ThreeJS 几何体顶点position、法向量normal及uv坐标 | UV映射 - 法向量 - 包围盒

几何体的顶点position、法向量normal及uv坐标

UV映射

UV映射是一种将二维纹理映射到三维模型表面的技术。
在这个过程中，3D模型上的每个顶点都会被赋予一个二维坐标(U, V)。
这些坐标用于将纹理图像上的像素与模型表面上的点进行对应。

UV坐标系

U和V分别表示纹理坐标的水平和垂直方向，使用UV来表达纹理的坐标系。
UV坐标的取值范围是0~1，纹理贴图左下角对应的UV坐标是(0,0)，右上角对应的坐标(1,1)。

UV坐标与顶点坐标

类型	含义	属性
UV坐标	该顶点在纹理上的二维坐标（U, V）	geometry.attributes.uv
顶点坐标	3D/2D模型中每个顶点的空间坐标（x, y, z)	geometry.attributes.position

• 位置关系是一一对应的，每一个顶点位置对应一个纹理贴图的位置
• 顶点位置用于确定模型在场景中的形状，而UV坐标用于确定纹理在模型上的分布。

设置UV坐标

案例1：使用PlaneGeometry创建平面缓存几何体

// 图片路径public/assets/panda.png
let uvTexture = new THREE.TextureLoader().load("/assets/panda.png");// 创建平面几何体
const planeGeometry = new THREE.PlaneGeometry(100, 100);
console.log("planeGeometry.attributes.position",planeGeometry.attributes.position.array);
console.log("planeGeometry.attributes.uv",planeGeometry.attributes.uv.array);
console.log("planeGeometry.index",planeGeometry.index.array);// 创建材质
const planeMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({map: uvTexture,
});
// 创建平面
const planeMesh = new THREE.Mesh(planeGeometry, planeMaterial);
// 添加到场景
scene.add(planeMesh);
planeMesh.position.x = -3;

贴图正确显示，查看position与uv发现设置贴图时已自动计算出uv坐标

案例2：使用BufferGeometry创建平面缓存几何体

1.使用BufferGeometry创建平面缓存几何体，通过map设置贴图。

let uvTexture = new THREE.TextureLoader().load("/assets/panda.png");
// 创建平面几何体
const geometry = new THREE.BufferGeometry();
// 使用索引绘制
const vertices = new Float32Array([-50, 50, 0, 50, 50, 0, -50, -50, 0,50, -50,0
]);
// 创建顶点属性
geometry.setAttribute("position", new THREE.BufferAttribute(vertices, 3));
// 创建索引
const indices = new Uint16Array([0, 2, 1, 2, 3, 1]);
// 创建索引属性
geometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(indices, 1));
// 创建材质
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({map: uvTexture,
});
const plane = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(plane);
plane.position.x = 3;
console.log("geometry.attributes.position",geometry.attributes.position.array);
console.log("geometry.attributes.uv",geometry.attributes.uv);
console.log("geometry.index",geometry.index.array);

贴图并没有生效，通过打印发现BufferGeometry没有uv坐标，需要自定义uv坐标

2.根据纹理坐标将纹理贴图的对应位置裁剪映射到几何体的表面上

let uvTexture = new THREE.TextureLoader().load("/assets/panda.png");
const geometry = new THREE.BufferGeometry();
const vertices = new Float32Array([-50, 50, 0, 50, 50, 0, -50, -50, 0,50, -50,0
]);
geometry.setAttribute("position", new THREE.BufferAttribute(vertices, 3));
const indices= new Uint16Array([0, 2, 1, 2, 3, 1]);
geometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(indices, 1));
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({map: uvTexture,
});
const plane = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(plane);
plane.position.x = 3;
const uv = new Float32Array([0,1,1,1,0,0,1,0
]);
geometry.attributes.uv = new THREE.BufferAttribute(uv, 2);

法向量 - 顶点法向量光照计算

太阳光照在一个物体表面，物体表面与光线夹角位置不同的区域明暗程度不同。

法向量 用于根据光线与物体表面入射角，计算得到反射角(光从哪个角度反射出去)。光照和法向量的夹角决定了平面反射出的光照强度。

在Threejs中表示物体的网格模型Mesh的曲面是由一个一个三角形构成，所以为了表示物体表面各个位置的法线方向，可以给几何体的每个顶点定义一个方向向量，通过属性geometry.attributes.normal设置。

