【ThreeJs原理解析】第3期 | 射线检测Raycaster实现原理

前言

在Threejs中如果我们希望给一个mesh添加交互事件，例如click，hover应该如何解决呢？能否像dom一样绑定click事件呢？

目前主流方案就是使用Raycaster 进行射线检测，下方是官方文档（部分截取）的使用案例，那么射线检测的原理是什么呢？我们继续往下看。

const raycaster = new THREE.Raycaster();
// 通过摄像机和鼠标位置更新射线 
raycaster.setFromCamera( pointer, camera ); 
// 计算物体和射线的焦点 
const intersects = raycaster.intersectObjects( scene.children ); 
for ( let i = 0; i < intersects.length; i ++ ) { 
    intersects[ i ].object.material.color.set( 0xff0000 ); 
}

归一化

1.为什么要归一化

在说Raycaster之前，我们先想一个问题，为什么Threejs中没有提供像dom一样的onclik事件，我只要点击这个mesh就触发click事件回调？（其实并不是他不想而是他不能），原因如下：

• 点击事件是浏览器层面的，而three负责的是渲染层面
• 原生dom中的click事件监听可以拿到用户当前的鼠标event对象，而three是无法直接获取的

最后引出本段内容的主题，我通过监听鼠标click事件拿到event对象，获取到当前鼠标的坐标（clientX,clientY）能否直接传给three直接用呢？

答案是不能的，因为浏览器坐标系和three（webgl）坐标系是不同的，需要进行转换，这个转换过程就叫归一化

2.归一化代码实现

归一化代码很简洁，寥寥几行，可能会有人对这个格公式由来有困惑，但是实际上就是简单的数学运算

/**
* 获取鼠标在three.js 中归一化坐标
* */
const setPickPosition = (event) => {
    let pickPosition = { x: 0, y: 0 };
    pickPosition.x =
        (event.clientX / renderer.domElement.getBoundingClientRect().width) * 2 - 1;
    pickPosition.y =
        (event.clientY / renderer.domElement.getBoundingClientRect().height) * -2 + 1;
    return pickPosition;
}

3.归一化原理解析

原理主要是数学公式的推导：

已知：

• 我通过鼠标event事件获取clientX和clientY，
• canvas元素宽高为width和height，
• 黑色为浏览器坐标系，绿色为webgl坐标系

求归一化后该点坐标（x,y） ps: 归一化后webgl坐标系x,y轴的取值范围均为[-1, 1]

该公式的核心就是相似 ，在两种坐标系下x/y坐标到最左侧轴长度 和 坐标系 x/y 总长度，注意应该在归一化后的webgl坐标系有负数，所以不能直接写成
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block"> c l i e n t X w i d t h = x 2 \frac{clientX}{width} = \frac{x}{2} </math>widthclientX=2x

正确写法

• clientX：是鼠标event对象获取的x坐标
• width：是canvas元素宽度（窗口坐标系下x轴总长度）
• x + 1 : 当前x坐标加上x轴左侧部分长度
• 2 ： webgl坐标系下x轴总长度

<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block"> c l i e n t X w i d t h = x + 1 2 \frac{clientX}{width} = \frac{x+1}{2} </math>widthclientX=2x+1

然后转化一下求出x
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block"> x = 2 c l i e n t X w i d t h − 1 x = 2\frac{clientX}{width} - 1 </math>x=2widthclientX−1

然后再和上面的归一化代码对比一下, 发现结果是一致的，因此可得上述就是归一化原理。

ps:y坐标推导也同理，不再赘述，感兴趣的同学可以自己尝试推导一下🧐🧐🧐

pickPosition.x = (event.clientX / renderer.domElement.getBoundingClientRect().width) * 2 - 1;

射线检测

下方是官方文档（部分截取）的使用案例, 可以看出关键方法就俩个setFromCamera 和 intersectObjects，接下来我们看一下源码

• pointer 就是上述归一化后下webgl坐标系下坐标

const raycaster = new THREE.Raycaster();
// 通过摄像机和鼠标位置更新射线 
raycaster.setFromCamera( pointer, camera ); 
// 计算物体和射线的焦点 
const intersects = raycaster.intersectObjects( scene.children ); 
for ( let i = 0; i < intersects.length; i ++ ) { 
    intersects[ i ].object.material.color.set( 0xff0000 ); 
}

源码地址：Raycaster.js

1.Raycaster初始化constructor

可以看出构造函数有四个参数，可以初始化定义Raycaster

• origin: 光线投射的原点向量。
• direction: 向射线提供方向的方向向量，应当被标准化。
• near: 返回的所有结果比near远。near不能为负值，其默认值为0。
• far: 返回的所有结果都比far近。far不能小于near，其默认值为Infinity（正无穷。）

constructor( origin, direction, near = 0, far = Infinity ) {
        this.ray = new Ray( origin, direction );

        this.near = near;
        this.far = far;
        this.camera = null;
        this.layers = new Layers();

        this.params = {
            Mesh: {},
            Line: { threshold: 1 },
            LOD: {},
            Points: { threshold: 1 },
            Sprite: {}
        };

