three.js使用gpu选取物体并计算交点位置

光线投射法

使用three.js自带的光线投射器(Raycaster)选取物体非常简单，代码如下所示：

var raycaster = new THREE.Raycaster();
var mouse = new THREE.Vector2();

function onMouseMove(event) {
    // 计算鼠标所在位置的设备坐标
    // 三个坐标分量都是-1到1
    mouse.x = event.clientX / window.innerWidth * 2 - 1;
    mouse.y = - (event.clientY / window.innerHeight) * 2 + 1;
}

function pick() {
    // 使用相机和鼠标位置更新选取光线
    raycaster.setFromCamera(mouse, camera);

    // 计算与选取光线相交的物体
    var intersects = raycaster.intersectObjects(scene.children);
}

它是采用包围盒过滤，计算投射光线与每个三角面元是否相交实现的。

但是，当模型非常大，比如说有40万个面，通过遍历的方法选取物体和计算碰撞点位置将非常慢，用户体验不好。

但是使用gpu选取物体不存在这个问题。无论场景和模型有多大，都可以在一帧内获取到鼠标所在点的物体和交点的位置。

使用GPU选取物体

实现方法很简单：

1.  创建选取材质，将场景中的每个模型的材质替换成不同的颜色。

2. 读取鼠标位置像素颜色，根据颜色判断鼠标位置的物体。

具体实现代码：

1. 创建选取材质，遍历场景，将场景中每个模型替换为不同的颜色。

let maxHexColor = 1;

// 更换选取材质
scene.traverseVisible(n => {
    if (!(n instanceof THREE.Mesh)) {
        return;
    }
    n.oldMaterial = n.material;
    if (n.pickMaterial) { // 已经创建过选取材质了
        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.  将场景绘制在WebGLRenderTarget上，读取鼠标所在位置的颜色，判断选取的物体。

let renderTarget = new THREE.WebGLRenderTarget(width, height);
let pixel = new Uint8Array(4);

// 绘制并读取像素
renderer.setRenderTarget(renderTarget);
renderer.clear();
renderer.render(scene, camera);
renderer.readRenderTargetPixels(renderTarget, offsetX, height - offsetY, 1, 1, pixel); // 读取鼠标所在位置颜色

// 还原原来材质，并获取选中物体
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) { // 颜色相同
        selected = n; // 鼠标所在位置的物体
    }
    if (n.oldMaterial) {
        n.material = n.oldMaterial;
        delete n.oldMaterial;
    }
});

说明：offsetX和offsetY是鼠标位置，height是画布高度。readRenderTargetPixels一行的含义是选取鼠标所在位置（offsetX, height - offsetY），宽度为1，高度为1的像素的颜色。

pixel是Uint8Array(4)，分别保存rgba颜色的四个通道，每个通道取值范围是0~255。

完整实现代码：https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/event/GPUPickEvent.js

使用GPU获取交点位置

实现方法也很简单：

1. 创建深度着色器材质，将场景深度渲染到WebGLRenderTarget上。

2. 计算鼠标所在位置的深度，根据鼠标位置和深度计算交点位置。

具体实现代码：

1. 创建深度着色器材质，将深度信息以一定的方式编码，渲染到WebGLRenderTarget上。

深度材质：

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，为1.0；小于0，为0.0。

    gl_FragColor = vec4(r / 255.0, g / 255.0, b / 255.0, a);
}

重要说明：

a. gl_Position.z是相机空间中的深度，是线性的，范围从cameraNear到cameraFar。可以直接使用着色器varying变量进行插值。

b. gl_Position.z / far的原因是，将值转换到0~1范围内，便于作为颜色输出。

c. 不能使用屏幕空间中的深度，透视投影后，深度变为-1~1，大部分非常接近1（0.9多），不是线性的，几乎不变，输出的颜色几乎不变，非常不准确。

d. 在片元着色器中获取深度方法：相机空间深度为gl_FragCoord.z，屏幕空间深度为gl_FragCoord.z /  gl_FragCoord.w。

e. 上述描述都是针对透视投影，正投影中gl_Position.w为1，使用相机空间和屏幕空间深度都是一样的。

f. 为了尽可能准确输出深度，采用rgb三个分量输出深度。gl_Position.z/far范围在0~1，乘以0xffffff，转换为一个rgb颜色值，r分量1表示65535，g分量1表示255，b分量1表示1。

