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three.js使用gpu選取物體并計算交點位置

來源:懂視網(wǎng) 責(zé)編:小采 時間:2020-11-27 14:05:36
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three.js使用gpu選取物體并計算交點位置

three.js使用gpu選取物體并計算交點位置: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
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導(dǎo)讀three.js使用gpu選取物體并計算交點位置: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

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)!

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three.js使用gpu選取物體并計算交點位置: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
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標簽: js ee three.js
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