WebGL实现sprite精灵效果的GUI控件

　　threejs已经有了sprite插件，这就方便了three的用户，直接可以使用threejs的sprite插件来制作GUI模型。sprite插件是阿里的lasoy老师改造过的，这个很厉害，要学习一哈他的源码。闲话少叙，我们来看一下如何用原生的webgl来实现sprite精灵效果。首先我们来看一个样例。




　　我们可以看到，这个数字模型的纹理贴图是“2”，他具有两个特性，第一他永远面向主相机，第二他在屏幕上的投影尺寸不随场景缩放而产生一丝一毫的变化。这就是sprite精灵的特点，我们来看看具体是怎么实现的这样的效果。第一我们先集中精力解决数字模型始终面向相机的问题，我们知道，模型在场景中的modelView矩阵是随场景的空间旋转，平移，缩放而重新计算的，那么问题来了，我们怎么知道场景的每一帧空间变换的平移，旋转，缩放的变化量呢，鲫鱼可以负责任的告诉大家，我们计算不出这3个空间变换的叠加。那是怎么实现数字模型空间变换使它每一帧都面向主相机的呢？好，我们就来看看数字模型是怎么每一帧计算空间变换矩阵的。


　　其中有一个技巧就是坐标系转换，我们知道，主相机和模型都在世界坐标系中，那么我们换个思路，能不能把数字“2”的模型放到主相机的局部坐标系下面，让他的x，y，z方向坐标轴和主相机的x，y，z方向坐标轴重合，这样不就使得数字模型“2”永远面对着主相机不产生相对旋转了吗，真是个好办法，鲫鱼我说干就干。
1 /** 2 * 统一两个矩阵的基 3 * mat1:参考矩阵 4 * mat2:要变换基的矩阵 5 * */ 6
Mat4.copyBasis =function(mat1, mat2){ 7 //x轴基向量 8 mat2[0] = mat1[0]; 9
mat2[1] = mat1[1]; 10 mat2[2] = mat1[2]; 11 //y轴基向量 12 mat2[4] = mat1[4]; 13
mat2[5] = mat1[5]; 14 mat2[6] = mat1[6]; 15 //z轴基向量 16 mat2[8] = mat1[8]; 17
mat2[9] = mat1[9]; 18 mat2[10] = mat1[10]; 19 }; 20 21 module.exports = Mat4;

　　首先理解空间变换矩阵的同学都知道列主序的矩阵的x轴分量即x轴基向量是mat[0],mat[1],mat[2];y轴分量即y轴基向量是mat[4],mat[5],mat[6];z轴分量即z轴基向量是mat[8],mat[9],mat[10];平移和缩放向量是mat[12],mat[13],mat[14]。那么好了，我们现在不关心平移和缩放，只关心旋转，所以我们只需要把数字模型的空间变换矩阵的x基，y基，z基照搬主相机的modelView矩阵的逆矩阵即可，注意是逆矩阵，因为主相机也在世界坐标系下，他的空间变换矩阵还是世界坐标系下的空间位置描述，他的空间变换矩阵的逆矩阵才是他的局部坐标系矩阵。我们直接按照这个步骤来操作。
1 /** 2 * 计算文字相对主相机的变换矩阵 3 * mat:要计算的缩放旋转矩阵 4 * */ 5
computeMatrix4MainCamera:function(mat){ 6 //场景主相机 7 let camera = this
._viewer.getMainCamera(); 8 //相机坐标系矩阵 9 let modelViewMat =
camera.getModelViewMatrix();10 //相机坐标系矩阵的逆矩阵 11 let invMVMat =
Mat4.MemoryPool.alloc();12 Mat4.invert(invMVMat, modelViewMat); 13 //构造文字变换矩阵
14 Mat4.copyBasis(invMVMat, mat); 15 },

