WebGL实现sprite精灵效果的GUI控件

Posted 2021-02-04 ccentry

　　threejs已经有了sprite插件，这就方便了three的用户，直接可以使用threejs的sprite插件来制作GUI模型。sprite插件是阿里的lasoy老师改造过的，这个很厉害，要学习一哈他的源码。闲话少叙，我们来看一下如何用原生的webgl来实现sprite精灵效果。首先我们来看一个样例。

　　我们可以看到，这个数字模型的纹理贴图是“2”，他具有两个特性，第一他永远面向主相机，第二他在屏幕上的投影尺寸不随场景缩放而产生一丝一毫的变化。这就是sprite精灵的特点，我们来看看具体是怎么实现的这样的效果。第一我们先集中精力解决数字模型始终面向相机的问题，我们知道，模型在场景中的modelView矩阵是随场景的空间旋转，平移，缩放而重新计算的，那么问题来了，我们怎么知道场景的每一帧空间变换的平移，旋转，缩放的变化量呢，鲫鱼可以负责任的告诉大家，我们计算不出这3个空间变换的叠加。那是怎么实现数字模型空间变换使它每一帧都面向主相机的呢？好，我们就来看看数字模型是怎么每一帧计算空间变换矩阵的。

　　其中有一个技巧就是坐标系转换，我们知道，主相机和模型都在世界坐标系中，那么我们换个思路，能不能把数字“2”的模型放到主相机的局部坐标系下面，让他的x，y，z方向坐标轴和主相机的x，y，z方向坐标轴重合，这样不就使得数字模型“2”永远面对着主相机不产生相对旋转了吗，真是个好办法，鲫鱼我说干就干。

 1 /**
 2  * 统一两个矩阵的基
 3  * mat1:参考矩阵
 4  * mat2:要变换基的矩阵
 5  * */
 6 Mat4.copyBasis = function(mat1, mat2){
 7     //x轴基向量
 8     mat2[0] = mat1[0];
 9     mat2[1] = mat1[1];
10     mat2[2] = mat1[2];
11     //y轴基向量
12     mat2[4] = mat1[4];
13     mat2[5] = mat1[5];
14     mat2[6] = mat1[6];
15     //z轴基向量
16     mat2[8] = mat1[8];
17     mat2[9] = mat1[9];
18     mat2[10] = mat1[10];
19 };
20 
21 module.exports = Mat4;

　　首先理解空间变换矩阵的同学都知道列主序的矩阵的x轴分量即x轴基向量是mat[0],mat[1],mat[2];y轴分量即y轴基向量是mat[4],mat[5],mat[6];z轴分量即z轴基向量是mat[8],mat[9],mat[10];平移和缩放向量是mat[12],mat[13],mat[14]。那么好了，我们现在不关心平移和缩放，只关心旋转，所以我们只需要把数字模型的空间变换矩阵的x基，y基，z基照搬主相机的modelView矩阵的逆矩阵即可，注意是逆矩阵，因为主相机也在世界坐标系下，他的空间变换矩阵还是世界坐标系下的空间位置描述，他的空间变换矩阵的逆矩阵才是他的局部坐标系矩阵。我们直接按照这个步骤来操作。

 1 /**
 2   * 计算文字相对主相机的变换矩阵
 3   * mat:要计算的缩放旋转矩阵
 4   * */
 5 computeMatrix4MainCamera:function(mat){
 6     //场景主相机
 7     let camera = this._viewer.getMainCamera();
 8     //相机坐标系矩阵
 9     let modelViewMat = camera.getModelViewMatrix();
10     //相机坐标系矩阵的逆矩阵
11     let invMVMat = Mat4.MemoryPool.alloc();
12     Mat4.invert(invMVMat, modelViewMat);
13     //构造文字变换矩阵
14     Mat4.copyBasis(invMVMat, mat);
15 },

