图片来源：unsplash.com/photos/_JBK…
云图三维 连接你·创造的世界 致力于打造国内第一家集查看、建模、装配和渲染于一体的“云端CAD”协作设计平台。
Three.js内置非常多的几何体，比如立方体(BoxGeometry)、圆（CircleGeometry）、圆锥(ConeGeometry)、圆柱(CylinderGeometry)和一些复杂高级的几何体。同时也提供了自定义缓冲几何体(BufferGeometry)，通过传入顶点数据，给使用者提供极大的灵活性。本文主要介绍自定义缓冲几何体（BufferGeometry）。
从原理上来讲，所有的几何体其本质在底层都是通过BufferGeometry与BufferAttribute进行表示。其对应的是webgl中的顶点缓冲对象。在BufferGeometry中包含了需要渲染用到的顶点相关属性，如位置、法线、颜色、uv等属性。
数据结构
先了解一下对应的数据结构。
BufferGeometry 本质上是由多个 BufferAttribute构成的 。每一个 BufferAttribute 代表一种类型数据的数组：位置，法线，颜色，uv，等等……
并行数组
上面提到，一个顶点有四个属性：position, normal, color, uv 。 如下图所示，在并行数组中，纵向长度相同的一列，代表每个属性的第N个数据集属于同一个顶点。这里index=4的顶点被高亮表示，对应到下图中的立方体。
vertex4正是对应正方体的一个顶点。
法线的解释
不同的面都需要一个不同的法线。法线是面朝向的信息。上图为例，方块vertex4顶点用箭头表示的法线，代表共用顶点位置的面需要指向不同方向的法线。一个角在不同的面需要不同的UV。UV是用来指定纹理区域中，画在相应顶点位置三角形的纹理坐标。可以看到，绿色的面需要顶点的UV对应于F纹理的右上角，蓝色的面需要的UV对应于F纹理的左上角，红色的面需要的UV对应于F纹理的左下角。
实例
通过一个例子说明，创建一个使用 BufferGeometry 的方块。因为它看起来在角的地方，共用顶点但实际上不是。在例子中，我们将列出所有顶点数据，然后转化成并行数组，最后用它们创建 BufferAttributes 并添加到 BufferGeometry 。
立方体顶点数据
const vertices = [
// front
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [0, 0], },
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [1, 1], },
// right
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [0, 0], },
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [1, 1], },
// back
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [0, 0], },
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [1, 1], },
// left
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [-1, 0, 0], uv: [0, 0], },
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [-1, 0, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [-1, 0, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [-1, 0, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [-1, 0, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [-1, 0, 0], uv: [1, 1], },
// top
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [0, 0], },
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [1, 1], },
// bottom
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [0, 0], },
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [1, 1], },
];
然后转换为3个并行数组
const positions = [];
const normals = [];
const uvs = [];
for (const vertex of vertices) {
positions.push(...vertex.pos);
normals.push(...vertex.norm);
uvs.push(...vertex.uv);
}
创建一个 BufferGeometry ，然后为每个数组创建一个 BufferAttribute 并添加到 BufferGeometry 。
const geometry = new THREE.BufferGeometry();
const positionNumComponents = 3;
const normalNumComponents = 3;
const uvNumComponents = 2;
geometry.setAttribute(
'position',
new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(positions), positionNumComponents));
geometry.setAttribute(
'normal',
new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(normals), normalNumComponents));
geometry.setAttribute(
'uv',
new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(uvs), uvNumComponents));
特别注意这里的属性名非常重要，要和Three.js内置的名字一样。
在这里是 position、 normal 和 uv 。如果你想要设置顶点颜色则命名属性为 color 。
在上面我们创建了3个JavaScript原生数组， positions, normals 和 uvs 。 然后我们将他们转换为 Float32Array 的类型数组TypedArrays。 BufferAttribute 是类型数组而不是原生数组。同时 BufferAttribute 需要设定每个顶点有多少组成成分。对于位置和法线，每个顶点我们需要3个组成成分，x、y和z。对于UV我们需要2个，u和v。
如何了解过opengl，就非常容易理解这里的并行数组。扩展了解——着色器
完整代码
function main() {
const canvas = document.querySelector('#yuntu');
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({canvas});
const fov = 75;
const aspect = 2; // 默认值
const near = 0.1;
const far = 100;
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(fov, aspect, near, far);
camera.position.z = 5;
const scene = new THREE.Scene();
{
const color = 0xFFFFFF;
const intensity = 1;
const light = new THREE.DirectionalLight(color, intensity);
light.position.set(-1, 2, 4);
scene.add(light);
}
//顶点数据
const vertices = [
// front
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [0, 0], },
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [1, 1], },
// right
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [0, 0], },
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [1, 1], },
// back
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [0, 0], },
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [1, 1], },
// left
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [-1, 0, 0], uv: [0, 0], },
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [-1, 0, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [-1, 0, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [-1, 0, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [-1, 0, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [-1, 0, 0], uv: [1, 1], },
// top
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [0, 0], },
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [1, 1], },
// bottom
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [0, 0], },
