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Three.js源码阅读笔记(Object3D类)

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#楼主# 2019-6-18

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Object3D似乎是Three.js框架中最重要的类,相当一部分其他的类都是继承自Object3D类,比如场景类、几何形体类、相机类、光照类等等:他们都是3D空间中的对象,所以称为Object3D类,需要了解的朋友可以参考下
这是Three.js源码阅读笔记的第二篇,直接开始。
Core::Object3D
Object3D似乎是Three.js框架中最重要的类,相当一部分其他的类都是继承自Object3D类,比如场景类、几何形体类、相机类、光照类等等:他们都是3D空间中的对象,所以称为Object3D类。Object3D构造函数如下:
  1. THREE.Object3D = function () {
  2. THREE.Object3DLibrary.push( this );
  3. this.id = THREE.Object3DIdCount ++;
  4. this.name = '';
  5. this.properties = {};
  6. this.parent = undefined;
  7. this.children = [];
  8. this.up = new THREE.Vector3( 0, 1, 0 );
  9. this.position = new THREE.Vector3();
  10. this.rotation = new THREE.Vector3();
  11. this.eulerOrder = THREE.Object3D.defaultEulerOrder;
  12. this.scale = new THREE.Vector3( 1, 1, 1 );
  13. this.renderDepth = null;
  14. this.rotationAutoUpdate = true;
  15. this.matrix = new THREE.Matrix4();
  16. this.matrixWorld = new THREE.Matrix4();
  17. this.matrixRotationWorld = new THREE.Matrix4();
  18. this.matrixAutoUpdate = true;
  19. this.matrixWorldNeedsUpdate = true;
  20. this.quaternion = new THREE.Quaternion();
  21. this.useQuaternion = false;
  22. this.boundRadius = 0.0;
  23. this.boundRadiusScale = 1.0;
  24. this.visible = true;
  25. this.castShadow = false;
  26. this.receiveShadow = false;
  27. this.frustumCulled = true;
  28. this._vector = new THREE.Vector3();
  29. };
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在介绍函数之前,需要先介绍一下这个类的几个重要属性。
属性parent和children说明,通常需要使用树来管理众多Object3D对象。比如一辆行驶的汽车是一个Object3D对象,控制汽车行驶路线的逻辑在该对象内部实现,汽车的每个顶点经过模型矩阵的处理后,都位于正确的位置;但是汽车摆动的雨刮器,其不但随着汽车行驶方向运动,而且自身相对汽车也在左右摆动,这个摆动的逻辑无法在汽车这个对象内部的实现。解决的方法是,将雨刮器设定为汽车的chidren,雨刮器内部的逻辑只负责其相对于汽车的摆动。在这种树状结构下,一个场景Scene实际上就是最顶端的Object3D,它的模型矩阵就是视图矩阵(取决于相机)的逆矩阵。

属性matrix和matrixWorld就很好理解了,matrix表示本地的模型矩阵,仅仅表示该对象的运动,而matrixWorld则需要依次向父亲节点迭代,每一次迭代都左乘父亲对象的本地模型矩阵,直到Scene对象——当然,实际上是左乘父亲对象的全局模型矩阵。

属性position、rotation、scale表示模型矩阵的三种变换部分,在Matrix4类中有相关说明。rotation和eulerOrder共同描述了一个旋转状态,quaternion也可以描述一个旋转状态,具体使用哪种方法要看useQuation的布尔值。

可以看到,关于该Object3D对象最重要的“变换状态”信息实际上是存储在两个“备份”中的,一个是matrix对象,还有一个是position等属性,两部分应当保持一致,如果通过某种方法改变了一个备份,则另一个备份也应该在适当的时候更新。还有一些其他属性从字面和类型上就能看出其含义,不再单独列出了。下面说函数:
函数applyMatrix(matrix)将参数matrix左乘到this.matrix上,实际上就是对该Object3D对象实行某个变换(该变换可能要经过好几步基本变换,但是已经存储在参数matrix里面了)。注意,在对this.matrix执行完左乘之后,;立刻更新了position等参数的值。比起下面几个变换函数,该函数更“高级”,允许开发者自由指定变换矩阵,而不是说“朝着x轴前进5单位距离”。
  1. applyMatrix: function ( matrix ) {
  2. this.matrix.multiply( matrix, this.matrix );
  3. this.scale.getScaleFromMatrix( this.matrix );
  4. var mat = new THREE.Matrix4().extractRotation( this.matrix );
  5. this.rotation.setEulerFromRotationMatrix( mat, this.eulerOrder );
  6. this.position.getPositionFromMatrix( this.matrix );
  7. },
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函数translate(distance, axis)令该对象向axis轴指定的方向前进distance距离。函数translateX(distance),translateY(distance),translateZ(distance)令其向X,Y,Z轴前进distance距离。注意这些函数仅仅改变了position对象的值,而不曾改变matrix的值。
  1. translate: function ( distance, axis ) {
  2. this.matrix.rotateAxis( axis );
  3. this.position.addSelf( axis.multiplyScalar( distance ) );
  4. },
  5. translateX: function ( distance ) {
  6. this.translate( distance, this._vector.set( 1, 0, 0 ) );
  7. },
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函数localToWorld(vector)将本地坐标转化为世界坐标中,函数worldToLocal则正好相反。注意这里的vector本地坐标指的是未变换之前的坐标,也就是说雨刮器的默认位置的顶点坐标。

