three.js利用卷积法如何实现物体描边效果
时间：2021-08-19 09:48:20 | 栏目：JavaScript代码 | 点击：次
法线延展法
网上使用法线延展法实现物体描边效果的文章比较多，这里不再描述。
但是这种方法有个缺点：当两个面的法线夹角差别较大时，两个面的描边无法完美连接。如下图所示：
卷积法
这里使用另一种方法卷积法实现物体描边效果，一般机器学习使用该方法比较多。先看效果图：
使用three.js具体的实现方法如下：
- 创建着色器材质，隐藏不需要描边的物体进行渲染，将需要描边的位置渲染成白色，其他位置渲染成黑色。
- 利用片源着色器计算卷积，白色是物体内部，黑色是物体外部，灰色是边框。
- 设置材质透明、不融合，将边框叠加到原图上，可以使用FXAA抗锯齿。
这三步就可以实现了，很简单吧。下面我们将详细介绍实现方法，不想看的可以直接去看完整实现代码：
完整代码：https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/helper/SelectHelper.js
详细的实现过程：
1. 使用three.js正常绘制场景，得到下图，这里不介绍了。
2. 创建着色器材质，隐藏所有不需要描边的物体。将需要描边的物体绘制成白色，其他地方绘制成黑色。
隐藏不需要描边的物体后，将整个场景材质替换。
renderScene.overrideMaterial = this.maskMaterial;
着色器材质：
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);
}
效果图：
3. 创建着色器材质进行卷积计算，每四个像素颜色求平均值得到一个像素。描边物体内部是白色，外部是黑色，物体边缘处会得到灰色。灰色就是我们所需的边框。
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是计算卷积的canvas宽度和高度，为了让边框更平滑，可以设置为原来canvas的两倍。color是边框颜色，thickness是边框粗细。
注意，要将材质transparent设置为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);
}
效果图：
4. 创建着色器材质，将边框叠加到原来的图片上。由于FXAA比较复杂，这里使用简单的叠加方法。
着色器材质：
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要设置为true，否则会把原来的图片覆盖掉。
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;
}
得到最终效果图：
参考资料：
1. 描边实现完整代码：https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/helper/SelectHelper.js
2. 基于three.js的开源三维场景编辑器：https://github.com/tengge1/ShadowEditor
3. three.js后期处理描边：https://threejs.org/examples/
4. 卷积工作原理：https://www.zhihu.com/question/39022858?sort=created
5. 法线延展法实现物体描边：https://www.jb51.net/article/175213.htm
总结