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [0, 1], },
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [1, 0], },
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [1, 1], },
];
const positions = [];
const normals = [];
const uvs = [];
for (const vertex of vertices) {
positions.push(...vertex.pos);
normals.push(...vertex.norm);
uvs.push(...vertex.uv);
}
const geometry = new THREE.BufferGeometry();
const positionNumComponents = 3;
const normalNumComponents = 3;
const uvNumComponents = 2;
geometry.setAttribute(
'position',
new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(positions), positionNumComponents));
geometry.setAttribute(
'normal',
new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(normals), normalNumComponents));
geometry.setAttribute(
'uv',
new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(uvs), uvNumComponents));
const loader = new THREE.TextureLoader();
const texture = loader.load('xxxxxxx/images/xxxx.png');
function makeInstance(geometry, color, x) {
const material = new THREE.MeshPhongMaterial({color, map: texture});
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);
cube.position.x = x;
return cube;
}
const cubes = [
makeInstance(geometry, 0x88FF88, 0),
makeInstance(geometry, 0x8888FF, -4),
makeInstance(geometry, 0xFF8888, 4),
];
function resizeRendererToDisplaySize(renderer) {
const canvas = renderer.domElement;
const width = canvas.clientWidth;
const height = canvas.clientHeight;
const needResize = canvas.width !== width || canvas.height !== height;
if (needResize) {
renderer.setSize(width, height, false);
}
return needResize;
}
function render(time) {
time *= 0.001;
if (resizeRendererToDisplaySize(renderer)) {
const canvas = renderer.domElement;
camera.aspect = canvas.clientWidth / canvas.clientHeight;
camera.updateProjectionMatrix();
}
cubes.forEach((cube, ndx) => {
const speed = 1 + ndx * .1;
const rot = time * speed;
cube.rotation.x = rot;
cube.rotation.y = rot;
});
renderer.render(scene, camera);
requestAnimationFrame(render);
}
requestAnimationFrame(render);
}
main();
运行这段代码会得到如下效果
顶点优化
上面对于每一个顶点我们都重复的定义了，可以使用索引的方式去掉重复的顶点定义。
根据上面这个例子，每个面由2个三角形组成，每个三角形3个顶点，总共6个，但是其中2个是完全一样的；同样的位置，同样的法线，和同样的uv。因此，我们可以移除匹配的顶点，然后用索引代表他们。首先我们移除匹配的顶点。
可以简化到24个顶点
const vertices = [
// front
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [0, 0], }, // 0
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [1, 0], }, // 1
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [0, 1], }, // 2
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [1, 1], }, // 3
// right
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [0, 0], }, // 4
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [1, 0], }, // 5
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [0, 1], }, // 6
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [1, 1], }, // 7
// back
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [0, 0], }, // 8
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [1, 0], }, // 9
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [0, 1], }, // 10
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [1, 1], }, // 11
// left
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [-1, 0, 0], uv: [0, 0], }, // 12
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [-1, 0, 0], uv: [1, 0], }, // 13
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [-1, 0, 0], uv: [0, 1], }, // 14
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [-1, 0, 0], uv: [1, 1], }, // 15
// top
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [0, 0], }, // 16
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [1, 0], }, // 17
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [0, 1], }, // 18
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [1, 1], }, // 19
// bottom
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [0, 0], }, // 20
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [1, 0], }, // 21
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [0, 1], }, // 22
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [1, 1], }, // 23
];
然后我们为36个要画的顶点设定36个索引，通过调用 BufferGeometry.setIndex 并传入索引数组来创建12个三角形。
geometry.setAttribute(
'position',
new THREE.BufferAttribute(positions, positionNumComponents));
geometry.setAttribute(
'normal',
new THREE.BufferAttribute(normals, normalNumComponents));
geometry.setAttribute(
'uv',
new THREE.BufferAttribute(uvs, uvNumComponents));
geometry.setIndex([
0, 1, 2, 2, 1, 3, // front
4, 5, 6, 6, 5, 7, // right
8, 9, 10, 10, 9, 11, // back
12, 13, 14, 14, 13, 15, // left
16, 17, 18, 18, 17, 19, // top
20, 21, 22, 22, 21, 23, // bottom
]);
使用上面的代码可以得到上面例子一样的效果。
优化之后的完整代码
function main() {
const canvas = document.querySelector('#c');
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({canvas});
