光線投射法
使用three.js自帶的光線投射器(Raycaster)選取物體非常簡單,代碼如下所示:
var raycaster = new THREE.Raycaster(); var mouse = new THREE.Vector2(); function onMouseMove(event) { // 計算鼠標所在位置的設(shè)備坐標 // 三個坐標分量都是-1到1 mouse.x = event.clientX / window.innerWidth * 2 - 1; mouse.y = - (event.clientY / window.innerHeight) * 2 + 1; } function pick() { // 使用相機和鼠標位置更新選取光線 raycaster.setFromCamera(mouse, camera); // 計算與選取光線相交的物體 var intersects = raycaster.intersectObjects(scene.children); }
【相關(guān)課程推薦:JavaScript視頻教程】
它是采用包圍盒過濾,計算投射光線與每個三角面元是否相交實現(xiàn)的。
但是,當(dāng)模型非常大,比如說有40萬個面,通過遍歷的方法選取物體和計算碰撞點位置將非常慢,用戶體驗不好。
但是使用gpu選取物體不存在這個問題。無論場景和模型有多大,都可以在一幀內(nèi)獲取到鼠標所在點的物體和交點的位置。
使用GPU選取物體
實現(xiàn)方法很簡單:
1. 創(chuàng)建選取材質(zhì),將場景中的每個模型的材質(zhì)替換成不同的顏色。
2. 讀取鼠標位置像素顏色,根據(jù)顏色判斷鼠標位置的物體。
具體實現(xiàn)代碼:
1. 創(chuàng)建選取材質(zhì),遍歷場景,將場景中每個模型替換為不同的顏色。
let maxHexColor = 1;// 更換選取材質(zhì) scene.traverseVisible(n => { if (!(n instanceof THREE.Mesh)) { return; } n.oldMaterial = n.material; if (n.pickMaterial) { // 已經(jīng)創(chuàng)建過選取材質(zhì)了 n.material = n.pickMaterial; return; } let material = new THREE.ShaderMaterial({ vertexShader: PickVertexShader, fragmentShader: PickFragmentShader, uniforms: { pickColor: { value: new THREE.Color(maxHexColor) } } }); n.pickColor = maxHexColor; maxHexColor++; n.material = n.pickMaterial = material; }); PickVertexShader: void main() { gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0); } PickFragmentShader: uniform vec3 pickColor;void main() { gl_FragColor = vec4(pickColor, 1.0); }
2. 將場景繪制在WebGLRenderTarget上,讀取鼠標所在位置的顏色,判斷選取的物體。
let renderTarget = new THREE.WebGLRenderTarget(width, height); let pixel = new Uint8Array(4);// 繪制并讀取像素 renderer.setRenderTarget(renderTarget); renderer.clear(); renderer.render(scene, camera); renderer.readRenderTargetPixels(renderTarget, offsetX, height - offsetY, 1, 1, pixel); // 讀取鼠標所在位置顏色 // 還原原來材質(zhì),并獲取選中物體 const currentColor = pixel[0] * 0xffff + pixel[1] * 0xff + pixel[2]; let selected = null; scene.traverseVisible(n => { if (!(n instanceof THREE.Mesh)) { return; } if (n.pickMaterial && n.pickColor === currentColor) { // 顏色相同 selected = n; // 鼠標所在位置的物體 } if (n.oldMaterial) { n.material = n.oldMaterial; delete n.oldMaterial; } });
說明:offsetX和offsetY是鼠標位置,height是畫布高度。readRenderTargetPixels一行的含義是選取鼠標所在位置(offsetX, height - offsetY),寬度為1,高度為1的像素的顏色。
pixel是Uint8Array(4),分別保存rgba顏色的四個通道,每個通道取值范圍是0~255。
完整實現(xiàn)代碼:https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/event/GPUPickEvent.js
使用GPU獲取交點位置
實現(xiàn)方法也很簡單:
1. 創(chuàng)建深度著色器材質(zhì),將場景深度渲染到WebGLRenderTarget上。
2. 計算鼠標所在位置的深度,根據(jù)鼠標位置和深度計算交點位置。
具體實現(xiàn)代碼:
1. 創(chuàng)建深度著色器材質(zhì),將深度信息以一定的方式編碼,渲染到WebGLRenderTarget上。
深度材質(zhì):
const depthMaterial = new THREE.ShaderMaterial({ vertexShader: DepthVertexShader, fragmentShader: DepthFragmentShader, uniforms: { far: { value: camera.far } } }); DepthVertexShader: precision highp float; uniform float far; varying float depth;void main() { gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0); depth = gl_Position.z / far; } DepthFragmentShader: precision highp float; varying float depth;void main() { float hex = abs(depth) * 16777215.0; // 0xffffff float r = floor(hex / 65535.0); float g = floor((hex - r * 65535.0) / 255.0); float b = floor(hex - r * 65535.0 - g * 255.0); float a = sign(depth) >= 0.0 ? 1.0 : 0.0; // depth大于等于0,為1.0;小于0,為0.0。 gl_FragColor = vec4(r / 255.0, g / 255.0, b / 255.0, a); }
重要說明:
a. gl_Position.z是相機空間中的深度,是線性的,范圍從cameraNear到cameraFar??梢灾苯邮褂弥鱲arying變量進行插值。
b. gl_Position.z / far的原因是,將值轉(zhuǎn)換到0~1范圍內(nèi),便于作為顏色輸出。
c. 不能使用屏幕空間中的深度,透視投影后,深度變?yōu)?1~1,大部分非常接近1(0.9多),不是線性的,幾乎不變,輸出的顏色幾乎不變,非常不準確。