一个三角面只会有一个法向量。一个顶点会属于不同的三角面，因此一个顶点会有多个法向量。红色短线表示顶点法向量，绿色短线表示面法向量

案例1：不设置顶点法向量平面几何体与自带顶点法向量的平面几何体对比

1.准备两个平面几何，使用同一个材质。一个使用已经设置了法向量的PlaneGeometry创建，另一个使用默认没设置法向量的BufferGeometry创建

// 没设置法向量的BufferGeometry
const bufferGeometry = new THREE.BufferGeometry();
const vertices = new Float32Array([-50, 50, 0, 50, 50, 0, -50, -50, 0,50, -50,0
]);
bufferGeometry.setAttribute("position", new THREE.BufferAttribute(vertices, 3));
const indices = new Uint16Array([0, 2, 1, 2, 3, 1]);
bufferGeometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(indices, 1));
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({map: uvTexture,
});
const bufferPlane = new THREE.Mesh(bufferGeometry, material);
scene.add(bufferPlane);
bufferPlane.position.x = -100;
const uv = new Float32Array([0,1,1,1,0,0,1,0
]);
bufferGeometry.attributes.uv = new THREE.BufferAttribute(uv, 2);
// 自带法向量的PlaneGeometry
const planeGeometry = new THREE.PlaneGeometry(100, 100);
const planeMesh = new THREE.Mesh(planeGeometry, material);
scene.add(planeMesh);
planeMesh.position.x = 100;

2.给模型设置环境贴图后，可以将光反射的环境部分映射到模型上(类似镜子将人反射在镜子上面)，法向量用于计算，光从哪里反射出去。

// 设置环境贴图
const loader = new THREE.TextureLoader();
loader.load("/assets/test.jpg",(envMap)=>{envMap.mapping = THREE.EquirectangularReflectionMapping;// 设置反射的方式material.envMap = envMap; // 设置环境贴图scene.background = envMap; // 将这幅图设置为环境(可选)
})

可以发现，没有法向量的平面几何体没有对光进行反射

案例2：设置法向量

方式1 computeVertexNormals方法

bufferGeometry.computeVertexNormals () 提供了计算顶点法向量的方法，所以只需要让BufferAttribute创建的平面几何体计算顶点法向量即可

const bufferGeometry = new THREE.BufferGeometry();
const vertices = new Float32Array([-50, 50, 0, 50, 50, 0, -50, -50, 0,50, -50,0
]);
bufferGeometry.setAttribute("position", new THREE.BufferAttribute(vertices, 3));
const indices = new Uint16Array([0, 2, 1, 2, 3, 1]);
bufferGeometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(indices, 1));
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({map: uvTexture,
});
const bufferPlane = new THREE.Mesh(bufferGeometry, material);
scene.add(bufferPlane);
bufferPlane.position.x = -100;
const uv = new Float32Array([0,1,1,1,0,0,1,0
]);
bufferGeometry.attributes.uv = new THREE.BufferAttribute(uv, 2);
bufferGeometry.computeVertexNormals(); // 增加

方式2：自定义normal属性值

本来矩形由2个三角形组成，也就是6个顶点。但有些顶点重复，为了复用我们也设置了顶点索引。所以这里的法向量也按照顶点索引来设置。

// 顶点索引 [0, 2, 1, 2, 3, 1]const normals = new Float32Array([0, 0, 1,0, 0, 1,        0, 0, 1,0, 0, 1
])
bufferGeometry.setAttribute("normal", new THREE.BufferAttribute(normals, 3));

引入顶点法向量辅助器VertexNormalsHelper

语法:new VertexNormalsHelper( object : Object3D, size : Number, color : Hex, linewidth : Number )
object:要渲染顶点法线辅助的对象
size （可选的）箭头的长度，默认为 1
color 16进制颜色值. 默认为 0xff0000
linewidth (可选的) 箭头线段的宽度，默认为 1
继承链：Object3D → Line → VertexNormalsHelper

为了更方便调试，可以引入顶点法向量辅助器

import { VertexNormalsHelper } from 'three/addons/helpers/VertexNormalsHelper.js';// 这里的参数是模型，不是几何体
const vertexNormalsHelper= new VertexNormalsHelper(bufferPlane, 8.2, 0xff0000);
scene.add(vertexNormalsHelper);