　　总共5行代码，第一步获取主相机；二、得到主相机的modelView矩阵；三和四、求modelView矩阵的逆矩阵；五、将逆矩阵的xyz轴向量基赋给我们的数字模型“2”的空间变换矩阵。做完这件事以后，鲫鱼惊喜地发现数字模型2完美地跟随相机转动起来，永远面对着相机。正如歌词所云，月亮走，我也走，月亮永远面向我，无论我走到哪儿。喝哈哈哈。

　　好了，第一件事情圆满解决，我们来看看第二件事情怎么处理。我们接下来要处理的是模型缩放，但数字模型“2”在屏幕上的投影大小不变。


　　要解决这件事，首先我们要清楚模型缩放的原理是什么，在我们的osg引擎中，是通过主相机靠近或远离模型来实现的缩放效果。那么就好办了，鲫鱼的思路就是相机靠近模型，我就把数字模型“2”缩小，相机原理模型，我就把数字模型“2”放大，通过近小远大来对抗视觉上的近大远小。我们知道，透视下的模型尺寸和到眼睛的距离是呈反比的关系。来看一张示意图。




我们可以很清楚的看明白，越远的物体越小，越近越大，物体尺寸在屏幕上的投影和到眼睛的距离成反比。那么鲫鱼为了固定数字模型“2”在屏幕上的投影尺寸，就要反过来缩放模型的尺寸，越近越小，越远越大，和模型到相机眼睛的距离成正比，就达到我们的目的了，下面是鲫鱼的源码。
1 /** 2 * 在透视相机下令模型随相机远近变化而放大缩小，使得文字看上去大小不变 3 * position:文字模型在场景中的位置坐标 4
**/ 5 againstScale:function(position){ 6 //拷贝参数，防止污染 7 let textPos =
Vec3.MemoryPool.alloc(); 8 Vec3.copy(textPos, position); 9 //场景主相机 10 let
camera =this._viewer.getMainCamera(); 11 //求模型到相机的垂直距离 12 let distance =
camera.distancePointToEye(textPos);13 //返回缩放比 14 return distance * this
._scaleRatio;15 }
这个函数返回的就是一个缩放比例和数字模型“2”到相机距离的乘积，调用这个函数鲫鱼就能获取到数字模型“2”的缩放值是多少。看一下怎么调用的这个函数。
1 /** 2 * 创建几何 3 * root:几何体挂载的根节点 4 * width:宽 5 * height:高 6 *
position:位置坐标 7 * img:图片对象 8 * */ 9 addGeometry:function(root, width,
height, position, img){10 //顶点缓存 11 let w = 0.5*width; 12 let h = 0.5*height; 13
//缩放比 14 let scaleRatio = 1; 15 scaleRatio = this.againstScale(position); 16 w
= w*scaleRatio; 17 h = h*scaleRatio; 18 //顶点数组 19 let vertices = [-w, h, 0, -w,
-h, 0, w, -h, 0, w, h, 0]; 20 let array = new Float32Array(vertices); 21 let
vertexBuffer =new BufferArray(BufferArray.ARRAY_BUFFER, array, 3); 22 //索引缓存 23
let indices = [0, 1, 2, 2, 3, 0]; 24 let index = new Int8Array(indices); 25 let
indexBuffer =new BufferArray(BufferArray.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, index,
index.length);26 //绘制图元 27 let prim = new DrawElements(Primitives.TRIANGLES,
indexBuffer);28 //几何对象 29 let geom = new Geometry(); 30
geom.setBufferArray('Vertex', vertexBuffer); 31 geom.setPrimitive(prim); 32 //
纹理坐标 33 let uvs = [0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1]; 34 let uv = new Float32Array(uvs);
35 let uvBuffer = new BufferArray(BufferArray.ARRAY_BUFFER, uv, 2); 36
geom.setBufferArray('Texture', uvBuffer); 37 //纹理对象 38 let texture = new
Texture();39 texture._target = Texture.TEXTURE_2D; 40
texture.setInternalFormat(Texture.RGBA);41 texture._magFilter = Texture.LINEAR;
42 texture._minFilter = Texture.LINEAR; 43 texture._wrapS =
Texture.CLAMP_TO_EDGE;44 texture._wrapT = Texture.CLAMP_TO_EDGE; 45
texture.setImage(img);46 geom.getStateSet(true).addAttribute(texture,
StateAttribute.OVERRIDE);47 //图片背景透明 48 let bf = new