　　总共5行代码，第一步获取主相机；二、得到主相机的modelView矩阵；三和四、求modelView矩阵的逆矩阵；五、将逆矩阵的xyz轴向量基赋给我们的数字模型“2”的空间变换矩阵。做完这件事以后，鲫鱼惊喜地发现数字模型2完美地跟随相机转动起来，永远面对着相机。正如歌词所云，月亮走，我也走，月亮永远面向我，无论我走到哪儿。喝哈哈哈。

　　好了，第一件事情圆满解决，我们来看看第二件事情怎么处理。我们接下来要处理的是模型缩放，但数字模型“2”在屏幕上的投影大小不变。

　　要解决这件事，首先我们要清楚模型缩放的原理是什么，在我们的osg引擎中，是通过主相机靠近或远离模型来实现的缩放效果。那么就好办了，鲫鱼的思路就是相机靠近模型，我就把数字模型“2”缩小，相机原理模型，我就把数字模型“2”放大，通过近小远大来对抗视觉上的近大远小。我们知道，透视下的模型尺寸和到眼睛的距离是呈反比的关系。来看一张示意图。

我们可以很清楚的看明白，越远的物体越小，越近越大，物体尺寸在屏幕上的投影和到眼睛的距离成反比。那么鲫鱼为了固定数字模型“2”在屏幕上的投影尺寸，就要反过来缩放模型的尺寸，越近越小，越远越大，和模型到相机眼睛的距离成正比，就达到我们的目的了，下面是鲫鱼的源码。

 1 /**
 2      * 在透视相机下令模型随相机远近变化而放大缩小，使得文字看上去大小不变
 3      * position:文字模型在场景中的位置坐标
 4      * */
 5     againstScale:function(position){
 6         //拷贝参数，防止污染
 7         let textPos = Vec3.MemoryPool.alloc();
 8         Vec3.copy(textPos, position);
 9         //场景主相机
10         let camera = this._viewer.getMainCamera();
11         //求模型到相机的垂直距离
12         let distance = camera.distancePointToEye(textPos);
13         //返回缩放比
14         return distance * this._scaleRatio;
15     }

这个函数返回的就是一个缩放比例和数字模型“2”到相机距离的乘积，调用这个函数鲫鱼就能获取到数字模型“2”的缩放值是多少。看一下怎么调用的这个函数。

 1 /**
 2      * 创建几何
 3      * root:几何体挂载的根节点
 4      * width:宽
 5      * height:高
 6      * position:位置坐标
 7      * img:图片对象
 8      * */
 9     addGeometry:function(root, width, height, position, img){
10         //顶点缓存
11         let w = 0.5*width;
12         let h = 0.5*height;
13         //缩放比
14         let scaleRatio = 1;
15         scaleRatio = this.againstScale(position);
16         w = w*scaleRatio;
17         h = h*scaleRatio;
18         //顶点数组
19         let vertices = [-w, h, 0, -w, -h, 0, w, -h, 0, w, h, 0];
20         let array = new Float32Array(vertices);
21         let vertexBuffer = new BufferArray(BufferArray.ARRAY_BUFFER, array, 3);
22         //索引缓存
23         let indices = [0, 1, 2, 2, 3, 0];
24         let index = new Int8Array(indices);
25         let indexBuffer = new BufferArray(BufferArray.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, index, index.length);
26         //绘制图元
27         let prim = new DrawElements(Primitives.TRIANGLES, indexBuffer);
28         //几何对象
29         let geom = new Geometry();
30         geom.setBufferArray(\'Vertex\', vertexBuffer);
31         geom.setPrimitive(prim);
32         //纹理坐标
33         let uvs = [0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1];
34         let uv = new Float32Array(uvs);
35         let uvBuffer = new BufferArray(BufferArray.ARRAY_BUFFER, uv, 2);
36         geom.setBufferArray(\'Texture\', uvBuffer);
37         //纹理对象
38         let texture = new Texture();
39         texture._target = Texture.TEXTURE_2D;
40         texture.setInternalFormat(Texture.RGBA);
41         texture._magFilter = Texture.LINEAR;
42         texture._minFilter = Texture.LINEAR;
43         texture._wrapS = Texture.CLAMP_TO_EDGE;
44         texture._wrapT = Texture.CLAMP_TO_EDGE;
45         texture.setImage(img);
46         geom.getStateSet(true).addAttribute(texture, StateAttribute.OVERRIDE);
47         //图片背景透明
48         let bf = new BlendFunc(BlendFunc.SRC_ALPHA, BlendFunc.ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
49         geom.getStateSet(true).addAttribute(bf, StateAttribute.OVERRIDE);
50         //几何对象加入根节点
51         root.addChild(geom);
52         //将root的位置平移到position位置
53         let translateMat = Mat4.MemoryPool.alloc();
54         Mat4.fromTranslation(translateMat, position);
55         Mat4.copy(root._matrix, translateMat);
56         //根据主相机视口调整模型旋转，保证文字总是面向相机
57         this.computeMatrix4MainCamera(root._matrix);
58         //析构
59         Mat4.MemoryPool.free(translateMat);
60     },

