javascript - 尝试使用 WebGL (regl) 的正交投影在屏幕空间坐标中绘制形状

Question

使用 regl 我正在尝试实现一个非常简单的 drawRect() 函数，该函数最终将能够在屏幕空间中传递 x、y、宽度、高度(原点 0,0 位于屏幕左上角)

这是我到目前为止所拥有的:

https://codesandbox.io/s/nn9qvxom4l

const regl = require('regl')();
const mat4 = require('gl-mat4');

var drawRect = regl({
    frag: `
      precision mediump float;
      uniform vec4 color;
      void main() {
        gl_FragColor = color;
      }`,

    vert: `
      precision mediump float;
      attribute vec2 position;
      uniform vec2 offset;
      uniform vec2 scale;
      uniform float viewportWidth;
      uniform float viewportHeight;
      uniform mat4 projection;
      void main() {
        // windows ratio scaling factor.
        float r = (viewportWidth) / (viewportHeight);
        gl_Position = projection * vec4(position.xy * scale, 0, 1);
      }`,

    attributes: {
        position: [
            [-1, -1], //tri 1 bottom left
            [1, 1],
            [-1, 1],
            [-1, -1],
            [1, -1],
            [1, 1]
        ]
    },

    uniforms: {
        offset: regl.prop('offset'),
        scale: regl.prop('scale'),
        color: regl.prop('color'),
        viewportWidth: regl.context('viewportWidth'),
        viewportHeight: regl.context('viewportHeight'),
        projection: ({ viewportWidth, viewportHeight }) => {
            //glm::ortho(0.0f, 800.0f, 0.0f, 600.0f, 0.1f, 100.0f);
            //ortho(out:mat4, left, right, bottom, top, near, far)
            // this makes everything blank
            var m = mat4.ortho(
                [],
                0,
                viewportWidth,
                0,
                viewportHeight,
                0.1,
                100.0
            );
            console.log(m);
            return m;

        }
    },

    depth: {
        enable: false
    },

    cull: {
        enable: true
    },

    count: 6,

    viewport: {
        x: 0,
        y: 0,
        width: window.innerWidth,
        height: window.innerHeight
    }
});

regl.clear({
    color: [0, 0, 0, 255],
    depth: 1
});

// all these coordinates are in clip-space* right now (* I think)
// but I'd like to be able to pass in screen-space coordinates
drawRect([
    {
        offset: [0, 0],
        scale: [0.002, 0.002],
        color: [1, 0.2, 0.2, 1]
    },
    {
        offset: [0, -0.2],
        scale: [0.2, 0.05],
        color: [1, 0.2, 1, 1]
    },
    {
        offset: [0, 0],
        scale: [0.5, 0.5],
        color: [0.2, 0.2, 1, 1]
    }
]);

目前它绘制了一个空白屏幕(我猜测是由于投影矩阵剪切或将所有内容移动到视口(viewport)之外)。如果从顶点着色器中删除投影或在投影属性中使用单位矩阵，则它会再次渲染蓝色正方形。

所以我的问题是:

1. 我在这里做错了什么？为什么我的正交投影不起作用？
2. 将来我该如何调试它，以便我可以“看到”生成的坐标以及它们是如何出错的？

我读过一些 SO 问题、OpenGL 书籍和博客，但我被困在这里，因为这似乎应该可行。

相关资源:

https://unspecified.wordpress.com/2012/06/21/calculating-the-gluperspective-matrix-and-other-opengl-matrix-maths/ https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/WebGL_API/WebGL_model_view_projection https://webglfundamentals.org/webgl/lessons/webgl-2d-matrices.html WebGL Isometric projection Want an OpenGL 2D example (VC++, draw a rectangle) http://songho.ca/opengl/gl_transform.html