}

origin和direction传入Ray,构造一个Ray的实例，那么这个Ray又是什么呢？

源码地址：Ray.js

很简单，就是构造一个向量，origin是原点向量，direction是方向向量

ps： 如果要传direction，应当被标准化，意思就是这个向量的模应该是1

class Ray {
    constructor( origin = new Vector3(), direction = new Vector3( 0, 0, - 1 ) ) {
            this.origin = origin;
            this.direction = direction;
    }
    ........
}

2.setFromCamera

源码地址：Raycaster.js

setFromCamera( coords, camera ) {
    if ( camera.isPerspectiveCamera ) {
        this.ray.origin.setFromMatrixPosition( camera.matrixWorld );
        this.ray.direction.set( coords.x, coords.y, 0.5 ).unproject( camera ).sub( this.ray.origin ).normalize();
        this.camera = camera;
    } else if ( camera.isOrthographicCamera ) {
        this.ray.origin.set( coords.x, coords.y, ( camera.near + camera.far ) / ( camera.near - camera.far ) ).unproject( camera ); // set origin in plane of camera
        this.ray.direction.set( 0, 0, - 1 ).transformDirection( camera.matrixWorld );
        this.camera = camera;
    } else {
        console.error( 'THREE.Raycaster: Unsupported camera type: ' + camera.type );
    }
}

这段代码可能初学者看着有点懵，因为里面涉及向量矩阵运算，不用急，我们一步一步来看

1. 参数

还记得我们上面是怎么使用这个api的吗？

raycaster.setFromCamera( pointer, camera );

• pointer： 上述归一化后下webgl坐标系下坐标
• camera: 就是我们使用的相机（PerspectiveCamera/OrthographicCamera/....）

ps： 如果对相机原理不太理解的可以看我这个专栏之前写的一篇文章，地址：# 【ThreeJs原理解析】第1期 | 透视相机（PerspectiveCamera）

2. 以camera.isPerspectiveCamera为例

camera.isOrthographicCamera下的逻辑同理，不多赘述

this.ray.origin.setFromMatrixPosition( camera.matrixWorld );
this.ray.direction.set( coords.x, coords.y, 0.5 ).unproject( camera ).sub( this.ray.origin ).normalize();
this.camera = camera;

这段代码核心点就俩个：设置ray的origin和direction，也就是光线投射的原点向量和方向向量

1.setFromMatrixPosition

this.ray.origin就是一个向量Vector3, setFromMatrixPosition也是Vector3的方法

源码地址：Vector3.js

setFromMatrixPosition( m ) {
    const e = m.elements;

    this.x = e[ 12 ];
    this.y = e[ 13 ];
    this.z = e[ 14 ];

    return this;
}

这段代码作用是提取当前传入矩阵（即相机的世界矩阵）的平移矩阵 并将其设置为射线的原点。，这段话不懂的可以参考我之前写的文章# 【ThreeJs原理解析】第2期 | 旋转、平移、缩放实现原理

2.direction.set......

this.ray.direction也是一个Vector3对象，本质上这段代码就是向量运算

this.ray.direction.set( coords.x, coords.y, 0.5 )
                  .unproject( camera )
                  .sub( this.ray.origin )
                  .normalize();

源码地址：Vector3.js

class Vector3 {
    // 反投影
    unproject( camera ) {
        return this.applyMatrix4( camera.projectionMatrixInverse )
                   .applyMatrix4( camera.matrixWorld );
    }
    sub( v ) {
        this.x -= v.x;
        this.y -= v.y;
        this.z -= v.z;
        return this;
    }
        
}

• set( coords.x, coords.y, 0.5 ): 将射线方向向量的初始值设置为(coords.x, coords.y, 0.5), coords是鼠标在屏幕上的坐标。

• unproject(camera): 射线方向向量依次乘以相机的投影矩阵的逆矩阵 和世界矩阵

  • ps： 如果对相机原理不太理解的可以看我这个专栏之前写的一篇文章，地址：# 【ThreeJs原理解析】第1期 | 透视相机（PerspectiveCamera）

  • 投影变换的逆过程

    在计算机图形学中，投影变换用于将3D场景渲染到2D屏幕上，通常涉及以下几个步骤：

    1. 世界坐标系 -> 视图坐标系 : 通过相机的视图矩阵（viewMatrix）进行变换。
    2. 视图坐标系 -> 裁剪坐标系 : 通过相机的投影矩阵（projectionMatrix）进行变换。
    3. 裁剪坐标系 -> 屏幕坐标系: 通过标准化设备坐标（NDC）变换到屏幕像素坐标。

    unproject 方法执行的是这个过程的逆操作，即将屏幕坐标转换回世界坐标：

    1. 屏幕坐标系 -> 裁剪坐标系: 将屏幕坐标（如鼠标位置）归一化到裁剪空间。
    2. 裁剪坐标系 -> 视图坐标系 : 使用投影矩阵的逆矩阵 (projectionMatrixInverse) 进行变换。
    3. 视图坐标系 -> 世界坐标系 : 使用世界矩阵 (matrixWorld) 进行变换。