好了，再看一下初始化的函数，鲫鱼写的这个sprite功能类就净收眼底了。

 1 /**
 2  * 文字显示类
 3  * */
 4 let Geometry = require(\'../core/Geometry\');
 5 let DrawElements = require(\'../core/DrawElements\');
 6 let Primitives = require(\'../core/Primitives\');
 7 let StateSet = require(\'../core/StateSet\');
 8 let BufferArray = require(\'../core/BufferArray\');
 9 let Depth = require(\'../core/Depth\');
10 let Texture = require(\'../core/Texture\');
11 let Texture2D = require(\'../core/Texture2D\');
12 let BlendFunc = require(\'../core/BlendFunc\');
13 let StateAttribute = require(\'../core/StateAttribute\');
14 let ShaderFactory = require(\'../render/ShaderFactory\');
15 let Mat4 = require(\'../util/Mat4\');
16 let Vec3 = require(\'../util/Vec3\');
17 let MatrixTransform = require(\'../core/MatrixTransform\');
18 
19 let Text = function(){
20     this._viewer = undefined;//视图，为了确定相机视口
21     this._root = undefined;//根节点，在这个根节点下挂载文字长方形
22     this._scaleRatio = 0.0004//缩放比率，可调节
23 };
24 
25 Text.prototype.constructor = Text;
26 Text.prototype = {
27 
28     /**
29      * 创建文字对象
30      * viewer:视图对像
31      * root:根节点
32      * width:长方形宽度
33      * height:长方形高度
34      * position:平面位置坐标
35      * */
36     create:function(viewer, root, width, height, position){
37         this._viewer = viewer;
38         this._root = root;
39         this.createText(width, height, position);
40     },
41 
42     /**
43      * 创建文字对象，文字纹理的载体
44      * width:长方形宽度
45      * height:长方形高度
46      * position:平面位置坐标
47      * */
48     createText:function(width, height, position){
49         //长方形对象
50         let plane = new MatrixTransform(true);
51         //状态对象
52         let stateSet = new StateSet();
53         //选择纹理着色器
54         stateSet.addAttribute(ShaderFactory.createNavigateAssist.call(this));
55         //设置深度值，几何显示在最前端
56         stateSet.addAttribute(new Depth(Depth.LEQUAL, 0, 0.1));
57         //自动启用sampler2D采样器
58         stateSet.addAttribute(new Texture2D());
59         //设置根节点状态
60         this._root.setStateSet(stateSet);
61         //加载图片
62         let img = new Image();
63         img.src = TWO_URL;
64         //创建几何带纹理
65         this.addGeometry(plane, width, height, position, img);
66         //加入根节点
67         this._root.addChild(plane);
68     },

　　以上是Text.js的构造，鲫鱼是为了做出sprite精灵效果的GUI功能组建单独开发的一个功能类，希望各位同学能喜欢，欢迎讨论学习。下周继续我们的osg引擎源码功能模块的学习。谢谢大家的支持，在此感谢李连俊同学的帮助，使我理清了局部坐标系和全局世界坐标系的关系，再次感谢各位。

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