函数lookAt(eye,center,up)执行其matrix属性对象的lookAt函数(之前介绍过,matrix4对象也有一个lookAt函数),一般用于相机对象。该函数仅仅改变了旋转状态,所以当matrix属性对象执行完之后,如果属性rotationAutoUpdate为真,则会更新rotation或quaternion的值,更新哪一个取决于属性useQuation。
函数add(object)和函数remove(object)从当前Object3D对象中添加一个子对象,或删除一个子对象,了解到场景中的众多Object3D对象是用树来管理的,这就很容易理解了。

函数traverse(callback)遍历调用者和调用者的所有后代,callback参数是一个函数,被调用者和每一个后代对象调用callback(this)。
  1. traverse: function ( callback ) {
  2. callback( this );
  3. for ( var i = 0, l = this.children.length; i < l; i ++ ) {
  4. this.children[ i ].traverse( callback );
  5. }
  6. },
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函数getChildByName(name,recursive)通过字符串在调用者的子元素(recursive为false)或后代元素(recursive为true)中查询属性name符合的对象返回。

函数getDescendants(array)将调用者的所有后代对象全部push到数组array中。
函数updateMatrix()和updateMatrixWorld(force)将根据position,rotation或quaternion,scale参数更新matrix和matrixWorld。updateMatrixWorld还会更新所有后代元素的matrixWorld,如果force值为真或者调用者本身的matrixWorldNeedsUpdate值为真。在函数applyMatrix(matrix)中,改变了matrix值后立刻就更新了position,rotation等属性,但在函数translate(distance,axis)中改变了position等变量(或者直接改变position等属性)后并没有立刻更新matrix值,这时应该手动调用updateMatrix()。这些细节值得注意,你也许会认为应该加入事件监听,一旦一个值发生变化,其他所有的都会立刻更新,但我想在,可能是出于这方面的考虑:适当的时候更新会带来更高的效率——比如可能会频繁地改变rotation值,但是仅仅在使用matrix属性之前,才对其进行更新。
  1. updateMatrix: function () {
  2. this.matrix.setPosition( this.position );
  3. if ( this.useQuaternion === false ) {
  4. this.matrix.setRotationFromEuler( this.rotation, this.eulerOrder );
  5. } else {
  6. this.matrix.setRotationFromQuaternion( this.quaternion );
  7. }
  8. if ( this.scale.x !== 1 || this.scale.y !== 1 || this.scale.z !== 1 ) {
  9. this.matrix.scale( this.scale );
  10. this.boundRadiusScale = Math.max( this.scale.x, Math.max( this.scale.y, this.scale.z ) );
  11. }
  12. this.matrixWorldNeedsUpdate = true;
  13. },
  14. updateMatrixWorld: function ( force ) {
  15. if ( this.matrixAutoUpdate === true ) this.updateMatrix();
  16. if ( this.matrixWorldNeedsUpdate === true || force === true ) {
  17. if ( this.parent === undefined ) {
  18. this.matrixWorld.copy( this.matrix );
  19. } else {
  20. this.matrixWorld.multiply( this.parent.matrixWorld, this.matrix );
  21. }
  22. this.matrixWorldNeedsUpdate = false;
  23. force = true;
  24. }
  25. for ( var i = 0, l = this.children.length; i < l; i ++ ) {
  26. this.children[ i ].updateMatrixWorld( force );
  27. }
  28. },
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函数deallocate手动将调用者占用的空间释放掉,当不再需要该对象时这样做。
Core::Projectors
管理投影矩阵的类,代码太复杂了,我猜会涉及到render类里的操作,等到适当的时候再看吧。
Core::UV
该构造函数产生一个材质坐标类——就是材质上的坐标,往往与顶点对应起来,光栅化后每个像素都有一个材质坐标,再从材质上“取色”以实现纹理。
  1. THREE.UV = function ( u, v ) {
  2. this.u = u || 0;
  3. this.v = v || 0;
  4. };
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材质坐标类就是一个简化的vector2类,除了属性名称不同而已。
Core::Ray Core::Rectangle Core:Spline
射线类,有原点、方向、远近截断点。在点光源中应该有应用。矩形类、曲线类,相对都比较简单,也不那么“核心”,以后再看吧。
Core::Geometry
Geometry类也是非常重要的一类,表示一个由顶点和表面构成的几何形体。
  1. THREE.Geometry = function () {
  2. THREE.GeometryLibrary.push( this );
  3. this.id = THREE.GeometryIdCount ++;
  4. this.name = '';
  5. this.vertices = [];
  6. this.colors = [];
  7. this.normals = [];
  8. this.faces = [];
  9. this.faceUvs = [[]];
  10. this.faceVertexUvs = [[]];
  11. this.morphTargets = [];
  12. this.morphColors = [];
  13. this.morphNormals = [];
  14. this.skinWeights = [];
  15. this.skinIndices = [];
  16. this.lineDistances = [];
  17. this.boundingBox = null;
  18. this.boundingSphere = null;
  19. this.hasTangents = false;
  20. this.dynamic = true;
  21. this.verticesNeedUpdate = false;
  22. this.elementsNeedUpdate = false;
  23. this.uvsNeedUpdate = false;
  24. this.normalsNeedUpdate = false;
  25. this.tangentsNeedUpdate = false;
  26. this.colorsNeedUpdate = false;
  27. this.lineDistancesNeedUpdate = false;
  28. this.buffersNeedUpdate = false;
  29. };
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以下两组属性最重要
属性vertics是一个数组,每个元素是vector3类型的对象,表示一个顶点坐标。属性colors和normals表示和顶点对应的颜色值和发现向量,只有在很少的情况下才使用,大部分情况下,顶点的颜色和发现时在“表面”中定义的——如果立方体的6面颜色各不相同,则每个顶点实在不同的面上是不同的颜色。

