【带着canvas去流浪(12)】用Three.js制作简易的MARVEL片头动画(上)

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一. 大作业说明

通读完上一篇博文中提及的教程,觉得应该搞个大作业巩固一下所学的知识,想起刚上映的漫威宇宙第三阶段收官之作《蜘蛛侠·英雄远征》,于是决定仿一个MARVEL的片头动画作为three.js的课后练习,使用的版本是R104版本。本节先来解决视频贴图的问题。

二.基本思路

简易片头动画的实现思路如下,除了正常的舞台元素外,需要背景音乐,使用THREE.AudioLoader就可以从后后台加载音乐,舞台中主要的实体元素是MARVEL这几个字母的立体模型,可以使用THREE.TextGeometry来进行建模(【Three.js绘制字体模型】),它要求先载入字体文件,然后才能实例化,参考官方文档的实现就可以了。有了字体模型以后,还需要一些影片素材贴在字体模型上,THREE.VideoTexture可以解决这个问题(【Three.js使用VideoTexture实现视频Video更新纹理】),它可以将HTML中的<video>标签引入的资源作为表面纹理通过材料实例的map参数与之关联在一起,然后贴在几何体表面,最后要解决的问题就是镜头的变化了,看过漫威电影的同学都知道,片头动画最后一部分的画面先是镜头后退,然后MARVEL几个字母逐渐翻转过来,这个效果的实现方式很多,可以调整相机参数,也可以调整物体参数,建议自己动手时各种方法都尝试一下。为了熟悉更多特性,笔者自己在实现中使用正交相机,通过调整正交相机的视场宽度来模拟镜头后退动画(在透视相机下可以直接调整相机的Z轴坐标实现类似的效果),然后通过设置几何体的位移和旋转来模拟镜头的移动。

三.视频纹理表面修复——UV映射

3.1 问题描述

整个大作业中最难处理的就是视频纹理贴图的部分,所以本篇先来搞定这个知识点。如果使用THREE.js提供的Geometry基本不会遇到什么问题,例如上图中的示例,就将视频素材贴在了立方体的各个面上,然而当你使用其他带有一些自定义性质的几何体实例,比如自己画了一个shape然后拉伸成为拉伸体,或者本次大作业中需要使用的TextGeometry字体模型时。视频贴图就直接失效了。同样尺寸的立方体,如果用THREE.BoxGeometry来生成实例,表面就可以直接贴视频,如果使用shape画一个矩形再拉伸成同样尺寸的实体,视频就无法正常覆盖在模型表面,如下图所示:

仔细看你会发现图片边界的地方有发光的条,将细节放大后可以看到下面的场景:

可以看到,视频实际上的确是覆盖在立方体表面了,但只是占了很小的一块,所以需要针对这种情况进行模型纹理修复,使视频可以覆盖几何体的单个表面。

3.2 纹理贴图的基本原理-UV映射

Three.js中,几何体是通过的特征构建起来的,如果将一个几何体实例对象在控制台打印出来,就可以看到存储端点坐标信息的vertexs和存储面信息的faces数组。当你构建一个立方体时,会发现它的faces属性数组中有12个面的信息,因为Three.js中默认使用三角面片来构建几何体,一个矩形表面需要用两个三角面片来构建,(你可以将立方体材料material中传入 wireframe:true来看到立方体的线框图),faces数组中每一个面中存储的是构建这个三角面的3个点的位置信息。

纹理贴图坐标也称为UV坐标,它的贴图原理是这样的,首先将贴图素材x轴和y轴的长度以0-1来标记,那么使用3个坐标范围在[0~1,0~1]的点就可以在图形素材中以三角形剪裁出需要的部分,同理使用4个坐标范围在[0~1,0~1]的点,就可以在图形素材中以四边形剪裁出需要的部分,以此类推,如下图所示:

右图中白色三角形的三个顶点在归一化坐标系中的坐标值已经列出,将[0.2,0.2],[0.2,0.8],[0.7,0.2]这三个坐标点信息填充到对应的UV映射数组中后,Three.js就会用这个三角形区域来对一个三角面进行贴图。由于默认面是三角面,所以我们通过实例化3个THREE.Vector2(x,y)对象来表示从素材中截取的三角形区域,得到了素材后要如何将它与三角面的顶点坐标对应起来呢?这就引出了本节中的关键概念——UV映射矩阵

大部分高大上的概念都离不开一个土掉渣的实现,UV映射矩阵也不例外。

由于贴图素材是三个点,几何体某个三角面也是有三个顶点,如果不限制索引,那么就可能存在很多种贴图结果:

为了保证贴图素材的方向,它们之间就有存在一个对应关系,否则最后渲染的纹理可能就是倒着的或者旋转90°的图像,所以UV映射矩阵中存储的依然是上例中右图的三个点,但默认索引和构成几何体指定面的三个顶点的索引相对应,这就唯一限定了截取表面到几何体三角面的贴图样式。

3.3 关键示例代码

完整的示例可以从附件或开头处的github代码仓中获取,示例是一个express工程,npm install装一下依赖,跑起来之后访问localhost:3333就可以看到。

//重构UV Mapping
function rebuildUVMapping() {    
    //在纹理素材上标记关键点
    let pos = [
        new THREE.Vector2(0,0.1),
        new THREE.Vector2(1,0.1),
        new THREE.Vector2(1,0.9),
        new THREE.Vector2(0,0.9),
    ]

    //uv映射的纹理存放在几何体实例的下面这个属性中
    let uvs = geometry.faceVertexUvs[0];

    //背面
    //生成网格时材料可以传数组,materialIndex可以为不同面指定不同的材质,本例中对应不同的视频片段
    geometry.faces[0].materialIndex = 4; 
    geometry.faces[1].materialIndex = 4;
    //重构UV映射关系矩阵
    uvs[0] = [pos[1], pos[0], pos[3]];
    uvs[1] = [pos[3], pos[2], pos[1]];

    //正面
    geometry.faces[2].materialIndex = 0;
    geometry.faces[3].materialIndex = 0;
    uvs[2] = [pos[3], pos[0], pos[1]];
    uvs[3] = [pos[1], pos[2], pos[3]];

    //标记uv映射是可更新的
    geometry.uvsNeedUpdate = true;
}

四.小结

视频纹理是本例中最难的部分了,下一篇中笔者将构建字体模型,并加入镜头转换,完成整个预期的动画,敬请关注,也希望感兴趣的小伙伴一起交流。

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