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threejs/manual/zh/picking.html

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first
3 years ago
<!DOCTYPE html><html lang="zh"><head>
<meta charset="utf-8">
<title>拾取</title>
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<meta name="twitter:title" content="Three.js – 拾取">
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<link rel="shortcut icon" href="/files/favicon.ico" media="(prefers-color-scheme: light)">
<link rel="stylesheet" href="/manual/resources/lesson.css">
<link rel="stylesheet" href="/manual/resources/lang.css">
<!-- Import maps polyfill -->
<!-- Remove this when import maps will be widely supported -->
<script async src="https://unpkg.com/es-module-shims@1.3.6/dist/es-module-shims.js"></script>
<script type="importmap">
{
"imports": {
"three": "../../build/three.module.js"
}
}
</script>
<link rel="stylesheet" href="/manual/zh/lang.css">
</head>
<body>
<div class="container">
<div class="lesson-title">
<h1>拾取</h1>
</div>
<div class="lesson">
<div class="lesson-main">
<p><em>拾取</em> 指代推断用户点击或触碰了哪个对象的过程。有很多方式实现拾取，但是，每一种都有相应的成本，使用时需有所取舍。下面是最常用的两种方式：</p>
<p><strong>射线追踪法</strong>（raycasting）很可能是最常用的方法，其基本原理是：从鼠标处发射一条射线，穿透场景的视椎体，通过计算，找出视锥体中哪些对象与射线相交。</p>
<p>首先，获取鼠标的屏幕坐标.其次，对其应用摄像机的投影和方向的矩阵变换，得到其在世界空间的坐标。然后，计算出一条射线，从视锥体的近端平面射向远端平面。再然后，对于场景中每一个对象的每一个三角，检查其是否与射线相交。假设你的场景中有1000个对象，每个对象有1000个三角，那么就需要检查一百万个三角。</p>
<p>对此，可以做一些优化，先检查对象的包围球或包围盒是否与射线相交，包围球或包围盒是指包含整个对象的球体或者立方体，如果射线未相交，就不需要检查组成该对象的三角们了。</p>
<p>THREE.js 提供了 <code class="notranslate" translate="no">RayCaster</code> 类来做这些事情。</p>
<p>接下来，让我们先创建一个包含100个对象的场景，然后试着去拾取这些对象。可以从样例<a href="responsive.html">threejs-响应式</a>开始。</p>
<p>改动一些代码
使摄像机成为一个对象的子元素，旋转这个对象时，摄像机会像绑定在自拍杆上一样，在场景中游弋。</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">*const fov = 60;
const aspect = 2; // 画布默认纵横比为2
const near = 0.1;
*const far = 200;
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(fov, aspect, near, far);
*camera.position.z = 30;
const scene = new THREE.Scene();
+scene.background = new THREE.Color('white');
+// 把摄像机放到自拍杆上 (把它添加为一个对象的子元素)
+// 如此，我们就能通过旋转自拍杆，来移动摄像机
+const cameraPole = new THREE.Object3D();
+scene.add(cameraPole);
+cameraPole.add(camera);
</pre>
<p>在 <code class="notranslate" translate="no">render</code> 函数中旋转摄像机端点。</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">cameraPole.rotation.y = time * .1;
</pre>
<p>把光源也绑定到摄像机上，这样光源就会随着摄像机移动。</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">-scene.add(light);
+camera.add(light);
</pre>
<p>生成100个立方体，每个立方体的颜色，位置，朝向，缩放都随机。</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">const boxWidth = 1;
const boxHeight = 1;
const boxDepth = 1;
const geometry = new THREE.BoxGeometry(boxWidth, boxHeight, boxDepth);
function rand(min, max) {
if (max === undefined) {
max = min;
min = 0;
}
return min + (max - min) * Math.random();
}
function randomColor() {
return `hsl(${rand(360) | 0}, ${rand(50, 100) | 0}%, 50%)`;
}
const numObjects = 100;
for (let i = 0; i &lt; numObjects; ++i) {
const material = new THREE.MeshPhongMaterial({
color: randomColor(),
});
