深入理解Three.js(WebGL)貼圖(紋理映射)和UV映射


本文將詳細描述如何使用Three.js給3D對象添加貼圖(Texture Map,也譯作紋理映射,“貼圖”的翻譯要更直觀,而“紋理映射”更准確。)。為了能夠查看在線演示效果,你需要有一個兼容WebGL的現代瀏覽器(最好是Chrome/FireFox/Safari/Edge/IE11+)。

本文的在線演示結果和代碼請點擊這里:Three.js貼圖實例

什么是貼圖(Texture Mapping)

貼圖是通過將圖像應用到對象的一個或多個面,來為3D對象添加細節的一種方法。

這使我們能夠添加表面細節,而無需將這些細節建模到我們的3D對象中,從而大大精簡3D模型的多邊形邊數,提高模型渲染性能。

開始吧

這里方便起見,我們使用踏得網在線開發工具來一步步邊學邊操作。

請點擊新建作品,在第三方庫中選擇Three.js 80版本,這將自動加載對應版本的Three.js開發庫(注:你也可以直接把<script src="http://wow.techbrood.com/libs/three.r73.js"></script>拷貝到HTML代碼面板中去)。

首先我們創建一個立方體,在JavaScript面板中編寫代碼如下:

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var camera;
var scene;
var renderer;
var mesh;
  
init();
animate();
  
function init() {
  
     scene = new THREE.Scene();
     camera = new THREE.PerspectiveCamera( 70, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000);
  
     var light = new THREE.DirectionalLight( 0xffffff );
     light.position.set( 0, 1, 1 ).normalize();
     scene.add(light);
  
     var geometry = new THREE.CubeGeometry( 10, 10, 10);
     var material = new THREE.MeshPhongMaterial( { ambient: 0x050505, color: 0x0033ff, specular: 0x555555, shininess: 30 } );
  
     mesh = new THREE.Mesh(geometry, material );
     mesh.position.z = -50;
     scene.add( mesh );
  
     renderer = new THREE.WebGLRenderer();
     renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
     document.body.appendChild( renderer.domElement );
  
     window.addEventListener( 'resize' , onWindowResize, false );
  
     render();
}
  
function animate() {
     mesh.rotation.x += .04;
     mesh.rotation.y += .02;
  
     render();
     requestAnimationFrame( animate );
}
  
function render() {
     renderer.render( scene, camera );
}
  
function onWindowResize() {
     camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;
     camera.updateProjectionMatrix();
     renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
     render();
}

點擊菜單欄中的[運行]菜單(blob.png),或者按快捷鍵:CTRL+R,來運行該代碼,你將看到一個旋轉的藍色立方體:

我們接下來要做的就是把這個立方體變成一個游戲里常見的木箱子,如下圖所示:

為此我們需要一張箱子表面的圖像,並用這張圖像映射到立方體對象的材料中去,

這里我們直接使用在線圖片http://wow.techbrood.com/uploads/1702/crate.jpg.

JS代碼中修改之前的材料(material)創建代碼:

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var material = new THREE.MeshPhongMaterial( { ambient: 0x050505, color: 0x0033ff, specular: 0x555555, shininess: 30 } );

為使用貼圖:

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var material = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture( 'http://wow.techbrood.com/uploads/1702/crate.jpg' ) } );

再運行下(按[運行]菜單或CTRL+R快捷鍵),你會看到一個旋轉的板條箱,而不是一個普通的藍色立方體。

在構造我們的材質時,我們指定了texture屬性並將其值設置為木箱圖像,Three.js然后會加載紋理圖像並映射到立方體各個面上。

那么,問題是如果我們想給不同的面添加不同的紋理貼圖,該怎么辦呢?

一種方法是使用材料數組,我們創建6個新材料,每一個使用不同的紋理貼圖:bricks.jpg,clouds.jpg,stone-wall.jpg,water.jpg,wood-floor.jpg以及上面的crate.jpg。

相應的,我們把材料構造代碼修改為:

 

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var  material1 =  new  THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture( '/uploads/1702/crate.jpg' ) } );
var  material2 =  new  THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture( '/uploads/1702/bricks.jpg' ) } );
var  material3 =  new  THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture( '/uploads/1702/clouds.jpg' ) } );
var  material4 =  new  THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture( '/uploads/1702/stone-wall.jpg' ) } );
var  material5 =  new  THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture( '/uploads/1702/water.jpg' ) } );
var  material6 =  new  THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture( '/uploads/1702/wood-floor.jpg' ) } );
 
var  materials = [material1, material2, material3, material4, material5, material6];
 
var  meshFaceMaterial =  new  THREE.MeshFaceMaterial( materials );

上述代碼,我們先分別創建了6個材料,組成了一個材料數組,並使用這個數組創建一個MeshFaceMaterial對象。

最后,我們需要告訴我們的3D模型來使用這個新的組合“面材料”,修改下面的代碼:

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mesh = new THREE.Mesh(geometry, material );

為:

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mesh = new THREE.Mesh(geometry,  meshFaceMaterial);

再運行下(按[運行]菜單或CTRL+R快捷鍵),你就將看到立方體的各個表面使用了不同的貼圖。

這很酷,Three.js會自動把數組中的這些材料應用到不同的面上去。

但問題又來了,隨着3D模型的面的增長,為每個面創建貼圖是不現實的。

這就是為什么我們需要另外一種更為普遍的解決方法:UV映射的原因。

UV映射(UV Mapping)

UV映射最典型的例子就是把一張地圖映射到3D球體的地球儀上去。其本質上就是把平面圖像的不同區塊映射到3D模型的不同面上去。我們把之前的6張圖拼裝成如下的一張圖:http://wow.techbrood.com/uploads/160801/texture-atlas.jpg.

