three.js使用卷積法實現物體描邊效果
法線延展法
網上使用法線延展法實現物體描邊效果的文章比較多，這裡不再描述。
但是這種方法有個缺點：當兩個面的法線夾角差別較大時，兩個面的描邊無法完美連線。如下圖所示：
卷積法
這裡使用另一種方法卷積法實現物體描邊效果，一般機器學習使用該方法比較多。先看效果圖：
使用three.js具體的實現方法如下：
- 建立著色器材質，隱藏不需要描邊的物體進行渲染，將需要描邊的位置渲染成白色，其他位置渲染成黑色。
- 利用片源著色器計算卷積，白色是物體內部，黑色是物體外部，灰色是邊框。
- 設定材質透明、不融合，將邊框疊加到原圖上，可以使用FXAA抗鋸齒。
這三步就可以實現了，很簡單吧。下面我們將詳細介紹實現方法，不想看的可以直接去看完整實現程式碼：
完整程式碼： https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/helper/SelectHelper.js
詳細的實現過程：
1. 使用three.js正常繪製場景，得到下圖，這裡不介紹了。
2. 建立著色器材質，隱藏所有不需要描邊的物體。將需要描邊的物體繪製成白色，其他地方繪製成黑色。
隱藏不需要描邊的物體後，將整個場景材質替換。
renderScene.overrideMaterial = this.maskMaterial;
著色器材質：
const maskMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
vertexShader: MaskVertex,
fragmentShader: MaskFragment,
depthTest: false
});
MaskVertex：
void main() {
gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
}
MaskFragment：
void main() {
gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
}效果圖：
3. 建立著色器材質進行卷積計算，每四個畫素顏色求平均值得到一個畫素。描邊物體內部是白色，外部是黑色，物體邊緣處會得到灰色。灰色就是我們所需的邊框。
const edgeMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
vertexShader: EdgeVertex,
fragmentShader: EdgeFragment,
uniforms: {
maskTexture: {
value: this.maskBuffer.texture
},
texSize: {
value: new THREE.Vector2(width, height)
},
color: {
value: selectedColor
},
thickness: {
type: 'f',
value: 4
},
transparent: true
},
depthTest: false
});
其中texSize是計算卷積的canvas寬度和高度，為了讓邊框更平滑，可以設定為原來canvas的兩倍。color是邊框顏色，thickness是邊框粗細。
注意，要將材質transparent設定為true。
EdgeVertex：
varying vec2 vUv;
void main() {
vUv = uv;
gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
}
EdgeFragment：
uniform sampler2D maskTexture;
uniform vec2 texSize;
uniform vec3 color;
uniform float thickness;
varying vec2 vUv;
void main() {
vec2 invSize = thickness / texSize;
vec4 uvOffset = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0) * vec4(invSize, invSize);
vec4 c1 = texture2D( maskTexture, vUv + uvOffset.xy);
vec4 c2 = texture2D( maskTexture, vUv - uvOffset.xy);
vec4 c3 = texture2D( maskTexture, vUv + uvOffset.yw);
vec4 c4 = texture2D( maskTexture, vUv - uvOffset.yw);
float diff1 = (c1.r - c2.r)*0.5;
float diff2 = (c3.r - c4.r)*0.5;
float d = length(vec2(diff1, diff2));
gl_FragColor = d > 0.0 ? vec4(color, 1.0) : vec4(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
}
效果圖：
4. 建立著色器材質，將邊框疊加到原來的圖片上。由於FXAA比較複雜，這裡使用簡單的疊加方法。
著色器材質：
const copyMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
vertexShader: CopyVertexShader,
fragmentShader: CopyFragmentShader,
uniforms: {
tDiffuse: {
value: edgeBuffer.texture
},
resolution: {
value: new THREE.Vector2(1 / width, 1 / height)
}
},
transparent: true,
depthTest: false
});
注意，transparent要設定為true，否則會把原來的圖片覆蓋掉。
CopyVertexShader：
varying vec2 vUv;
void main() {
vUv = uv;
gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
}
CopyFragmentShader：
uniform float opacity;
uniform sampler2D tDiffuse;
varying vec2 vUv;
void main() {
vec4 texel = texture2D( tDiffuse, vUv );
gl_FragColor = opacity * texel;
}
得到最終效果圖：
參考資料：
1. 描邊實現完整程式碼：https://gitee.com/tengge1/ShadowEditor/blob/master/ShadowEditor.Web/src/helper/SelectHelper.js
2. three.js後期處理描邊：https://threejs.org/examples/#webgl_postprocessing_outline
3. 卷積工作原理：https://www.zhihu.com/question/39022858?sort=created
4. 法線延展法實現物體描邊：https://blog.csdn.net/srk19960903/article/details/73863853