完整实现代码：https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/event/GPUPickEvent.js

2. 读取鼠标所在位置的颜色，将读取到的颜色值还原为相机空间深度值。

a. 将“加密”处理后的深度绘制在WebGLRenderTarget上。读取颜色方法

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);

说明：offsetX和offsetY是鼠标位置，height是画布高度。readRenderTargetPixels一行的含义是选取鼠标所在位置（offsetX, height - offsetY），宽度为1，高度为1的像素的颜色。

pixel是Uint8Array(4)，分别保存rgba颜色的四个通道，每个通道取值范围是0~255。

b. 将“加密”后的相机空间深度值“解密”，得到正确的相机空间深度值。

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; // 相机坐标系中鼠标所在点的深度（注意：相机坐标系中的深度值为负值）
}

3. 根据鼠标在屏幕上的位置和相机空间深度，插值反算交点世界坐标系中的坐标。

let nearPosition = new THREE.Vector3(); // 鼠标屏幕位置在near处的相机坐标系中的坐标
let farPosition = new THREE.Vector3(); // 鼠标屏幕位置在far处的相机坐标系中的坐标
let world = new THREE.Vector3(); // 通过插值计算世界坐标

// 设备坐标
const deviceX = this.offsetX / width * 2 - 1;
const deviceY = - this.offsetY / height * 2 + 1;

// 近点
nearPosition.set(deviceX, deviceY, 1); // 屏幕坐标系：(0, 0, 1)
nearPosition.applyMatrix4(camera.projectionMatrixInverse); // 相机坐标系：(0, 0, -far)

// 远点
farPosition.set(deviceX, deviceY, -1); // 屏幕坐标系：(0, 0, -1)
farPosition.applyMatrix4(camera.projectionMatrixInverse); // 相机坐标系：(0, 0, -near)

// 在相机空间，根据深度，按比例计算出相机空间x和y值。
const t = (cameraDepth - nearPosition.z) / (farPosition.z - nearPosition.z);

// 将交点从相机空间中的坐标，转换到世界坐标系坐标。
world.set(
    nearPosition.x + (farPosition.x - nearPosition.x) * t,
    nearPosition.y + (farPosition.y - nearPosition.y) * t,
    cameraDepth
);
world.applyMatrix4(camera.matrixWorld);

完整代码：https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/event/GPUPickEvent.js

相关应用

使用gpu选取物体并计算交点位置，多用于需要性能非常高的情况。例如：

1. 鼠标移动到三维模型上的hover效果。

2. 添加模型时，模型随着鼠标移动，实时预览模型放到场景中的效果。

3. 距离测量、面积测量等工具，线条和多边形随着鼠标在平面上移动，实时预览效果，并计算长度和面积。

4. 场景和模型非常大，光线投射法选取速度很慢，用户体验非常不好。

这里给一个使用gpu选取物体和实现鼠标hover效果的图片。红色边框是选取效果，黄色半透明效果是鼠标hover效果。

看不明白？可能你不太熟悉three.js中的各种投影运算。下面给出three.js中的投影运算公式。

three.js中的投影运算

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

参考资料：

1. 完整实现代码：https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/event/GPUPickEvent.js

2. 基于three.js的开源三维场景编辑器：https://github.com/tengge1/ShadowEditor

3. OpenGL中使用着色器绘制深度值：https://stackoverflow.com/questions/6408851/draw-the-depth-value-in-opengl-using-shaders

4. 在glsl中，获取真实的片元着色器深度值：https://gamedev.stackexchange.com/questions/93055/getting-the-real-fragment-depth-in-glsl