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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 責編:小采 時間:2020-11-27 14:05:36
        文檔

        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
        推薦度:
        導讀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的。

        但是,當模型非常大,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

        實現方法很簡單:

        1. 創建選取材質,將場景中的每個模型的材質替換成不同的顏色。

        2. 讀取鼠標位置像素顏色,根據顏色判斷鼠標位置的物體。

        具體實現代碼:

        1. 創建選取材質,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
        scene.traverseVisible(n => { 
        if (!(n instanceof THREE.Mesh)) {
         return;
         }
         n.oldMaterial = n.material;
         if (n.pickMaterial) { // 已經創建過選取材質了
         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,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

        實現方法也很簡單:

        1. 創建深度著色器材質,將場景深度渲染到WebGLRenderTarget上。

        2. 計算鼠標所在位置的深度,根據鼠標位置和深度計算交點位置。

        具體實現代碼:

        1. 創建深度著色器材質,將深度信息以一定的方式編碼,渲染到WebGLRenderTarget上。

        深度材質:

        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。可以直接使用著色器varying變量進行插值。

        b. gl_Position.z / far的原因是,將值轉換到0~1范圍內,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,深度變為-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gl_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

        相關應用

        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

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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
        推薦度:
        標簽: js ee three.js
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