BlendFunc(BlendFunc.SRC_ALPHA, BlendFunc.ONE_MINUS_SRC_ALPHA);49
geom.getStateSet(true).addAttribute(bf, StateAttribute.OVERRIDE); 50 //几何对象加入根节点
51 root.addChild(geom); 52 //将root的位置平移到position位置 53 let translateMat =
Mat4.MemoryPool.alloc();54 Mat4.fromTranslation(translateMat, position); 55
Mat4.copy(root._matrix, translateMat);56 //根据主相机视口调整模型旋转，保证文字总是面向相机 57 this
.computeMatrix4MainCamera(root._matrix);58 //析构 59
Mat4.MemoryPool.free(translateMat);60 },
好了，再看一下初始化的函数，鲫鱼写的这个sprite功能类就净收眼底了。
1 /** 2 * 文字显示类 3 * */ 4 let Geometry = require('../core/Geometry'); 5
let DrawElements = require('../core/DrawElements'); 6 let Primitives =
require('../core/Primitives'); 7 let StateSet = require('../core/StateSet'); 8
let BufferArray = require('../core/BufferArray'); 9 let Depth =
require('../core/Depth'); 10 let Texture = require('../core/Texture'); 11 let
Texture2D = require('../core/Texture2D'); 12 let BlendFunc =
require('../core/BlendFunc'); 13 let StateAttribute =
require('../core/StateAttribute'); 14 let ShaderFactory =
require('../render/ShaderFactory'); 15 let Mat4 = require('../util/Mat4'); 16
let Vec3 = require('../util/Vec3'); 17 let MatrixTransform =
require('../core/MatrixTransform'); 18 19 let Text = function(){ 20 this
._viewer = undefined;//视图，为了确定相机视口 21 this._root = undefined;//
根节点，在这个根节点下挂载文字长方形 22 this._scaleRatio = 0.0004//缩放比率，可调节 23 }; 24 25
Text.prototype.constructor = Text; 26 Text.prototype = { 27 28 /** 29 * 创建文字对象
30 * viewer:视图对像 31 * root:根节点 32 * width:长方形宽度 33 * height:长方形高度 34 *
position:平面位置坐标35 * */ 36 create:function(viewer, root, width, height,
position){37 this._viewer = viewer; 38 this._root = root; 39 this
.createText(width, height, position);40 }, 41 42 /** 43 * 创建文字对象，文字纹理的载体 44
* width:长方形宽度45 * height:长方形高度 46 * position:平面位置坐标 47 * */ 48 createText:
function(width, height, position){ 49 //长方形对象 50 let plane = new
MatrixTransform(true); 51 //状态对象 52 let stateSet = new StateSet(); 53 //选择纹理着色器
54 stateSet.addAttribute(ShaderFactory.createNavigateAssist.call(this)); 55 //
设置深度值，几何显示在最前端 56 stateSet.addAttribute(new Depth(Depth.LEQUAL, 0, 0.1)); 57 //
自动启用sampler2D采样器 58 stateSet.addAttribute(new Texture2D()); 59 //设置根节点状态 60 this
._root.setStateSet(stateSet);61 //加载图片 62 let img = new Image(); 63 img.src =
TWO_URL;64 //创建几何带纹理 65 this.addGeometry(plane, width, height, position, img);
66 //加入根节点 67 this._root.addChild(plane); 68 },

　　以上是Text.js的构造，鲫鱼是为了做出sprite精灵效果的GUI功能组建单独开发的一个功能类，希望各位同学能喜欢，欢迎讨论学习。下周继续我们的osg引擎源码功能模块的学习。谢谢大家的支持，在此感谢李连俊同学的帮助，使我理清了局部坐标系和全局世界坐标系的关系，再次感谢各位。

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