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);
cube.position.set(rand(-20, 20), rand(-20, 20), rand(-20, 20));
cube.rotation.set(rand(Math.PI), rand(Math.PI), 0);
cube.scale.set(rand(3, 6), rand(3, 6), rand(3, 6));
}
</pre>
<p>最后，让我们来完成拾取功能。
写一个简单的类来管理拾取操作</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">class PickHelper {
constructor() {
this.raycaster = new THREE.Raycaster();
this.pickedObject = null;
this.pickedObjectSavedColor = 0;
}
pick(normalizedPosition, scene, camera, time) {
// 恢复上一个被拾取对象的颜色
if (this.pickedObject) {
this.pickedObject.material.emissive.setHex(this.pickedObjectSavedColor);
this.pickedObject = undefined;
}
// 发出射线
this.raycaster.setFromCamera(normalizedPosition, camera);
// 获取与射线相交的对象
const intersectedObjects = this.raycaster.intersectObjects(scene.children);
if (intersectedObjects.length) {
// 找到第一个对象，它是离鼠标最近的对象
this.pickedObject = intersectedObjects[0].object;
// 保存它的颜色
this.pickedObjectSavedColor = this.pickedObject.material.emissive.getHex();
// 设置它的发光为 黄色/红色闪烁
this.pickedObject.material.emissive.setHex((time * 8) % 2 &gt; 1 ? 0xFFFF00 : 0xFF0000);
}
}
}
</pre>
<p>可以看到，我们创建了一个 <code class="notranslate" translate="no">RayCaster</code> 实例，调用该实例的 <code class="notranslate" translate="no">pick</code> 方法可以在场景中发出一条射线。如果，射线有撞击到场景中的物体，修改撞击到的第一个物体的颜色。</p>
<p>当然，也可以在用户点击鼠标时，调用这个方法，这恐怕是最常见的应用场景。但是，在本范例中，不管在鼠标下方是什么，在每一帧中都会进行拾取操作,为此，需要跟踪鼠标的位置。</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">const pickPosition = {x: 0, y: 0};
clearPickPosition();
...
function getCanvasRelativePosition(event) {
const rect = canvas.getBoundingClientRect();
return {
x: (event.clientX - rect.left) * canvas.width / rect.width,
y: (event.clientY - rect.top ) * canvas.height / rect.height,
};
}
function setPickPosition(event) {
const pos = getCanvasRelativePosition(event);
pickPosition.x = (pos.x / canvas.width ) * 2 - 1;
pickPosition.y = (pos.y / canvas.height) * -2 + 1; // note we flip Y
}
function clearPickPosition() {
// 对于触屏，不像鼠标总是能有一个位置坐标，
// 如果用户不在触摸屏幕，我们希望停止拾取操作。
// 因此，我们选取一个特别的值，表明什么都没选中
pickPosition.x = -100000;
pickPosition.y = -100000;
}
window.addEventListener('mousemove', setPickPosition);
window.addEventListener('mouseout', clearPickPosition);
window.addEventListener('mouseleave', clearPickPosition);
</pre>
<p>需要注意的是，我们记录了归一化的鼠标位置。无论画布的尺寸，我们需要一个从左到右，落入区间（-1，1）的值，类似的，也需要一个从下到上，落入区间（-1，1）的值。</p>
<p>完成以后，我们再添加对移动端的支持：</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">window.addEventListener('touchstart', (event) =&gt; {
// 阻止窗口滚动行为
event.preventDefault();
setPickPosition(event.touches[0]);
}, {passive: false});
window.addEventListener('touchmove', (event) =&gt; {
setPickPosition(event.touches[0]);
});
window.addEventListener('touchend', clearPickPosition);
</pre>
<p>最终，在 <code class="notranslate" translate="no">render</code> 方法中，我们调用了 <code class="notranslate" translate="no">PickHelper</code> 的 <code class="notranslate" translate="no">pick</code> 方法</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">+const pickHelper = new PickHelper();
function render(time) {
time *= 0.001; //将毫秒单位转换为秒单位;
...