d. 在片元著色器中獲取深度方法:相機空間深度為gl_FragCoord.z,屏幕空間深度為gl_FragCoord.z / gl_FragCoord.w。
e. 上述描述都是針對透視投影,正投影中g(shù)l_Position.w為1,使用相機空間和屏幕空間深度都是一樣的。
f. 為了盡可能準確輸出深度,采用rgb三個分量輸出深度。gl_Position.z/far范圍在0~1,乘以0xffffff,轉(zhuǎn)換為一個rgb顏色值,r分量1表示65535,g分量1表示255,b分量1表示1。
完整實現(xiàn)代碼:https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/event/GPUPickEvent.js
2. 讀取鼠標所在位置的顏色,將讀取到的顏色值還原為相機空間深度值。
a. 將“加密”處理后的深度繪制在WebGLRenderTarget上。讀取顏色方法
let renderTarget = new THREE.WebGLRenderTarget(width, height); let pixel = new Uint8Array(4); scene.overrideMaterial = this.depthMaterial; renderer.setRenderTarget(renderTarget); renderer.clear(); renderer.render(scene, camera); renderer.readRenderTargetPixels(renderTarget, offsetX, height - offsetY, 1, 1, pixel);
說明:offsetX和offsetY是鼠標位置,height是畫布高度。readRenderTargetPixels一行的含義是選取鼠標所在位置(offsetX, height - offsetY),寬度為1,高度為1的像素的顏色。
pixel是Uint8Array(4),分別保存rgba顏色的四個通道,每個通道取值范圍是0~255。
b. 將“加密”后的相機空間深度值“解密”,得到正確的相機空間深度值。
if (pixel[2] !== 0 || pixel[1] !== 0 || pixel[0] !== 0) { let hex = (this.pixel[0] * 65535 + this.pixel[1] * 255 + this.pixel[2]) / 0xffffff; if (this.pixel[3] === 0) { hex = -hex; } cameraDepth = -hex * camera.far; // 相機坐標系中鼠標所在點的深度(注意:相機坐標系中的深度值為負值)}
3. 根據(jù)鼠標在屏幕上的位置和相機空間深度,插值反算交點世界坐標系中的坐標。
let nearPosition = new THREE.Vector3(); // 鼠標屏幕位置在near處的相機坐標系中的坐標 let farPosition = new THREE.Vector3(); // 鼠標屏幕位置在far處的相機坐標系中的坐標 let world = new THREE.Vector3(); // 通過插值計算世界坐標 // 設(shè)備坐標 const deviceX = this.offsetX / width * 2 - 1; const deviceY = - this.offsetY / height * 2 + 1;// 近點 nearPosition.set(deviceX, deviceY, 1); // 屏幕坐標系:(0, 0, 1) nearPosition.applyMatrix4(camera.projectionMatrixInverse); // 相機坐標系:(0, 0, -far) // 遠點 farPosition.set(deviceX, deviceY, -1); // 屏幕坐標系:(0, 0, -1) farPosition.applyMatrix4(camera.projectionMatrixInverse); // 相機坐標系:(0, 0, -near) // 在相機空間,根據(jù)深度,按比例計算出相機空間x和y值。 const t = (cameraDepth - nearPosition.z) / (farPosition.z - nearPosition.z); // 將交點從相機空間中的坐標,轉(zhuǎn)換到世界坐標系坐標。 world.set( nearPosition.x + (farPosition.x - nearPosition.x) * t, nearPosition.y + (farPosition.y - nearPosition.y) * t, cameraDepth ); world.applyMatrix4(camera.matrixWorld);
完整代碼:https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/event/GPUPickEvent.js
相關(guān)應(yīng)用
使用gpu選取物體并計算交點位置,多用于需要性能非常高的情況。例如:
1. 鼠標移動到三維模型上的hover效果。
2. 添加模型時,模型隨著鼠標移動,實時預(yù)覽模型放到場景中的效果。
3. 距離測量、面積測量等工具,線條和多邊形隨著鼠標在平面上移動,實時預(yù)覽效果,并計算長度和面積。
4. 場景和模型非常大,光線投射法選取速度很慢,用戶體驗非常不好。
這里給一個使用gpu選取物體和實現(xiàn)鼠標hover效果的圖片。紅色邊框是選取效果,黃色半透明效果是鼠標hover效果。
看不明白?可能你不太熟悉three.js中的各種投影運算。下面給出three.js中的投影運算公式。
three.js中的投影運算
1. modelViewMatrix = camera.matrixWorldInverse * object.matrixWorld
2. viewMatrix = camera.matrixWorldInverse
3. modelMatrix = object.matrixWorld
4. project = applyMatrix4( camera.matrixWorldInverse ).applyMatrix4( camera.projectionMatrix )
5. unproject = applyMatrix4( camera.projectionMatrixInverse ).applyMatrix4( camera.matrixWorld )
6. gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * position
= projectionMatrix * camera.matrixWorldInverse * matrixWorld * position
= projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * position
參考資料:
1. 完整實現(xiàn)代碼:https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/event/GPUPickEvent.js
2. 基于three.js的開源三維場景編輯器:https://github.com/tengge1/ShadowEditor
3. OpenGL中使用著色器繪制深度值:https://stackoverflow.com/questions/6408851/draw-the-depth-value-in-opengl-using-shaders
4. 在glsl中,獲取真實的片元著色器深度值:https://gamedev.stackexchange.com/questions/93055/getting-the-real-fragment-depth-in-glsl
本文來自 js教程 欄目,歡迎學(xué)習(xí)!
聲明:本網(wǎng)頁內(nèi)容旨在傳播知識,若有侵權(quán)等問題請及時與本網(wǎng)聯(lián)系,我們將在第一時間刪除處理。TEL:177 7030 7066 E-MAIL:11247931@qq.com