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Three.js 中 CubeCamera 的使用详解

少陵野老 2024-10-15 11:20:17

88 CubeCamera 专栏

在 Three.js 中，CubeCamera 是一种非常特殊的摄像机，它能够从场景的六个方向（前后左右上下）拍摄，并生成立方体贴图。这种立方体贴图广泛用于反射、折射和环境映射等效果。无论是制作镜面反射、全景图，还是生成高质量的反射材质，CubeCamera 都是一个非常有用的工具。

本文将详细介绍 Three.js 中 CubeCamera 的使用，涵盖其所有的属性和方法，并通过丰富的示例代码来帮助你理解如何在项目中使用它进行 3D 场景的反射渲染。

1. 什么是 `CubeCamera`？

CubeCamera 是一个能够生成立方体贴图的摄像机。它会从场景的六个不同方向拍摄：左、右、上、下、前、后，最终生成一组立方体纹理。每个方向的图像可以应用于材质的 envMap 属性，从而使 3D 对象表现出反射、折射等效果。

1.1 CubeCamera的使用场景

反射与折射：模拟物体表面反射环境中的其他物体，比如镜子、水面、金属等。
环境映射：为场景生成动态的环境贴图，使得物体能根据场景中的光线与其他物体变化而呈现不同的视觉效果。
全景图生成：通过 CubeCamera 可以捕获场景的全景视图，生成 360 度的全景图像。

2. CubeCamera 的基础使用

2.1 创建 CubeCamera

CubeCamera 的构造函数需要三个参数：

near：最近的可见距离。
far：最远的可见距离。
cubeResolution：立方体贴图的分辨率。

const cubeCamera = new THREE.CubeCamera(1, 1000, 256);
scene.add(cubeCamera);

在上面的代码中，我们创建了一个 CubeCamera，near 为 1，far 为 1000，立方体贴图的分辨率为 256x256 像素。

2.2 捕获场景

CubeCamera 能够捕获当前场景中的图像，并生成对应的立方体贴图。捕获的方法是 cubeCamera.update(renderer, scene)，这个方法会让摄像机从六个不同方向捕获场景。

cubeCamera.update(renderer, scene);

2.3 将立方体贴图应用到材质

一旦 CubeCamera 生成了立方体贴图，你可以将该贴图作为材质的 envMap，从而使物体具备反射效果。

const reflectiveMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({
  envMap: cubeCamera.renderTarget.texture
});

在这个例子中，我们创建了一个简单的基础材质，并将 CubeCamera 的渲染结果作为它的 envMap，从而为物体添加环境反射效果。

2.4 完整的基本示例

// 创建场景
const scene = new THREE.Scene();

// 创建透视摄像机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
camera.position.set(0, 0, 5);

// 创建WebGL渲染器
const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

// 创建CubeCamera
const cubeCamera = new THREE.CubeCamera(1, 1000, 256);
scene.add(cubeCamera);

// 创建立方体并使用CubeCamera生成的纹理作为材质
const geometry = new THREE.BoxGeometry();
const reflectiveMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({ envMap: cubeCamera.renderTarget.texture });
const cube = new THREE.Mesh(geometry, reflectiveMaterial);
scene.add(cube);

// 创建光源
const light = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 1);
light.position.set(5, 5, 5).normalize();
scene.add(light);

// 动画循环
function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);

  // 旋转立方体
  cube.rotation.x += 0.01;
  cube.rotation.y += 0.01;

  // 捕捉场景
  cube.visible = false;  // 为了避免自我反射，将立方体隐藏
  cubeCamera.update(renderer, scene);
  cube.visible = true;   // 恢复可见性

  // 渲染场景
  renderer.render(scene, camera);
}

animate();

在这个示例中，我们创建了一个简单的场景，包含一个旋转的立方体，并使用 CubeCamera 来捕捉场景。然后将捕捉的立方体贴图应用到立方体的材质上，生成动态反射效果。

3. 动态更新反射材质

在实际应用中，场景中的物体通常是动态变化的。为了保持反射的实时性，我们需要在每一帧都更新 CubeCamera 的捕捉内容。

3.1 隐藏对象以避免自反射

当我们使用 CubeCamera 捕捉场景时，需要注意避免将反射对象自身包含在反射中。否则，物体会在反射中出现自我反射的现象。这可以通过在捕捉时临时隐藏物体来解决。

cube.visible = false;  // 捕捉前隐藏物体
cubeCamera.update(renderer, scene);  // 捕捉场景
cube.visible = true;  // 捕捉后恢复可见性

在每一帧渲染之前，我们首先隐藏需要反射的物体，调用 CubeCamera.update() 捕捉场景，最后再恢复物体的可见性。

4. 使用 CubeCamera 生成环境映射

除了为单个物体生成反射效果，CubeCamera 还可以用于生成整个场景的环境映射（Environment Mapping），从而为多个物体提供统一的反射环境。

4.1 使用 CubeCamera 生成环境纹理

你可以创建一个 CubeCamera，并在场景初始化时使用它生成环境纹理，然后将该纹理应用到多个物体的材质中。

// 初始化时捕捉场景并生成环境映射纹理
cubeCamera.update(renderer, scene);
const envMap = cubeCamera.renderTarget.texture;

// 将生成的环境贴图应用到多个物体
const sphereMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({ envMap });
const cubeMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({ envMap });

在这个示例中，envMap 可以被多个物体共享，从而使它们都呈现出统一的反射效果。

5. 性能优化

虽然 CubeCamera 能够生成高质量的反射效果，但频繁地捕捉整个场景会带来性能上的开销。以下是一些优化建议：

减少分辨率：降低立方体贴图的分辨率可以显著提高渲染性能，但会牺牲一些细节。可以在创建 CubeCamera 时设置较低的 cubeResolution 值。
降低更新频率：不必在每一帧都更新反射贴图。如果场景变化不大，可以根据需要定期更新。
选择性更新：在大型场景中，可以只为需要反射效果的特定区域使用 CubeCamera，从而减少计算量。

const cubeCamera = new THREE.CubeCamera(1, 1000, 128); // 降低分辨率

6. 结合其他组件使用

CubeCamera 可以与 Three.js 中的其他组件结合使用，比如灯光、阴影、粒子系统等，以创造出更具视觉冲击力的效果。你还可以将 CubeCamera 捕获到的环境映射应用于 PBR 材质（物理渲染材质）中，从而生成更为真实的光影效果。

6.1 与灯光和阴影结合

const light = new THREE.PointLight(0xffffff, 1, 100);
light.position.set(10, 10, 10);
scene.add(light);

const reflectiveMaterial = new THREE.MeshStandardMaterial({
  envMap: cubeCamera.renderTarget.texture,
  metalness: 1,
  roughness: 0
});

通过将 CubeCamera 生成的 envMap 应用于 MeshStandardMaterial，我们可以创建带有金属光泽和反射效果的物体，并与光源产生互动。