修改如下代碼:

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var material1 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture( 'images/crate.jpg' ) } );
var material2 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture( 'images/bricks.jpg' ) } );
var material3 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture( 'images/clouds.jpg' ) } );
var material4 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture( 'images/stone-wall.jpg' ) } );
var material5 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture( 'images/water.jpg' ) } );
var material6 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture( 'images/wood-floor.jpg' ) } );

為:

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var material = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture( 'images/texture-atlas.jpg' ) } );

我們又把代碼給改回來使用一張貼圖了,接下來我們需要把貼圖的不同位置映射到立方體不同的面上去。

首先我們創建貼圖的6個子圖,在創建完材料的代碼后面添加如下幾行:

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var bricks = [ new THREE.Vector2(0, .666), new THREE.Vector2(.5, .666), new THREE.Vector2(.5, 1), new THREE.Vector2(0, 1)];
var clouds = [ new THREE.Vector2(.5, .666), new THREE.Vector2(1, .666), new THREE.Vector2(1, 1), new THREE.Vector2(.5, 1)];
var crate = [ new THREE.Vector2(0, .333), new THREE.Vector2(.5, .333), new THREE.Vector2(.5, .666), new THREE.Vector2(0, .666)];
var stone = [ new THREE.Vector2(.5, .333), new THREE.Vector2(1, .333), new THREE.Vector2(1, .666), new THREE.Vector2(.5, .666)];
var water = [ new THREE.Vector2(0, 0), new THREE.Vector2(.5, 0), new THREE.Vector2(.5, .333), new THREE.Vector2(0, .333)];
var wood = [ new THREE.Vector2(.5, 0), new THREE.Vector2(1, 0), new THREE.Vector2(1, .333), new THREE.Vector2(.5, .333)];

上面的代碼創建了六個數組,每一個對應於紋理貼圖中的每個子圖像。每個數組包含4個點,定義子圖像的邊界。坐標的范圍值是0到1,(0,0)表示左下角,(1,1)表示右上角。

子圖像的坐標是根據貼圖中百分比來定義。比如下面這個磚頭子圖像:

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var bricks = [
new THREE.Vector2(0, .666),
new THREE.Vector2(.5, .666),
new THREE.Vector2(.5, 1),
new THREE.Vector2(0, 1)
];

在貼圖中的位置在左上角(占據橫向1/2,豎向1/3的位置),以逆時針方向來定義頂點坐標,從該子圖像較低的左下角開始。

左下角:
0 - 最左邊
.666 - 底部向上2/3處

右下角:
.5 - 中間線
.666 - 底部向上2/3處

右上角:
.5 - 中間線
1 - 頂邊

右上角:
0 - 最左邊
1 - 頂邊

定義好子圖像后,我們現在需要把它們映射到立方體的各個面上去。首先添加如下代碼:

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geometry.faceVertexUvs[0] = [];

上述代碼清除現有的UV映射,接着我們添加如下代碼:

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geometry.faceVertexUvs[0][0] = [ bricks[0], bricks[1], bricks[3] ];
geometry.faceVertexUvs[0][1] = [ bricks[1], bricks[2], bricks[3] ];
  
geometry.faceVertexUvs[0][2] = [ clouds[0], clouds[1], clouds[3] ];
geometry.faceVertexUvs[0][3] = [ clouds[1], clouds[2], clouds[3] ];
  
geometry.faceVertexUvs[0][4] = [ crate[0], crate[1], crate[3] ];
geometry.faceVertexUvs[0][5] = [ crate[1], crate[2], crate[3] ];
  
geometry.faceVertexUvs[0][6] = [ stone[0], stone[1], stone[3] ];
geometry.faceVertexUvs[0][7] = [ stone[1], stone[2], stone[3] ];
  
geometry.faceVertexUvs[0][8] = [ water[0], water[1], water[3] ];
geometry.faceVertexUvs[0][9] = [ water[1], water[2], water[3] ];
  
geometry.faceVertexUvs[0][10] = [ wood[0], wood[1], wood[3] ];
geometry.faceVertexUvs[0][11] = [ wood[1], wood[2], wood[3] ];

geometry對象的faceVertexUvs屬性包含該geometry各個面的坐標映射。既然我們映射到一個多維數據集,你可能會疑惑為什么數組中有12個面。原因是在ThreeJS模型中,立方體的每個面實際上是由2個三角形組成的。所以我們必須單獨映射每個三角形。上述場景中,ThreeJS將為我們加載單一材料貼圖,自動分拆成三角形並映射到每個面。

這里要注意每個面的頂點坐標的定義順序必須遵循逆時針方向。為了映射底部三角形,我們需要使用的頂點指數0,1和3,而要映射頂部三角形,我們需要使用索引1,2,和頂點的3。

最后,我們替換如下代碼:

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var meshFaceMaterial = new THREE.MeshFaceMaterial( materials );
mesh = new THREE.Mesh(geometry,  meshFaceMaterial);

為:

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mesh = new THREE.Mesh(geometry,  material);

我們再運行下代碼(按[運行]菜單或CTRL+R快捷鍵),將看到各個面使用不同貼圖的旋轉立方體。

當然對於復雜的對象,我們還可以在建模的時候建立好模型貼圖,並導出為ThreeJS所支持的模型格式,然后在場景中直接加載。

這個超出本文范圍,請自行搜索本站Three.js在線實例。

 

參考: http://solutiondesign.com/blog/-/blogs/webgl-and-three-js-texture-mappi-1/

編注:原文在線演示和源代碼鏈接不可用,已重新建立在WOW上。


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