Three.js-GPU拾取

解决什么问题

Three.js中常用的处理用户交互的方式，是RayCaster，这是CPU拾取方案。

但是如果遇到下面2个场景，常规RayCaster的方案就不够用了：

• 场景中的物体数量非常多/模型面数很多，RayCaster发射的每一根射线要判断的三角形数量巨大

• 在无用户交互接入的情况下，我们想判断下场景中当前哪些物体是可见的

这2种场景都需要巨大的计算量，CPU会不够看，此时，就需要借助GPU的计算能力了。

原理

我们先思考下：GPU处理的是什么？是像素。

因此基于GPU的处理，一定是围绕像素进行的。而像素能携带的信息，最常用的就是颜色RGB值。

因此我们构建一个离屏拾取层(_pickingScene)，里面的物体和最终需要渲染的物体一一对应，并且给离屏场景中每一个物体，设置一个唯一的颜色值，那么我们只需要判断最终渲染的2D离屏图片的像素中，携带有哪些颜色，就可以知道当前哪些对象被渲染出来了。

这和分层Canvas处理交互是一样的道理。

所以我们要做的就很简单了：

• 给每个物体设置一个唯一的颜色值(一般是基于该对象的唯一标记，比如索引ID，来生成颜色值)

• 将物体通过离屏渲染，渲染到内存中的纹理上

• 读取离屏纹理上的像素的颜色值，映射到对象

注意渲染和最后的采样，针对不同的需求，方式会有所不同：

用户交互

如果是用于判断用户的鼠标交互触发了那个对象，那么渲染和采样时，只需要对用户鼠标当前位置的一个像素进行采样即可，这种场景基本没有性能问题。

全屏判断

如果是针对非用户交互的全屏判断，比如判断场景中当前哪些物体是可见的，这种情况，就需要渲染整个屏幕的内容(一次)，然后针对屏幕内容，根据预设的采样范围大小(比如按照20*20像素的矩形)，进行多次采样。

注意：获取像素的颜色值，这是耗费的CPU，不是GPU，因此要控制这个采样的操作数量，操作次数太多了，也是会卡住的。

这里有很大的优化空间，比如可以先获取模型的包围盒，然后算出一个涵盖所有模型的包围盒，只针对这一个或者有限的几个包围盒范围做采样。

遇到的问题

构建离屏层对象

这个其实不是问题，只是作为前置环节，这里做个记录：

/**
 * 给顶点指定颜色
 * @param geometry
 * @param color
 */
function applyVertexColors(geometry: BufferGeometry, color: Color) {
  const position = geometry.attributes.position;
  const colors = [];

  for (let i = 0; i < position.count; i++) {
    colors.push(color.r, color.g, color.b);
  }

  geometry.setAttribute('color', new Float32BufferAttribute(colors, 3));
}

const pickingMaterial = new MeshBasicMaterial({
  vertexColors: true
});
const color = new Color();
// 构建拾取用到的对象，注意将id作为取数据的标记
let maxIndex = 0;
this._displayingObjects.forEach((obj: Mesh, i) => {
  this._idToName[i + 1] = obj.name;
  maxIndex = i;

  // 获取geometry
  const geometry = obj.geometry.clone();

  // 通过模型在数组中的下标id来设置顶点颜色(十六进制颜色)
  // 为了和空白区域进行区分，将纯黑色(0)定义为空白区域，因此下标做了+1处理，即从1开始
  applyVertexColors(geometry, color.setHex(i + 1));

  const mesh = new Mesh(geometry, pickingMaterial);
  mesh.name = obj.name;

  this._pickingScene.add(mesh);

  this._pickingingObjects[i] = mesh;
});

离屏对象和非离屏对象的Transform同步问题

因为我们构建了一个离屏层，那么就需要保证离屏层里面的对象和非离屏层的对象，其Transform信息(position、rotation、scale)一定是相同的。这就需要我们对其做一个同步操作：

  /**
   * 同步需要展示的物体和用于拾取的物体的位置信息
   * 需要在修改了场景中模型的位置信息后调用
   */
  public syncTransform() {
    // 构建拾取用到的对象，注意将id作为取数据的标记
    let maxIndex = 0;
    this._displayingObjects.forEach((obj: Mesh, i) => {
      const pickingObject = this._pickingingObjects[i];

      if (!pickingObject || pickingObject.name !== obj.name) {
        throw new Error(`获取picking对象失败`);
      }

      const worldPosition = new Vector3();
      obj.getWorldPosition(worldPosition);

      const worldScale = new Vector3();
      obj.getWorldScale(worldScale);

      const worldQuaternion = new Quaternion();
      obj.getWorldQuaternion(worldQuaternion);

      // rotation
      const euler = new Euler();
      euler.setFromQuaternion(worldQuaternion);

      // 必须设置transform属性
      pickingObject.position.set(
        worldPosition.x,
        worldPosition.y,
        worldPosition.z
      );
      // mesh.scale.set(worldScale.x, worldScale.y, worldScale.z);
      // TODO
      const scale = 0.03;
      pickingObject.scale.set(scale, scale, scale);
      pickingObject.rotation.set(euler.x, euler.y, euler.z, euler.order);
    });
  }