• sub( this.ray.origin )： 向量减法操作，即计算出当前向量在this.ray.origin（原点向量）上的分量

• normalize： 将向量归一化，使其模为1

3.小结

setFromCamera就是根据传入的coords和camera构造ray对象的原点向量origin和方向向量direction

3.intersectObjects

使用方法：

intersects = raycaster.intersectObjects( scene.children )

源码地址：Raycaster.js

intersectObjects( objects, recursive = true, intersects = [] ) {

    for ( let i = 0, l = objects.length; i < l; i ++ ) {
        intersect( objects[ i ], this, intersects, recursive );
    }

    intersects.sort( ascSort );
    return intersects;
}

function intersect( object, raycaster, intersects, recursive ) {
    let propagate = true;

    if ( object.layers.test( raycaster.layers ) ) {
        const result = object.raycast( raycaster, intersects );
        if ( result === false ) propagate = false;
    }

    if ( propagate === true && recursive === true ) {
        const children = object.children;
        for ( let i = 0, l = children.length; i < l; i ++ ) {
            intersect( children[ i ], raycaster, intersects, true );
        }
    }
}

1. intersectObjects会循环传入的objects数组，并调用intersect方法

2. intersect方法参数

   • object: 要检测的三维对象，可能是场景中的一个节点（如网格或组）。
   • raycaster: 射线投射器，用于检测射线与对象之间的交点。
   • intersects: 一个数组，用于存储交点信息。
   • recursive: 一个布尔值，表示是否递归地检查子对象。

3. intersect方法逻辑

   1. 初始化传播标志：

      • propagate 初始化为 true，表示是否继续向下传播射线检测。

   2. 检查对象层：

      • 如果 object.layers.test(raycaster.layers) 返回 true，表示对象所在的层在射线投射器关注的层范围内，则进行射线检测。

   3. 射线检测：

      • 调用 object.raycast(raycaster, intersects) 进行具体的射线检测，并将交点信息存入 intersects 数组中。
      • 如果 object.raycast 返回 false，表示对象不希望射线继续穿过它，将 propagate 设为 false。

   4. 递归检测子对象：

      • 如果 propagate 为 true 且 recursive 为 true，遍历 object.children，对每个子对象递归调用 intersect 函数。

4. raycast方法

   源码地址：Mesh.js

raycast( raycaster, intersects ) {

    const geometry = this.geometry;
    const material = this.material;
    const matrixWorld = this.matrixWorld;

    if ( material === undefined ) return;

    // test with bounding sphere in world space

    if ( geometry.boundingSphere === null ) geometry.computeBoundingSphere();

    _sphere.copy( geometry.boundingSphere );
    _sphere.applyMatrix4( matrixWorld );

    // check distance from ray origin to bounding sphere

    _ray.copy( raycaster.ray ).recast( raycaster.near );

    if ( _sphere.containsPoint( _ray.origin ) === false ) {

            if ( _ray.intersectSphere( _sphere, _sphereHitAt ) === null ) return;

            if ( _ray.origin.distanceToSquared( _sphereHitAt ) > ( raycaster.far - raycaster.near ) ** 2 ) return;

    }

    // convert ray to local space of mesh

    _inverseMatrix.copy( matrixWorld ).invert();
    _ray.copy( raycaster.ray ).applyMatrix4( _inverseMatrix );

    // test with bounding box in local space

    if ( geometry.boundingBox !== null ) {

            if ( _ray.intersectsBox( geometry.boundingBox ) === false ) return;

    }

    // test for intersections with geometry

    this._computeIntersections( raycaster, intersects, _ray );
}

raycast方法用于检测射线是否与网格（Mesh）相交。该方法通过一系列优化步骤来提高计算效率，具体步骤如下：

1. 材质检查：首先检查网格是否有材质，如果没有材质，则直接返回，因为没有材质的网格不需要进行相交检测。
2. 包围球检测：使用网格的包围球在世界空间中检测射线是否相交。如果射线的起点不在包围球内，并且射线与包围球也没有相交，则直接返回，从而节省后续的复杂计算。
3. 射线转换：将射线从世界空间转换到网格的局部空间，以便与网格的局部几何数据进行比较。
4. 包围盒检测：检查转换后的射线是否与网格的包围盒相交。如果不相交，则返回，避免进一步的计算。
5. 详细几何检测 ：如果通过了所有的包围体积测试，则调用_computeIntersections方法进行详细的几何相交检测，确定具体的交点信息，并将结果添加到intersects数组中。

总结

本文涉及源码和数学计算逻辑（向量矩阵）较多，理解起来比较困难🧐，需要多花点时间，也可以结合本专栏之前的文章再理解一下。