WebGL HUD（平视显示器）

HUD（平视显示器）

如何实现HUD

示例程序（HUD.html）

示例程序（HUD.js）

代码详解

在网页文字上方显示三维物体

代码详解

HUD（平视显示器）

平视显示器（head up display）简称HUD，最早用于飞机驾驶。平视显示器将一些重要信息投射到飞机驾驶舱前方的一块玻璃上，飞行员能够将外界的影像和这些重要信息融合在一起，而不用频繁低头观察仪表盘。三维图形程序，尤其是游戏，也经常在三维场景上叠加文本或二维图形信息，以达到HUD的效果。这一节将创建一个示例程序，在三维场景上叠加一些符号和文字，如图10.5所示。

本例的三维部分取自PickObject程序WebGL 选中物体_山楂树の的博客-CSDN博客，额外的工作就是在三维场景前方绘制一个二维的三角形，打印几行文本，显示三维程序中立方体的当前角度。当立方体旋转时，角度变化也会实时地在文本中更新。

如何实现HUD

可以使用HTML和canvas函数来实现HUD，具体地，我们需要：

1.在HTML文件中，为WebGL绘制的三维图形准备一个＜canvas＞，同时为二维的HUD信息再准备一个＜canvas＞。令这两个＜canvas＞重叠放置，并让HUD的＜canvas＞叠在上面。

2.在前一个＜canvas＞上使用WebGL API绘制三维场景。

3.在后一个＜canvas＞上使用canvas 2D API绘制HUD信息。

如你所见，实现HUD效果的原理非常简单，只要两个＜canvas＞位置重叠，浏览器会自动将WebGL内容和HUD内容混合起来。我们来看一下示例程序。

示例程序（HUD.html）

对HTML文件做些修改，添加一个＜canvas＞标签。如下显示了HUD.html的代码。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en"><head><meta charset="utf-8" /><title>HUD</title></head><body onload="main()"><canvas id="webgl" width="400" height="400" style="position: absolute; z-index: 0">Please use a browser that supports "canvas"</canvas><canvas id="hud" width="400" height="400" style="position: absolute; z-index: 1"></canvas><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="HUD.js"></script></body>
</html>

＜canvas＞标签的style属性可以用来定义其位置和外观，本例将两个＜canvas＞重叠放置，而且HUD的＜canvas＞叠在上层。style属性信息由名值对组成，属性名和属性值之间用冒号（:）隔开（第9行），比如这样：style=〞position:absolute〞，不同属性间用分号（；）隔开。

position属性表示确定＜canvas＞的位置的方式，z-index属性表示两个＜canvas＞的上下关系。

position属性的值是absolute，表示使用绝对坐标系确定＜canvas＞的位置。我们并没有通过具体的坐标值来指定＜canvas＞的位置，所以两个＜canvas＞都会出现在默认位置上，即页面的左上角，只要二者的大小一样，就完全重合了。z-index属性表示，当两个元素重叠时，哪个在上面哪个在下面。规则是，具有较大的z-index属性值的元素在上面。本例中，HUD的＜canvas＞的z-index值是1，而WebGL的＜canvas＞的z-index值是0，所以前者在上面。

总之，这段HTML代码的意思是，两个＜canvas＞元素重叠放置，HUD的＜canvas＞在WebGL的＜canvas＞的上面。由于在默认情况下，＜canvas＞的背景色是透明的，所以无须做其他处理，用户就能透过HUD的＜canvas＞看到WebGL所渲染的场景。所有在HUD的＜canvas＞中绘制的内容都会出现在WebGL渲染的三维场景之上，这样就产生了HUD效果。

示例程序（HUD.js）

接下来看一下HUD.js的代码，如下所示。与PickObject相比WebGL 选中物体_山楂树の的博客-CSDN博客，主要有两处区别：

1. 获取了HUD的＜canvas＞的绘图上下文，用来绘制三角形和文本。

2. 将鼠标点击事件响应函数注册到了HUD的＜canvas＞上，前例中是注册到WebGL的＜canvas＞上的。

第1步使用第2章讨论过的知识，在＜canvas＞上绘制了一个三角形。在第2步中，由于HUD的＜canvas＞叠在WebGL的＜canvas＞上面，所以鼠标点击事件是在前者上触发的，需要把事件响应函数注册到前者上。本例的顶点着色器和片元着色器与PickObject.js完全一样。

