three.js使用卷積法實現物體描邊效果

法線延展法

網上使用法線延展法實現物體描邊效果的文章比較多，這里不再描述。

但是這種方法有個缺點：當兩個面的法線夾角差別較大時，兩個面的描邊無法完美連接。如下圖所示：

 

 

 卷積法

這里使用另一種方法卷積法實現物體描邊效果，一般機器學習使用該方法比較多。先看效果圖：

    

 

 

使用three.js具體的實現方法如下：

1. 創建着色器材質，隱藏不需要描邊的物體進行渲染，將需要描邊的位置渲染成白色，其他位置渲染成黑色。
2. 利用片源着色器計算卷積，白色是物體內部，黑色是物體外部，灰色是邊框。
3. 設置材質透明、不融合，將邊框疊加到原圖上，可以使用FXAA抗鋸齒。

這三步就可以實現了，很簡單吧。下面我們將詳細介紹實現方法，不想看的可以直接去看完整實現代碼：

完整代碼： https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/helper/SelectHelper.js

詳細的實現過程：

1. 使用three.js正常繪制場景，得到下圖，這里不介紹了。

 

 

2. 創建着色器材質，隱藏所有不需要描邊的物體。將需要描邊的物體繪制成白色，其他地方繪制成黑色。

隱藏不需要描邊的物體后，將整個場景材質替換。

renderScene.overrideMaterial = this.maskMaterial;

着色器材質：

const maskMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
    vertexShader: MaskVertex,
    fragmentShader: MaskFragment,
    depthTest: false
});

MaskVertex：

void main() {
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
}

MaskFragment：

void main() {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
}

效果圖：

 

 

 

3. 創建着色器材質進行卷積計算，每四個像素顏色求平均值得到一個像素。描邊物體內部是白色，外部是黑色，物體邊緣處會得到灰色。灰色就是我們所需的邊框。

const edgeMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
    vertexShader: EdgeVertex,
    fragmentShader: EdgeFragment,
    uniforms: {
        maskTexture: {
            value: this.maskBuffer.texture
        },
        texSize: {
            value: new THREE.Vector2(width, height)
        },
        color: {
            value: selectedColor
        },
        thickness: {
            type: 'f',
            value: 4
        },
        transparent: true
    },
    depthTest: false
});

其中texSize是計算卷積的canvas寬度和高度，為了讓邊框更平滑，可以設置為原來canvas的兩倍。color是邊框顏色，thickness是邊框粗細。

注意，要將材質transparent設置為true。

EdgeVertex：

varying vec2 vUv;

void main() {
    vUv = uv;
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
}

EdgeFragment：

uniform sampler2D maskTexture;
uniform vec2 texSize;
uniform vec3 color;
uniform float thickness;

varying vec2 vUv;

void main() {
    vec2 invSize = thickness / texSize;
    vec4 uvOffset = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0) * vec4(invSize, invSize);

    vec4 c1 = texture2D( maskTexture, vUv + uvOffset.xy);
    vec4 c2 = texture2D( maskTexture, vUv - uvOffset.xy);
    vec4 c3 = texture2D( maskTexture, vUv + uvOffset.yw);
    vec4 c4 = texture2D( maskTexture, vUv - uvOffset.yw);
    
    float diff1 = (c1.r - c2.r)*0.5;
    float diff2 = (c3.r - c4.r)*0.5;
    
    float d = length(vec2(diff1, diff2));
    gl_FragColor = d > 0.0 ? vec4(color, 1.0) : vec4(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
}

效果圖：

4. 創建着色器材質，將邊框疊加到原來的圖片上。由於FXAA比較復雜，這里使用簡單的疊加方法。

着色器材質：

const copyMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
    vertexShader: CopyVertexShader,
    fragmentShader: CopyFragmentShader,
    uniforms: {
        tDiffuse: {
            value: edgeBuffer.texture
        },
        resolution: {
            value: new THREE.Vector2(1 / width, 1 / height)
        }
    },
    transparent: true,
    depthTest: false
});

注意，transparent要設置為true，否則會把原來的圖片覆蓋掉。

CopyVertexShader：

varying vec2 vUv;

void main() {
    vUv = uv;
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
}

CopyFragmentShader：

uniform float opacity;

uniform sampler2D tDiffuse;

varying vec2 vUv;

void main() {
    vec4 texel = texture2D( tDiffuse, vUv );
    gl_FragColor = opacity * texel;
}

得到最終效果圖：

 

參考資料：

1. 描邊實現完整代碼：https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/helper/SelectHelper.js

2. 基於three.js的開源三維場景編輯器：https://github.com/tengge1/ShadowEditor

3. three.js后期處理描邊：https://threejs.org/examples/#webgl_postprocessing_outline

4. 卷積工作原理：https://www.zhihu.com/question/39022858?sort=created

5. 法線延展法實現物體描邊：https://blog.csdn.net/srk19960903/article/details/73863853