gltfObj.bufferViews[positionBufferViewId].byteOffset, gltfObj.bufferViews[positionBufferViewId].byteLength / Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT);gltfObj.cuboid = new Cuboid(gltfObj.accessors[positionAccessorId].min[0], gltfObj.accessors[positionAccessorId].max[0], gltfObj.accessors[positionAccessorId].min[1], gltfObj.accessors[positionAccessorId].max[1], gltfObj.accessors[positionAccessorId].min[2], gltfObj.accessors[positionAccessorId].max[2]);// 创建缓冲区对象var vertexColorBuffer = gl.createBuffer();var indexBuffer = gl.createBuffer();if (!vertexColorBuffer || !indexBuffer) {console.log('Failed to create the buffer object');return -1;}// 将缓冲区对象绑定到目标gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);// 向缓冲区对象写入数据gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);//获取着色器中attribute变量a_Position的地址 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_Position变量  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, gltfObj.bufferViews[positionBufferViewId].byteStride, gltfObj.accessors[positionAccessorId].byteOffset);// 连接a_Position变量与分配给它的缓冲区对象gl.enableVertexAttribArray(a_Position);//获取顶点数据纹理信息  var txtCoordAccessorId = gltfObj.meshes[0].primitives[0].attributes.TEXCOORD_0;if (gltfObj.accessors[txtCoordAccessorId].componentType != 5126) {return 0;}var txtCoordBufferViewId = gltfObj.accessors[txtCoordAccessorId].bufferView;//获取着色器中attribute变量a_TxtCoord的地址 var a_TexCoord = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_TexCoord');if (a_TexCoord < 0) {console.log('Failed to get the storage location of a_TexCoord');return -1;}// 将缓冲区对象分配给a_Color变量gl.vertexAttribPointer(a_TexCoord, 2, gl.FLOAT, false, gltfObj.bufferViews[txtCoordBufferViewId].byteStride, gltfObj.accessors[txtCoordAccessorId].byteOffset);// 连接a_Color变量与分配给它的缓冲区对象gl.enableVertexAttribArray(a_TexCoord);//获取顶点数据索引信息var indicesAccessorId = gltfObj.meshes[0].primitives[0].indices;var indicesBufferViewId = gltfObj.accessors[indicesAccessorId].bufferView;var indices = new Uint16Array(binBuf, gltfObj.bufferViews[indicesBufferViewId].byteOffset, gltfObj.bufferViews[indicesBufferViewId].byteLength / Uint16Array.BYTES_PER_ELEMENT);// 将顶点索引写入到缓冲区对象gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);return indices.length;
}

这段代码的原理非常简单，读取的glTF被直接解析为JSON后，通过primitives属性找到顶点位置坐标和顶点纹理坐标的访问器对象accessors，继而找到缓冲区buffer和缓冲区视图bufferView。由于缓冲区数据文件new.bin已经被读取成ArrayBuffer，可以将这个ArrayBuffer分成两个视图^[6]，一组视图为Float32Array类型的顶点数组，一组视图为Uint16Array类型的顶点数组索引。其中，顶点数组可以通过 gl.vertexAttribPointer()函数做进一步分配，分别给着色器分配位置变量和纹理坐标变量（可以复习一下《WebGL简易教程(三)：绘制一个三角形(缓冲区对象)》创建缓冲区对象的五个步骤）。

2.2.4. 其他

程序其他的步骤基本上没有变化，由于数据读取后JS的Image对象已经生成，仍然按照以前的方式根据Image对象生成纹理对象。着色器部分也非常简单：

// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE ='attribute vec4 a_Position;\n' + //位置'attribute vec2 a_TexCoord;\n' + //颜色'varying vec2 v_TexCoord;\n' + //纹理坐标'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' +'void main() {\n' +'  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' + // 设置顶点坐标'  v_TexCoord = a_TexCoord;\n' +  //纹理坐标'}\n';// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE ='precision mediump float;\n' +'uniform sampler2D u_Sampler;\n' +'varying vec2 v_TexCoord;\n' + //纹理坐标'void main() {\n' +'  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);\n' +'}\n';

纹理坐标传入顶点着色器再传入片元着色器，通过纹理对象插值得到片元最终值。

3. 结果

从以上解析过程可以看到，glTF的格式设计确实非常精妙，读取的数据能够直接为WebGL所用，既节省了空间又省略了一些预处理的过程，值得进一步深入研究。

打开HTML页面，导入new.gltf、new.bin、tex.jpg，显示的效果如下：

这个例子是通过JS的FileReader来处理数据，所以不需要设置浏览器跨域。

4. 参考

1.《WebGL编程指南》
2.glTF格式详解(目录)
3.glTF Tutorial
4.前端H5中JS用FileReader对象读取blob对象二进制数据，文件传输
5.gltf2.0规范
6.JavaScript 之 ArrayBuffer

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代码和数据地址

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