+ pickHelper.pick(pickPosition, scene, camera, time);
renderer.render(scene, camera);
...
</pre>
<p>这是最终结果
</p><div translate="no" class="threejs_example_container notranslate">
<div><iframe class="threejs_example notranslate" translate="no" style=" " src="/manual/examples/resources/editor.html?url=/manual/examples/picking-raycaster.html"></iframe></div>
<a class="threejs_center" href="/manual/examples/picking-raycaster.html" target="_blank">点击此处在新标签页中打开</a>
</div>
<p></p>
<p>这种方式看起来效果不错，而且能处理很多用户场景，但是也存在几个问题：</p>
<ol>
<li>这是基于CPU运算的
Javascript遍历每一个对象，检查其包围盒或包围球是否与射线相交，如果相交，它必须遍历组成该对象的每一个三角，检查它们是否与射线相交。<br>好处是，JavaScript能够很容易计算出射线在哪里与三角相交，并为我们提供相关数据。举个例子，如果你想要在相交的位置放置一个标记。<br>缺点是，CPU要做大量的工作,当你的对象由大量的三角组成时，这个过程会有些慢。</li>
<li>它无法处理一些奇怪的着色器或者位移
如果，你有一个变形或者拟态几何形状的着色器，Javascript无法理解这个变形，它会给出错误的答案。举例：据我所知，你不能对有皮肤的对象使用这种方式。</li>
<li>无法处理透明的孔洞
举个例子，为立方体应用这个纹理<div class="threejs_center"><img class="checkerboard" src="../examples/resources/images/frame.png"></div>
</li>
</ol>
<p>改动代码如下：</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">+const loader = new THREE.TextureLoader();
+const texture = loader.load('resources/images/frame.png');
const numObjects = 100;
for (let i = 0; i &lt; numObjects; ++i) {
const material = new THREE.MeshPhongMaterial({
color: randomColor(),
+map: texture,
+transparent: true,
+side: THREE.DoubleSide,
+alphaTest: 0.1,
});
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);
...
</pre>
<p>运行后，你就能看到问题所在。
</p><div translate="no" class="threejs_example_container notranslate">
<div><iframe class="threejs_example notranslate" translate="no" style=" " src="/manual/examples/resources/editor.html?url=/manual/examples/picking-raycaster-transparency.html"></iframe></div>
<a class="threejs_center" href="/manual/examples/picking-raycaster-transparency.html" target="_blank">点击此处在新标签页中打开</a>
</div>
<p></p>
<p>试着透过盒子拾取一些物体，但是你无法做到</p>
<div class="threejs_center"><img src="../resources/images/picking-transparent-issue.jpg" style="width: 635px;"></div>
<p>这是因为 JavaScript 无法通过简单的查看纹理和材质，就推测出你的对象是否存在一部分是透明的或者不透明。</p>
<p>对于这些问题的解决方案，就是使用基于GPU的拾取方法。可惜，该方法概念上简单，但是相比于射线追踪法，用起来就复杂了。</p>
<p>为了完成GPU拾取，对每一个对象使用唯一的颜色进行离屏渲染。然后，检查鼠标位置关联的像素的颜色。这个颜色就能告诉我们哪个对象被选中。</p>
<p>这能解决上面的问题2，3。至于问题1的速度问题，这取决于业务场景。每个对象会被绘制两次，一次用于观看，一次用于拾取。也许存在开脑洞的解决方案，可以只绘制一次就完成查看和拾取，此处我们不会尝试。</p>
<p>但是有一件事值得去做，因为拾取时我们只需读取1px，所以我们可以设置摄像机，只绘制1px，通过 <a href="/docs/#api/zh/cameras/PerspectiveCamera.setViewOffset"><code class="notranslate" translate="no">PerspectiveCamera.setViewOffset</code></a> 方法，可以告诉THREE.js 计算出一个摄像机 只呈现一个大矩形的一个很小的部分。这应该能节省一些运行时间。</p>
<p>此时，要在THREE.js中实现这种拾取方式，需要创建两个场景。一个使用正常的网格对象填充。另外一个使用“拾取材质”的网格对象填充。</p>
<p>因此，首先创建第二个场景，并将其清理为黑色背景。</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">const scene = new THREE.Scene();
scene.background = new THREE.Color('white');
const pickingScene = new THREE.Scene();
pickingScene.background = new THREE.Color(0);
