如何用threejs實現實時多邊形折射

Posted on by

前言

在本教程中，您將學習如何使用Three.js在三個步驟中使對象看起來像玻璃。

渲染3D對象時，無論使用某種3D軟件還是使用WebGL進行實時顯示，始終都必須為其分配材料以使其可見並具有所需的外觀。

可以使用Three.js之類的庫中的現成程序來模仿許多類型的材料，但是在本教程中，我將向您展示如何使用三個對象（三個步驟）使對象看起來像玻璃一樣。

步驟1：設定和正面折射

在本演示中，我將使用菱形幾何圖形，但是您可以跟隨一個簡單的盒子或任何其他幾何圖形。

讓我們建立我們的項目。我們需要一個渲染器，一個場景，一個透視相機和我們的幾何圖形。為瞭渲染我們的幾何圖形，我們需要為其分配材質。創建此材料將是本教程的主要重點。因此，繼續創建具有基本頂點和片段著色器的新ShaderMaterial。

與您期望的相反，我們的材料將不是透明的，實際上，我們將對鉆石後面的任何東西進行采樣和變形。為此，我們需要將場景（沒有菱形）渲染為紋理。我隻是使用正交攝影機渲染全屏平面，但這也可能是充滿其他對象的場景。在Three.js中從菱形分割背景幾何圖形的最簡單方法是使用“圖層”。

this.orthoCamera = new THREE.OrthographicCamera( width / - 2,width / 2, height / 2, height / - 2, 1, 1000 );
// assign the camera to layer 1 (layer 0 is default)
this.orthoCamera.layers.set(1);

const tex = await loadTexture('texture.jpg');
this.quad = new THREE.Mesh(new THREE.PlaneBufferGeometry(), new THREE.MeshBasicMaterial({map: tex}));

this.quad.scale.set(width, height, 1);
// also move the plane to layer 1
this.quad.layers.set(1);
this.scene.add(this.quad);

我們的渲染循環如下所示：

this.envFBO = new THREE.WebGLRenderTarget(width, height);

this.renderer.autoClear = false;

render() {
    requestAnimationFrame( this.render );

    this.renderer.clear();

    // render background to fbo
    this.renderer.setRenderTarget(this.envFbo);
    this.renderer.render( this.scene, this.orthoCamera );

    // render background to screen
    this.renderer.setRenderTarget(null);
    this.renderer.render( this.scene, this.orthoCamera );
    this.renderer.clearDepth();

    // render geometry to screen
    this.renderer.render( this.scene, this.camera );
};

好吧，現在該花一點點理論瞭。透明材料（如玻璃）可以彎曲，因此可見。那是因為光在玻璃中的傳播要比空氣中的傳播慢，因此當光波以一定角度撞擊玻璃物體時，這種速度變化會導致光波改變方向。波浪方向的這種變化描述瞭折射現象。

為瞭在代碼中復制這一點，我們將需要知道我們的眼睛向量與世界空間中鉆石表面（法線）向量之間的角度。讓我們更新頂點著色器以計算這些向量。

varying vec3 eyeVector;
varying vec3 worldNormal;

void main() {
    vec4 worldPosition = modelMatrix * vec4( position, 1.0);
    eyeVector = normalize(worldPos.xyz - cameraPosition);
    worldNormal = normalize( modelViewMatrix * vec4(normal, 0.0)).xyz;
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
}

在片段著色器中，我們現在可以將eyeVector和worldNormal用作glsl內置折射函數的前兩個參數。第三個參數是折射率的比率，即我們的快速介質（空氣）的折射率（IOR）除以我們的慢速介質（玻璃）的IOR。在這種情況下，該值為1.0 / 1.5，但是您可以調整該值以獲得所需的結果。例如，水的IOR為1.33，鉆石的IOR為2.42。

uniform sampler2D envMap;
uniform vec2 resolution;

varying vec3 worldNormal;
varying vec3 viewDirection;

void main() {
    // get screen coordinates
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy / resolution;

    vec3 normal = worldNormal;
    // calculate refraction and add to the screen coordinates
    vec3 refracted = refract(eyeVector, normal, 1.0/ior);
    uv += refracted.xy;
    
    // sample the background texture
    vec4 tex = texture2D(envMap, uv);

    vec4 output = tex;
    gl_FragColor = vec4(output.rgb, 1.0);
}

真好！我們成功編寫瞭折射著色器。但是我們的鉆石幾乎看不見……部分原因是我們隻處理瞭玻璃的一種視覺特性。並非所有的光都會穿過要折射的材料，實際上，一部分光會被反射。讓我們看看如何實現它！