编辑:修复了在正交投影中使用两次的视口(viewport)宽度。这修复了空白屏幕，但原点现在位于左下角而不是左上角。切换正射投影参数会再次导致黑屏。

Answer 1

投影矩阵描述了从场景的 3D 点到视口(viewport)的 2D 点的映射。投影矩阵从 View 空间变换到剪辑空间。通过除以 w 分量，剪辑空间中的坐标将转换为 (-1, -1, -1) 到 (1, 1, 1) 范围内的标准化设备坐标 (NDC)剪辑坐标。

在正交投影中， View 空间中的坐标线性映射到剪辑空间坐标，并且剪辑空间坐标等于标准化设备坐标，因为 w 分量为 1(对于笛卡尔输入坐标)。

左、右、下、上、近和远的值定义了一个盒子。盒子体积内的所有几何图形在视口(viewport)上都是“可见”的。

最后，标准化设备坐标线性映射到视口(viewport)。

当您像这样设置正交投影时:

var m = mat4.ortho([], 0, viewportWidth, 0, viewportHeight, 0.1, 100.0);

然后左下角(0, 0)和右上角(viewportWidth, viewportHeight)的矩形从(-1, -1) 到 (1, 1)。

当您像这样设置视口(viewport)时:

viewport: {x: 0, y: 0, width: window.innerWidth, height: window.innerHeight}

然后将 NDC 映射到左下角 (0, 0) 和右上角 (viewportWidth, viewportHeight) 的视口(viewport)矩形。

这意味着 (0, 0, window.innerWidth, window.innerHeight) 中的 View 坐标映射到视口(viewport)矩形 (0, 0, window.innerWidth, window .innerHeight)。所以你正在“窗口”(像素)坐标中绘制。

如果您有这样定义的几何图形:

position: [[-1, -1], [1, 1], [-1, 1], [-1, -1], [1, -1], [1, 1] ]

{ offset: [0, 0], scale: [0.5, 0.5], color: [0.2, 0.2, 1, 1] }

则该几何体的大小在视口(viewport)上为 1*1 像素 - 一个从 (-1, -1) 到 (1, 1) 的矩形，比例为(0.5, 0.5)。

增加比例(例如 scale: [100, 100])来解决您的问题。

---

此外，几何图形必须位于近平面和远平面之间，位于 View 体积内。

在您的情况下，几何体的 z 坐标为 0，如顶点着色器中所指定:

gl_Position = projection * vec4(position.xy * scale, 0, 1);

但近平面为 0.1，远平面为 100.0，如正交投影中所指定:

var m = mat4.ortho([], 0, viewportWidth, 0, viewportHeight, 0.1, 100.0);

这会导致几何体被近平面剪切，因为 z 坐标小于近平面。

更改近平面，解决问题:

var m = mat4.ortho([], 0, viewportWidth, 0, viewportHeight, -100.0, 100.0);

---

正交投影矩阵如下所示:

r = right, l = left, b = bottom, t = top, n = near, f = far 

2/(r-l)         0               0               0
0               2/(t-b)         0               0
0               0               -2/(f-n)        0
-(r+l)/(r-l)    -(t+b)/(t-b)    -(f+n)/(f-n)    1

根据评论:

for mat4.ortho, top left origin should be mat4.ortho([], 0, viewportWidth, viewportHeight, 0, -1, 1) but with that projection nothing appears on the screen again.

如果 top 为 0 并且 bottom 为正值，则 y 轴变为负值，因为 2/(top-bottom)。

要解决的问题是您可以手动反转 y 轴:

var m = mat4.ortho([], 0, viewportWidth, -viewportHeight, 0, -1, 1);

在这种情况下，您必须反转偏移量，因为 View 的右上角是(0, 0)，左下角是(viewportWidth, -viewportHeight)>.

例如

offset: [250, -250]

如果你会使用

var m = mat4.ortho([], 0, viewportWidth, viewportHeight, 0, -1, 1);

那么你必须反转 y 尺度。

例如

scale: [100, -100]