const fov = 75;
const aspect = 2;
const near = 0.1;
const far = 100;
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(fov, aspect, near, far);
camera.position.z = 5;
const scene = new THREE.Scene();
{
const color = 0xFFFFFF;
const intensity = 1;
const light = new THREE.DirectionalLight(color, intensity);
light.position.set(-1, 2, 4);
scene.add(light);
}
const vertices = [
// front
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [0, 0], }, // 0
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [1, 0], }, // 1
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [0, 1], }, // 2
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 0, 0, 1], uv: [1, 1], }, // 3
// right
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [0, 0], }, // 4
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [1, 0], }, // 5
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [0, 1], }, // 6
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 1, 0, 0], uv: [1, 1], }, // 7
// back
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [0, 0], }, // 8
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [1, 0], }, // 9
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [0, 1], }, // 10
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [ 0, 0, -1], uv: [1, 1], }, // 11
// left
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [-1, 0, 0], uv: [0, 0], }, // 12
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [-1, 0, 0], uv: [1, 0], }, // 13
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [-1, 0, 0], uv: [0, 1], }, // 14
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [-1, 0, 0], uv: [1, 1], }, // 15
// top
{ pos: [ 1, 1, -1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [0, 0], }, // 16
{ pos: [-1, 1, -1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [1, 0], }, // 17
{ pos: [ 1, 1, 1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [0, 1], }, // 18
{ pos: [-1, 1, 1], norm: [ 0, 1, 0], uv: [1, 1], }, // 19
// bottom
{ pos: [ 1, -1, 1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [0, 0], }, // 20
{ pos: [-1, -1, 1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [1, 0], }, // 21
{ pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [0, 1], }, // 22
{ pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, -1, 0], uv: [1, 1], }, // 23
];
const numVertices = vertices.length;
const positionNumComponents = 3;
const normalNumComponents = 3;
const uvNumComponents = 2;
const positions = new Float32Array(numVertices * positionNumComponents);
const normals = new Float32Array(numVertices * normalNumComponents);
const uvs = new Float32Array(numVertices * uvNumComponents);
let posNdx = 0;
let nrmNdx = 0;
let uvNdx = 0;
for (const vertex of vertices) {
positions.set(vertex.pos, posNdx);
normals.set(vertex.norm, nrmNdx);
uvs.set(vertex.uv, uvNdx);
posNdx += positionNumComponents;
nrmNdx += normalNumComponents;
uvNdx += uvNumComponents;
}
const geometry = new THREE.BufferGeometry();
geometry.setAttribute(
'position',
new THREE.BufferAttribute(positions, positionNumComponents));
geometry.setAttribute(
'normal',
new THREE.BufferAttribute(normals, normalNumComponents));
geometry.setAttribute(
'uv',
new THREE.BufferAttribute(uvs, uvNumComponents));
geometry.setIndex([
0, 1, 2, 2, 1, 3, // front
4, 5, 6, 6, 5, 7, // right
8, 9, 10, 10, 9, 11, // back
12, 13, 14, 14, 13, 15, // left
16, 17, 18, 18, 17, 19, // top
20, 21, 22, 22, 21, 23, // bottom
]);
const loader = new THREE.TextureLoader();
const texture = loader.load('xxxxxxx/xxxx.png');
function makeInstance(geometry, color, x) {
const material = new THREE.MeshPhongMaterial({color, map: texture});
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);
cube.position.x = x;
return cube;
}
const cubes = [
makeInstance(geometry, 0x88FF88, 0),
makeInstance(geometry, 0x8888FF, -4),
makeInstance(geometry, 0xFF8888, 4),
];
function resizeRendererToDisplaySize(renderer) {
const canvas = renderer.domElement;
const width = canvas.clientWidth;
const height = canvas.clientHeight;
const needResize = canvas.width !== width || canvas.height !== height;
if (needResize) {
renderer.setSize(width, height, false);
}
return needResize;
}
function render(time) {
time *= 0.001;
if (resizeRendererToDisplaySize(renderer)) {
const canvas = renderer.domElement;
camera.aspect = canvas.clientWidth / canvas.clientHeight;
camera.updateProjectionMatrix();
}
cubes.forEach((cube, ndx) => {
const speed = 1 + ndx * .1;
const rot = time * speed;
cube.rotation.x = rot;
cube.rotation.y = rot;
});
renderer.render(scene, camera);
requestAnimationFrame(render);
}
requestAnimationFrame(render);
}
main();
写在最后
本文介绍了Three.js缓冲区几何体，包含了缓冲数据结构、法线，并通过一个简单例子，讲解了如何进行优化顶点数组。
本文发布自 云图三维大前端团队，文章未经授权禁止任何形式的转载。