// HUD.js (c) 2012 matsuda
// Vertex shader program
var VSHADER_SOURCE ='attribute vec4 a_Position;\n' +'attribute vec4 a_Color;\n' +'uniform mat4 u_MvpMatrix;\n' +'uniform bool u_Clicked;\n' + // Mouse is pressed'varying vec4 v_Color;\n' +'void main() {\n' +'  gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;\n' +'  if (u_Clicked) {\n' + //  Draw in red if mouse is pressed'    v_Color = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);\n' +'  } else {\n' +'    v_Color = a_Color;\n' +'  }\n' +'}\n';// Fragment shader program
var FSHADER_SOURCE ='#ifdef GL_ES\n' +'precision mediump float;\n' +'#endif\n' +'varying vec4 v_Color;\n' +'void main() {\n' +'  gl_FragColor = v_Color;\n' +'}\n';var ANGLE_STEP = 20.0; // Rotation angle (degrees/second)function main() {// Retrieve <canvas> elementvar canvas = document.getElementById('webgl');var hud = document.getElementById('hud');if (!canvas || !hud) {console.log('Failed to get HTML elements');return false;}// Get the rendering context for WebGLvar gl = getWebGLContext(canvas);// Get the rendering context for 2DCGvar ctx = hud.getContext('2d');if (!gl || !ctx) {console.log('Failed to get rendering context');return;}// Initialize shadersif (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {console.log('Failed to intialize shaders.');return;}// Set the vertex informationvar n = initVertexBuffers(gl);if (n < 0) {console.log('Failed to set the vertex information');return;}// Set the clear color and enable the depth testgl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);gl.enable(gl.DEPTH_TEST);// Get the storage locations of uniform variablesvar u_MvpMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_MvpMatrix');var u_Clicked = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Clicked');if (!u_MvpMatrix || !u_Clicked) {console.log('Failed to get the storage location of uniform variables');return;}// Calculate the view projection matrixvar viewProjMatrix = new Matrix4();viewProjMatrix.setPerspective(30.0, canvas.width / canvas.height, 1.0, 100.0);viewProjMatrix.lookAt(0.0, 0.0, 7.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);gl.uniform1i(u_Clicked, 0); // Pass false to u_Clickedvar currentAngle = 0.0; // Current rotation angle// Register the event handlerhud.onmousedown = function (ev) {   // Mouse is pressedvar x = ev.clientX, y = ev.clientY;var rect = ev.target.getBoundingClientRect();if (rect.left <= x && x < rect.right && rect.top <= y && y < rect.bottom) {// If pressed position is inside <canvas>, check if it is above objectvar x_in_canvas = x - rect.left, y_in_canvas = rect.bottom - y;var picked = check(gl, n, x_in_canvas, y_in_canvas, currentAngle, u_Clicked, viewProjMatrix, u_MvpMatrix);if (picked) alert('The cube was selected! ');}}var tick = function () {   // Start drawingcurrentAngle = animate(currentAngle);draw2D(ctx, currentAngle); // Draw 2Ddraw(gl, n, currentAngle, viewProjMatrix, u_MvpMatrix);requestAnimationFrame(tick, canvas);};tick();
}function initVertexBuffers(gl) {// Create a cube//    v6----- v5//   /|      /|//  v1------v0|//  | |     | |//  | |v7---|-|v4//  |/      |///  v2------v3var vertices = new Float32Array([   // Vertex coordinates1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0,    // v0-v1-v2-v3 front1.0, 1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0,    // v0-v3-v4-v5 right1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0,    // v0-v5-v6-v1 up-1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, 1.0,    // v1-v6-v7-v2 left-1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0,    // v7-v4-v3-v2 down1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0     // v4-v7-v6-v5 back]);var colors = new Float32Array([   // Colors0.2, 0.58, 0.82, 0.2, 0.58, 0.82, 0.2, 0.58, 0.82, 0.2, 0.58, 0.82, // v0-v1-v2-v3 front0.5, 0.41, 0.69, 0.5, 0.41, 0.69, 0.5, 0.41, 0.69, 0.5, 0.41, 0.69,  // v0-v3-v4-v5 right0.0, 0.32, 0.61, 0.0, 0.32, 0.61, 0.0, 0.32, 0.61, 0.0, 0.32, 0.61,  // v0-v5-v6-v1 up0.78, 0.69, 0.84, 0.78, 0.69, 0.84, 0.78, 0.69, 0.84, 0.78, 0.69, 0.84, // v1-v6-v7-v2 left0.32, 0.18, 0.56, 0.32, 0.18, 0.56, 0.32, 0.18, 0.56, 0.32, 0.18, 0.56, // v7-v4-v3-v2 down0.73, 0.82, 0.93, 0.73, 0.82, 0.93, 0.73, 0.82, 0.93, 0.73, 0.82, 0.93, // v4-v7-v6-v5 back]);// Indices of the verticesvar indices = new Uint8Array([0, 1, 2, 0, 2, 3,    // front4, 5, 6, 4, 6, 7,    // right8, 9, 10, 8, 10, 11,    // up12, 13, 14, 12, 14, 15,    // left16, 17, 18, 16, 18, 19,    // down20, 21, 22, 20, 22, 23     // back]);// Write the vertex property to buffers (coordinates and normals)if (!initArrayBuffer(gl, vertices, 3, gl.FLOAT, 'a_Position')) return -1; // Coordinatesif (!initArrayBuffer(gl, colors, 3, gl.FLOAT, 'a_Color')) return -1;      // Color Information// Create a buffer objectvar indexBuffer = gl.createBuffer();if (!indexBuffer) {return -1;}// Write the indices to the buffer objectgl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);return indices.length;
}function check(gl, n, x, y, currentAngle, u_Clicked, viewProjMatrix, u_MvpMatrix) {var picked = false;gl.uniform1i(u_Clicked, 1);  // Pass true to u_Clicked(Draw cube with red)draw(gl, n, currentAngle, viewProjMatrix, u_MvpMatrix);// Read pixel at the clicked positionvar pixels = new Uint8Array(4); // Array for storing the pixel valuegl.readPixels(x, y, 1, 1, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, pixels);if (pixels[0] == 255) // If red = 255, clicked on cubepicked = true;gl.uniform1i(u_Clicked, 0);  // Pass false to u_Clicked(Draw cube with specified color)draw(gl, n, currentAngle, viewProjMatrix, u_MvpMatrix);return picked;
}var g_MvpMatrix = new Matrix4(); // Model view projection matrix
function draw(gl, n, currentAngle, viewProjMatrix, u_MvpMatrix) {// Caliculate The model view projection matrix and pass it to u_MvpMatrixg_MvpMatrix.set(viewProjMatrix);g_MvpMatrix.rotate(currentAngle, 1.0, 0.0, 0.0); // Rotate appropriatelyg_MvpMatrix.rotate(currentAngle, 0.0, 1.0, 0.0);g_MvpMatrix.rotate(currentAngle, 0.0, 0.0, 1.0);gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, g_MvpMatrix.elements);gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);     // Clear buffers (color and depth)gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_BYTE, 0);   // Draw
}function draw2D(ctx, currentAngle) {ctx.clearRect(0, 0, 400, 400); // Clear <hud>// Draw triangle with white linesctx.beginPath();                      // Start drawingctx.moveTo(120, 10); ctx.lineTo(200, 150); ctx.lineTo(40, 150);ctx.closePath();ctx.strokeStyle = 'rgba(255, 255, 255, 1)'; // Set white to color of linesctx.stroke();                           // Draw Triangle with white lines// Draw white lettersctx.font = '18px "Times New Roman"';ctx.fillStyle = 'rgba(255, 255, 255, 1)'; // Set white to the color of lettersctx.fillText('HUD: Head Up Display', 40, 180);ctx.fillText('Triangle is drawn by Canvas 2D API.', 40, 200);ctx.fillText('Cube is drawn by WebGL API.', 40, 220);ctx.fillText('Current Angle: ' + Math.floor(currentAngle), 40, 240);
}var last = Date.now(); // Last time that this function was called
function animate(angle) {var now = Date.now();   // Calculate the elapsed timevar elapsed = now - last;last = now;// Update the current rotation angle (adjusted by the elapsed time)var newAngle = angle + (ANGLE_STEP * elapsed) / 1000.0;return newAngle % 360;
}function initArrayBuffer(gl, data, num, type, attribute) {// Create a buffer objectvar buffer = gl.createBuffer();if (!buffer) {console.log('Failed to create the buffer object');return false;}// Write date into the buffer objectgl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);// Assign the buffer object to the attribute variablevar a_attribute = gl.getAttribLocation(gl.program, attribute);if (a_attribute < 0) {console.log('Failed to get the storage location of ' + attribute);return false;}gl.vertexAttribPointer(a_attribute, num, type, false, 0, 0);// Enable the assignment of the buffer object to the attribute variablegl.enableVertexAttribArray(a_attribute);// Unbind the buffer objectgl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);return true;
}