</pre>
<p>然后，对于在主场景中的每一个立方体，在 <code class="notranslate" translate="no">pickingScene</code> 中，在同样的位置，创建一个与原立方体相似的，相关联的“可拾取立方体”，用对象的id生成颜色值，去设置对象的材质。</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">const idToObject = {};
+const numObjects = 100;
for (let i = 0; i &lt; numObjects; ++i) {
+ const id = i + 1;
const material = new THREE.MeshPhongMaterial({
color: randomColor(),
map: texture,
transparent: true,
side: THREE.DoubleSide,
alphaTest: 0.1,
});
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);
+ idToObject[id] = cube;
cube.position.set(rand(-20, 20), rand(-20, 20), rand(-20, 20));
cube.rotation.set(rand(Math.PI), rand(Math.PI), 0);
cube.scale.set(rand(3, 6), rand(3, 6), rand(3, 6));
+ const pickingMaterial = new THREE.MeshPhongMaterial({
+ emissive: new THREE.Color(id),
+ color: new THREE.Color(0, 0, 0),
+ specular: new THREE.Color(0, 0, 0),
+ map: texture,
+ transparent: true,
+ side: THREE.DoubleSide,
+ alphaTest: 0.5,
+ blending: THREE.NoBlending,
+ });
+ const pickingCube = new THREE.Mesh(geometry, pickingMaterial);
+ pickingScene.add(pickingCube);
+ pickingCube.position.copy(cube.position);
+ pickingCube.rotation.copy(cube.rotation);
+ pickingCube.scale.copy(cube.scale);
}
</pre>
<p>注意到，此时，我们利用 <a href="/docs/#api/zh/materials/MeshPhongMaterial"><code class="notranslate" translate="no">MeshPhongMaterial</code></a> 创建材质，使用id生成颜色，设置到它的<code class="notranslate" translate="no">emissive</code>属性，<code class="notranslate" translate="no">color</code> 和 <code class="notranslate" translate="no">specular</code>属性设置为0，设置 <code class="notranslate" translate="no">alphaTest</code> 属性，只渲染纹理的alpha值大于该属性值的部分，还需要将<code class="notranslate" translate="no">blending</code> 设置为 <code class="notranslate" translate="no">NoBlending</code>，这样alpha通道不会作用到id生成色</p>
<p>注意到，利用 <a href="/docs/#api/zh/materials/MeshPhongMaterial"><code class="notranslate" translate="no">MeshPhongMaterial</code></a> 可能并不是最优的解决方案，因为，在绘制拾取场景时，仍然需要计算所有的光线，尽管我们不需要这些计算。一个更优的方案是使用自定义的着色器，只为纹理alpha值大于 <code class="notranslate" translate="no">alphaTest</code> 属性值的部分，输出id生成色</p>
<p>由于我们是从像素点拾取，而不是射线追踪，只需将代码修改为使用像素拾取方式，获取拾取位置。</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">function setPickPosition(event) {
const pos = getCanvasRelativePosition(event);
- pickPosition.x = (pos.x / canvas.clientWidth ) * 2 - 1;
- pickPosition.y = (pos.y / canvas.clientHeight) * -2 + 1; // 注意，翻转了y轴
+ pickPosition.x = pos.x;
+ pickPosition.y = pos.y;
}
</pre>
<p>首先，我们将 <code class="notranslate" translate="no">PickHelper</code> 修改为 <code class="notranslate" translate="no">GPUPickHelper</code>。这里使用了 <a href="/docs/#api/zh/renderers/WebGLRenderTarget"><code class="notranslate" translate="no">WebGLRenderTarget</code></a>，如同我们在 <a href="rendertargets.html">多个渲染目标</a>中介绍的一样，此处，我们的渲染目标只有1像素的尺寸，1×1。</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">-class PickHelper {
+class GPUPickHelper {