DPR问题

这里有一个必须先要理清楚的内容，就是DPR：devicePixelRatio，设备像素比。

先弄清楚几个概念：

DP = Device Pixels = 设备物理像素/分辨率

DIP = Device-Independent Pixel = 设备独立像素、CSS像素、逻辑像素

DPR = DP / DIP

以我的显示器为例：

DP = 3840 x 2160

我设置了150%缩放，因此DPR = 1.5

那么可以计算得出DIP = DP / DPR = (3840 x 2160) / 1.5 = 2560 x 1440

这里要注意：

• 离屏渲染，最终渲染的是一个纹理，也就是图片，一般我们会将其设置为物理像素，即DP

• 用户的鼠标交互，获取的坐标点，是逻辑像素，即DIP

因此我们在采样的时候，需要将用户的鼠标位置，乘以DPR，以获取物理像素位置，再进行纹理采样。

设置离屏纹理的大小，将其设置为物理像素(TODO：如果设置为逻辑像素会怎么样？)：

this._pickingTexture = new WebGLRenderTarget(
  dom.clientWidth * window.devicePixelRatio,
  dom.clientHeight * window.devicePixelRatio
);

获取用户的鼠标位置信息：

canvas.addEventListener('mousemove', (event: MouseEvent) => {
    // 用户的鼠标位置，这是逻辑像素/CSS像素
    console.log(event.x, event.y);
});

采样时对鼠标坐标进行的处理：

const pixelBuffer = new Uint8Array(4);
this._renderer.readRenderTargetPixels(
  this._pickingTexture,
  x * window.devicePixelRatio,
  // // 这里的y坐标是窗口坐标，是和像素坐标系反过来的，上大下小
  // (误)注意：this._renderer.domElement.height已经是物理分辨率了，不需要乘以DPR
  //this._renderer.domElement.height - y * window.devicePixelRatio,
  this._pickingTexture.height - y * window.devicePixelRatio,
  1,
  1,
  pixelBuffer
);

(待确认)Y坐标反向问题

注意：这个想法只是我根据现象进行的猜测，不一定准确。

离屏渲染的纹理，其Y坐标从上到下，是从大到小的；这和常规的CSS里的坐标系的Y坐标是相反的，因此采样时，需要对Y坐标做一个反向处理。

const pixelY = this._renderer.domElement.height - y * window.devicePixelRatio,

像素颜色还原为模型id

因为像素颜色是将模型id作为十六进制颜色值来设置的，通过readRenderTargetPixels()取得像素信息后，得到的实际上是范围为255的number类型颜色值，因此反向将像素颜色转为模型id时，需要用到位运算：

const id = (pixelBuffer[0] << 16) | (pixelBuffer[1] << 8) | pixelBuffer[2];

R左移16位，R左移8位，B不用左移；然后进行位或运算。

比如以红色为例：

1、我们获取的pixelBuffer是(255, 0, 0)

R = 1111 1111

G = 0000 0000

B = 0000 0000

2、左移操作后：

R = 1111 1111 0000 0000 0000 0000

G = 0000 0000 0000 0000

B = 0000 0000

3、位或操作后：

1111 1111 0000 0000 0000 0000

4、转为十进制：

16,711,680

因此红色模型，其id就是16,711,680。

基于RGB，我们理论上能标记的模型数量是16,777,215个，即FFFFFF的10进制范围。

当模型数量比较少的时候，我们如果将离屏层打印出来，可以看到基本都是蓝色的，因为1-255对应的是RGB中的B范围。

toneMapping导致的颜色RGB范围异常问题

WebGLRenderer默认的色调映射(renderer.toneMapping = THREE.NoToneMapping)下，RGB值的范围是0-255，但是如果我们设置了toneMapping为其他值，RGB的范围就可能会发生变化(比如设置为THREE.LinearToneMapping，则RGB的上限就只有153了)。

这会导致我们通过像素的颜色还原模型id时，会和模型id对应不上。因此需要做如下处理：

1、离屏处理开始前，先去除toneMapping：

// 设置renderer.toneMapping会导致颜色值上限从255变成其他值，进而导致将颜色还原为id出错，因此这里需要将其设置为NoToneMapping
this._rendererToneMapping = this._renderer.toneMapping;
this._renderer.toneMapping = NoToneMapping;

2、当离屏处理结束后，恢复toneMapping：

/**
* 重置renderTarget，不然不会渲染最终的画面
*/
public resetRenderer() {
    this._renderer.setRenderTarget(null);
    this._renderer.toneMapping = this._rendererToneMapping;
}

调试技巧

离屏层默认对我们是不可见的，如果出现问题，很难调试，因此我们可以考虑在需要的时候，将离屏层渲染出来：

// 离屏渲染
if (getURLParam('showTexture')) {
  this._renderer.setRenderTarget(null);
} else {
  this._renderer.setRenderTarget(this._pickingTexture);
}

this._renderer.render(this._pickingScene, this._camera);

// 中断程序，这样就可以看到离屏层内容了
if (getURLParam('showTexture')) {
  debugger;
}

看到的效果类似这样(为了便于区分，将车顶和侧后方的玻璃手动设置成了红色)：