几何体的移动、旋转和缩放

BufferGeometry重写了Object3D的同名方法，几何变换的本质是改变几何体的顶点数据

方法	描述
bufferGeometry.scale ( x : Float, y : Float, z : Float )	从几何体原始位置开始缩放几何体
bufferGeometry.translate ( x : Float, y : Float, z : Float )	从几何体原始位置开始移动几何体，本质改变的是顶点坐标
bufferGeometry.rotateX/rotateY/rotateZ( radians : Float )	沿着对象坐标系(局部空间)的主轴旋转几何体，参数是弧度

移动几何体的顶点 bufferGeometry.translate

这里需要区分移动几何体的顶点和移动物体，一般情况下选择移动物体，当顶点本身就偏离需要将几何体中心移动到原点时选择移动几何体(消除中心点偏移)。

几何体的变换由于直接将最终计算结果设置为顶点坐标，所以很难追逐到是否发生了变换。

-	使用	描述
移动几何体的顶点	bufferGeometry.translate ( x : Float, y : Float, z : Float )	改变几何体的 ,geometry.attributes.position属性
移动物体	object3D.position : Vector3	移动对象的局部位置

• 任何一个模型的本地坐标(局部坐标)就是模型的.position属性。
• 一个模型的世界坐标，模型自身.position和所有父对象.position累加的坐标。

案例

const bufferGeometry = new THREE.BufferGeometry();
const vertices = new Float32Array([-50, 50, 0, 50, 50, 0, -50, -50, 0,50, -50,0
]);
bufferGeometry.setAttribute("position", new THREE.BufferAttribute(vertices, 3));
const indices = new Uint16Array([0, 2, 1, 2, 3, 1]);
bufferGeometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(indices, 1));
const material = new THREE.MeshBasicMaterial();
const bufferPlane = new THREE.Mesh(bufferGeometry, material);
// 移动顶点
bufferGeometry.translate(50,0,0) 
scene.add(bufferPlane);
// 物体的局部坐标仍然在(0,0,0)  几何体的顶点坐标x轴都加了50
console.log(bufferPlane.position,bufferGeometry.attributes.position)

几何体平移与物体平移

几何体平移geometry.translate(50,0,0) 移动几何体
1.世界坐标没变化，还是(0,0,0)
2.本质是改变了顶点坐标

模型平移mesh.ttanslateX(50) 沿X轴移动50个单位
1.世界坐标变为（50,0,0）
2.对象坐标系(局部空间/几何对象坐标系)跟随，整体移动

几何体旋转与模型旋转(缩放同理)

-	方法	本质修改
几何体旋转	bufferGeometry.rotateX( rad : Float)	顶点坐标
物体旋转	object3D…rotateX/.rotateY /.rotateZ ( rad : Float)	rotation

几何体旋转

const bufferGeometry = new THREE.BufferGeometry();
const vertices = new Float32Array([-50, 50, 0, 50, 50, 0, -50, -50, 0,50, -50,0
]);
bufferGeometry.setAttribute("position", new THREE.BufferAttribute(vertices, 3));
const indices = new Uint16Array([0, 2, 1, 2, 3, 1]);
bufferGeometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(indices, 1));
const material = new THREE.MeshBasicMaterial();
const bufferPlane = new THREE.Mesh(bufferGeometry, material);
// 几何体旋转
bufferGeometry.rotateX(Math.PI / 2);
scene.add(bufferPlane);
console.log(bufferPlane.rotation,bufferGeometry.attributes.position)

物体旋转

const bufferGeometry = new THREE.BufferGeometry();
const vertices = new Float32Array([-50, 50, 0, 50, 50, 0, -50, -50, 0,50, -50,0
]);
bufferGeometry.setAttribute("position", new THREE.BufferAttribute(vertices, 3));
const indices = new Uint16Array([0, 2, 1, 2, 3, 1]);
bufferGeometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(indices, 1));
const material = new THREE.MeshBasicMaterial();
const bufferPlane = new THREE.Mesh(bufferGeometry, material);
// 物体旋转
bufferPlane.rotateX(Math.PI / 2) 
scene.add(bufferPlane);
console.log(bufferPlane.rotation,bufferGeometry.attributes.position)