步驟2：反射和菲涅耳方程

為瞭簡單起見，在本教程中，我們將不計算適當的反射，而僅將白色用作反射光。現在，我們怎麼知道什麼時候該反思，什麼時候該折射？理論上，這取決於材料的折射率，當入射矢量和表面法線之間的角度大於臨界角時，光波將被反射。

在片段著色器中，我們將使用菲涅耳方程來計算反射光線與折射光線之間的比率。不幸的是，glsl也沒有內置此方程式，但是您可以從這裡復制它：

float Fresnel(vec3 eyeVector, vec3 worldNormal) {
    return pow( 1.0 + dot( eyeVector, worldNormal), 3.0 );
}

現在，我們可以根據剛計算出的菲涅耳比，簡單地將折射紋理顏色與白色反射顏色混合。

uniform sampler2D envMap;
uniform vec2 resolution;

varying vec3 worldNormal;
varying vec3 viewDirection;

float Fresnel(vec3 eyeVector, vec3 worldNormal) {
    return pow( 1.0 + dot( eyeVector, worldNormal), 3.0 );
}

void main() {
    // get screen coordinates
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy / resolution;

    vec3 normal = worldNormal;
    // calculate refraction and add to the screen coordinates
    vec3 refracted = refract(eyeVector, normal, 1.0/ior);
    uv += refracted.xy;

    // sample the background texture
    vec4 tex = texture2D(envMap, uv);

    vec4 output = tex;

    // calculate the Fresnel ratio
    float f = Fresnel(eyeVector, normal);

    // mix the refraction color and reflection color
    output.rgb = mix(output.rgb, vec3(1.0), f);

    gl_FragColor = vec4(output.rgb, 1.0);
}

看起來已經好多瞭，但是還有一些不足之處……嗯，我們看不到透明對象的另一面。讓我們解決這個問題！

步驟3：多邊折射

到目前為止，我們已經瞭解瞭有關反射和折射的知識，我們可以理解，光在離開對象之前可以在對象內部來回反彈幾次。

為瞭獲得物理上正確的結果，我們將必須跟蹤每條光線，但是不幸的是，這種計算量太大，無法實時渲染。因此，我將向您展示一個簡單的近似值，至少可以直觀地看到我們鉆石的背面。

在一個片段著色器中，我們需要幾何圖形的正面和背面的世界法線。由於我們不能同時渲染兩側，因此需要首先將背面法線渲染為紋理。

讓我們像在步驟1中一樣制作一個新的ShaderMaterial，但是這次我們將世界法線渲染為gl_FragColor。

varying vec3 worldNormal;

void main() {
    gl_FragColor = vec4(worldNormal, 1.0);
}

接下來，我們將更新渲染循環以包括背面通道。

this.backfaceFbo = new THREE.WebGLRenderTarget(width, height);

...

render() {
    requestAnimationFrame( this.render );

    this.renderer.clear();

    // render background to fbo
    this.renderer.setRenderTarget(this.envFbo);
    this.renderer.render( this.scene, this.orthoCamera );

    // render diamond back faces to fbo
    this.mesh.material = this.backfaceMaterial;
    this.renderer.setRenderTarget(this.backfaceFbo);
    this.renderer.clearDepth();
    this.renderer.render( this.scene, this.camera );

    // render background to screen
    this.renderer.setRenderTarget(null);
    this.renderer.render( this.scene, this.orthoCamera );
    this.renderer.clearDepth();

    // render diamond with refraction material to screen
    this.mesh.material = this.refractionMaterial;
    this.renderer.render( this.scene, this.camera );
};

現在，我們在折射材料中采樣背面法線紋理。

vec3 backfaceNormal = texture2D(backfaceMap, uv).rgb;

最後，我們結合瞭正面和背面法線。

float a = 0.33;
vec3 normal = worldNormal * (1.0 - a) - backfaceNormal * a;

在此等式中，a隻是一個標量值，指示應應用背面法線的數量。

我們做到瞭！我們可以看到鉆石的所有側面，僅是因為我們對鉆石的材質進行瞭折射和反射。

局限性

正如我已經解釋的那樣，用這種方法實時渲染物理上正確的透明材料是不可能的。當在彼此前面渲染多個玻璃對象時會發生另一個問題。由於我們僅對環境采樣一次，因此無法看透一連串的對象。最後，我在這裡演示的屏幕空間折射在畫佈的邊緣附近效果不佳，因為光線可能會折射到其邊界之外的值，並且在將背景場景渲染到渲染目標時我們沒有捕獲到該數據。

當然，有多種方法可以克服這些限制，但是對於您在WebGL中進行實時渲染，它們可能並不是全部很好的解決方案。

以上就是如何用threejs實現實時多邊形折射的詳細內容，更多關於JS庫的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

推薦閱讀：