属性faces是一个数组,每个元素是face4或face3类型的对象,之前介绍face3的时候说到,face中存储的仅仅是顶点的索引值,通过索引值就可以在数组vertices中取到顶点的坐标值。

下面说函数
applyMatrix(matrix)函数更新geometry中的所有顶点坐标和表面的法线向量,所做的实际上是用变换矩阵matrix对geometry形体进行空间变换。normalMatrix是参数matrix左上角3×3矩阵的逆转置矩阵,该矩阵用来旋转矢量(法线,而不是顶点坐标)。
  1. applyMatrix: function ( matrix ) {
  2. var normalMatrix = new THREE.Matrix3();
  3. normalMatrix.getInverse( matrix ).transpose();
  4. for ( var i = 0, il = this.vertices.length; i < il; i ++ ) {
  5. var vertex = this.vertices[ i ];
  6. matrix.multiplyVector3( vertex );
  7. }
  8. for ( var i = 0, il = this.faces.length; i < il; i ++ ) {
  9. var face = this.faces[ i ];
  10. normalMatrix.multiplyVector3( face.normal ).normalize();
  11. for ( var j = 0, jl = face.vertexNormals.length; j < jl; j ++ ) {
  12. normalMatrix.multiplyVector3( face.vertexNormals[ j ] ).normalize();
  13. }
  14. matrix.multiplyVector3( face.centroid );
  15. }
  16. },
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函数ComputeCentroid()计算几何形体中每个表面的重心(不是几何形体自己的重心)。这个函数似乎应当放到face类的原型上会更好,但是由于face类内部无法获取点的坐标(除非再将点坐标数组的引用作为参数传入构造函数,这样代价就大了)而仅仅是索引值,所以只好在geometry类的原型上定义了。下面几个函数都是类似的情况(事实上,face类几乎没有什么成员函数)。

函数computeFaceNormals()和computeVertexNormals(areaWeight)计算法线向量,前者影响的是face数组中每个元素的normal属性,一个face只有1个;后者face数组中每个元素的vertexNormal属性,一个face3型对象有3个,一个face4型对象有4个,但是需要注意的是,被多个表面共享的顶点,其法线向量只有一个,同时受到多个表面的影响。比如中心在原点,三组表面都垂直于轴的立方体,其第一象限中的顶点,法线向量是(1,1,1)的归一化。虽然看上去不可思议,平面的顶点的法线居然不是垂直于平面的,但这种指定法线的方法在利用平面模拟曲面的时候有很好的效果。

函数createMorphNormal为每一个morph创建法线。morph应该是用作显示固定连续动画的变形效果。
函数mergeVertics将坐标值相同的点剔除,同时更新face对象中的点索引值。
Core::Quaternian
四维数旋转类用另一种方式表达一个旋转变换,相比用rotation,可以避免万向节死锁问题。
  1. THREE.Quaternion = function( x, y, z, w ) {
  2. this.x = x || 0;
  3. this.y = y || 0;
  4. this.z = z || 0;
  5. this.w = ( w !== undefined ) ? w : 1;
  6. };
复制代码
如果不谈函数,Quaternian就是一个简单的vector4类型对象。
函数setFromEuler(v,order)通过一次欧拉旋转设置四维数旋转。
函数setFromAxis(axis,angle)通过绕任意轴旋转设定四维数旋转。
函数setFromRotationMatrix(matrix)通过旋转矩阵设置四维数旋转。
还有一些和vector4类相同的函数这里就不列了。
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