constructor() {
- this.raycaster = new THREE.Raycaster();
+ // 创建一个1px的渲染目标
+ this.pickingTexture = new THREE.WebGLRenderTarget(1, 1);
+ this.pixelBuffer = new Uint8Array(4);
this.pickedObject = null;
this.pickedObjectSavedColor = 0;
}
pick(cssPosition, scene, camera, time) {
+ const {pickingTexture, pixelBuffer} = this;
// 如果已经存在拾取的对象，将其颜色恢复
if (this.pickedObject) {
this.pickedObject.material.emissive.setHex(this.pickedObjectSavedColor);
this.pickedObject = undefined;
}
+ // 设置视野偏移来表现鼠标下的1px
+ const pixelRatio = renderer.getPixelRatio();
+ camera.setViewOffset(
+ renderer.getContext().drawingBufferWidth, // 全宽
+ renderer.getContext().drawingBufferHeight, // 全高
+ cssPosition.x * pixelRatio | 0, // rect x
+ cssPosition.y * pixelRatio | 0, // rect y
+ 1, // rect width
+ 1, // rect height
+ );
+ // 渲染场景
+ renderer.setRenderTarget(pickingTexture)
+ renderer.render(scene, camera);
+ renderer.setRenderTarget(null);
+
+ // 清理视野偏移，回归正常
+ camera.clearViewOffset();
+ // 读取像素
+ renderer.readRenderTargetPixels(
+ pickingTexture,
+ 0, // x
+ 0, // y
+ 1, // width
+ 1, // height
+ pixelBuffer);
+
+ const id =
+ (pixelBuffer[0] &lt;&lt; 16) |
+ (pixelBuffer[1] &lt;&lt; 8) |
+ (pixelBuffer[2] );
- // 射线穿越视锥体
- this.raycaster.setFromCamera(normalizedPosition, camera);
- // 获取与射线相交的对象
- const intersectedObjects = this.raycaster.intersectObjects(scene.children);
- if (intersectedObjects.length) {
- // 获取第一个对象，他是离鼠标最近的一个
- this.pickedObject = intersectedObjects[0].object;
+ const intersectedObject = idToObject[id];
+ if (intersectedObject) {
+ //获取第一个对象，他是离鼠标最近的一个
+ this.pickedObject = intersectedObject;
// 保存颜色
this.pickedObjectSavedColor = this.pickedObject.material.emissive.getHex();
// 设置对象在黄/红两色间闪烁
this.pickedObject.material.emissive.setHex((time * 8) % 2 &gt; 1 ? 0xFFFF00 : 0xFF0000);
}
}
}
</pre>
<p>接下来，我们就可以使用它了</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">-const pickHelper = new PickHelper();
+const pickHelper = new GPUPickHelper();
</pre>
<p>这里是将 <code class="notranslate" translate="no">pickScene</code> 传给helper,而不是<code class="notranslate" translate="no">scene</code>。</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">- pickHelper.pick(pickPosition, scene, camera, time);
+ pickHelper.pick(pickPosition, pickScene, camera, time);
</pre>
<p>现在，你应该可以透过透明的部分进行拾取操作了</p>
<p></p><div translate="no" class="threejs_example_container notranslate">
<div><iframe class="threejs_example notranslate" translate="no" style=" " src="/manual/examples/resources/editor.html?url=/manual/examples/picking-gpu.html"></iframe></div>
<a class="threejs_center" href="/manual/examples/picking-gpu.html" target="_blank">点击此处在新标签页中打开</a>
</div>
<p></p>
<p>至此，对于如何实现拾取，希望此文能给你一些灵感。在后续的文章中，也许，我们可以看看如何使用鼠标操作对象。</p>
</div>
</div>
</div>
<script src="/manual/resources/prettify.js"></script>
<script src="/manual/resources/lesson.js"></script>
</body></html>