代码详解

由于程序是顺序执行的，我们先来看一下main（）函数（第30行）。首先，获取HUD的＜canvas＞元素（第33行）及其绘图上下文（第43行）。然后，在HUD的＜canvas＞元素上注册鼠标事件响应函数，该函数在PickObject.js中是注册到WebGL的＜canvas＞上的。这是因为HUD的＜canvas＞叠在WebGL的＜canvas＞上面，鼠标点击事件是在HUD的＜canvas＞上触发的。

tick（）函数不仅需要调用draw（）函数绘制三维场景（第96行），还要调用draw2D（）函数绘制HUD信息（第95行）。

draw2D（）函数接收两个参数，二维绘图上下文ctx和立方体的当前角度currentAngle（第184行）。该函数首先调用clearRect（）方法，传入＜canvas＞的左上角坐标、宽度和高度，清空绘图区；然后绘制了一个空心的三角形：定义路径，指定颜色，并调用stroke（）方法完成绘制（第187～191行）；接着，绘制了一些文本：同样指定字体和颜色，并调用fillText（）方法完成绘制（第193～198行）。fillText（）函数接收三个参数，第1个参数是将要绘制的文本字符串，第2个和第3个参数绘制文本位置的x和y坐标。最后一行文本还显示了立方体的当前角度currentAngle，我们用Math.floor（）方法截去了其小数部分。注意，和WebGL的＜canvas＞一样，HUD的＜canvas＞也需要在每一帧重绘，因为当前的角度一直在变化。