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从入门到精通 Three.js 的 Earcut

少陵野老 2024-10-21 18:56:19

82 Earcut 专栏

在 Three.js 中，Earcut 是一个非常强大的工具库，主要用于将复杂的多边形（特别是凹多边形）分割成一系列的三角形，便于后续的渲染。它广泛应用于计算机图形学中的“耳切三角剖分”算法，常常被用于将不规则的几何体转换为可以渲染的三角形网格。

本文将详细介绍 Earcut 的使用，包括它在 Three.js 中的实现、方法、属性，以及如何将它与其他 Three.js 组件结合，帮助你实现高效的三角化操作。

1. 什么是 Earcut？

Earcut 是一个用于二维多边形三角剖分的算法，它通过递归地切割“耳朵”（即多边形中可以切割出的三角形部分）来分割复杂的多边形。它不仅能处理凸多边形，还能处理凹多边形。Three.js 使用 Earcut 来处理那些需要将复杂形状转化为三角形的情况，特别是在地形建模、复杂物体的绘制等场景中。

2. 在 Three.js 中使用 Earcut

Three.js 本身通过 THREE.Earcut 类封装了 Earcut 库，允许我们快速实现多边形的三角化。这个类提供了方便的接口来将多边形分解成多个三角形，并将结果应用到 BufferGeometry 中。

2.1 `Earcut` 类的主要方法

earcut()
earcut() 是 Earcut 的主要方法，它负责执行多边形的三角化操作，返回一个由三角形索引组成的数组。我们可以将其用于处理复杂几何体的顶点和索引数据。

参数：
- vertices: 一个包含多边形顶点的平面数组（即 x, y 值）。
- holes: 如果存在孔洞，提供一个包含每个孔洞开始索引的数组。
- dimensions: 顶点数组的维度，通常为 2（即 x, y）或 3（即 x, y, z）。
返回值：
- 返回一个包含三角形顶点索引的数组。

示例：

const vertices = [
  0, 0,  // 顶点 1
  1, 0,  // 顶点 2
  1, 1,  // 顶点 3
  0, 1   // 顶点 4
];

// 使用 Earcut 将四边形转化为两个三角形
const indices = THREE.Earcut.earcut(vertices, [], 2);

console.log(indices);  // 输出： [0, 1, 2, 0, 2, 3]

在这个示例中，earcut() 方法将一个简单的四边形分割成了两个三角形，返回的 indices 数组包含了三角形的顶点索引。

earcut 的高级用法：支持孔洞

Earcut 支持具有孔洞的多边形，也就是说，除了多边形的外部边界外，内部还可以有不参与渲染的区域（孔洞）。这种情况通常在复杂的建筑物模型、地形等应用中出现。

示例：带孔的多边形

const vertices = [
  0, 0,  // 顶点 1
  1, 0,  // 顶点 2
  1, 1,  // 顶点 3
  0, 1,  // 顶点 4
  0.3, 0.3, // 孔洞顶点 5
  0.7, 0.3, // 孔洞顶点 6
  0.7, 0.7, // 孔洞顶点 7
  0.3, 0.7  // 孔洞顶点 8
];

// 定义孔洞的起始索引
const holes = [4];  // 孔洞从索引 4 开始

// 使用 Earcut 三角化，返回的索引会剔除孔洞部分
const indices = THREE.Earcut.earcut(vertices, holes, 2);

console.log(indices);  // 输出： [0, 1, 4, 0, 4, 3, 1, 2, 4, 2, 5, 4]

在这个示例中，earcut() 方法能够识别外部多边形的边界，并处理内部的孔洞。返回的 indices 数组会正确地分割出包含孔洞的三角形。

3. 将 Earcut 与 Three.js 结合使用

Earcut 通常与 THREE.BufferGeometry 一起使用，因为 BufferGeometry 是 Three.js 中推荐的几何体类型，它适合处理大规模的顶点和面数据。以下是一个将 Earcut 用于自定义几何体的示例。

3.1 创建自定义三角形几何体

假设你想创建一个带有孔洞的自定义多边形，并使用 Earcut 将其转换为可以渲染的三角形几何体。

示例：

const vertices = [
  0, 0,  // 顶点 1
  1, 0,  // 顶点 2
  1, 1,  // 顶点 3
  0, 1,  // 顶点 4
  0.3, 0.3, // 孔洞顶点 5
  0.7, 0.3, // 孔洞顶点 6
  0.7, 0.7, // 孔洞顶点 7
  0.3, 0.7  // 孔洞顶点 8
];

// 定义孔洞的起始索引
const holes = [4];  // 孔洞从索引 4 开始

// 使用 Earcut 进行三角化
const indices = THREE.Earcut.earcut(vertices, holes, 2);

// 创建 BufferGeometry
const geometry = new THREE.BufferGeometry();
geometry.setIndex(indices);
geometry.setAttribute('position', new THREE.Float32BufferAttribute(vertices, 2));

// 创建材质并添加到网格中
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000, side: THREE.DoubleSide });
const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material);

// 将网格添加到场景中
scene.add(mesh);

在这个示例中，使用 Earcut 对一个具有孔洞的多边形进行三角化，并将结果应用到 BufferGeometry 中，然后将几何体渲染为一个网格。

3.2 使用 Earcut 与地形和复杂模型结合

在一些复杂的地形建模、建筑物建模中，我们可以使用 Earcut 来处理具有多个孔洞或复杂形状的模型，确保这些模型能够正确地被分割成三角形。

示例：地形建模

// 假设我们有一个复杂的地形多边形数据
const terrainVertices = [
  0, 0,  // 顶点 1
  10, 0, // 顶点 2
  10, 10, // 顶点 3
  0, 10, // 顶点 4
  5, 5   // 顶点 5（中间点）
];

// 定义多边形的索引和孔洞
const terrainIndices = THREE.Earcut.earcut(terrainVertices, [], 2);

// 创建 BufferGeometry
const terrainGeometry = new THREE.BufferGeometry();
terrainGeometry.setIndex(terrainIndices);
terrainGeometry.setAttribute('position', new THREE.Float32BufferAttribute(terrainVertices, 2));

// 创建材质并应用到网格
const terrainMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00, wireframe: true });
const terrainMesh = new THREE.Mesh(terrainGeometry, terrainMaterial);

// 将地形网格添加到场景中
scene.add(terrainMesh);

4. Earcut 的性能优势

高效的三角化：Earcut 使用的是递归分割算法，对于大多数常见的多边形，性能表现非常优异。它比传统的三角剖分算法要更高效，特别是在处理带有孔洞的复杂形状时。
WebGL 优化：通过将多边形转化为三角形，Earcut 使得 WebGL 能够更有效地渲染和处理几何数据。在 Three.js 中，我们可以直接利用它生成适合渲染的三角形数据。
易于与 Three.js 配合使用：Earcut 与 Three.js 的 BufferGeometry 类配合得非常好，能直接生成适合 GPU 渲染

的数据格式。

5. 总结

本文深入探讨了 Three.js 中的 Earcut 库，介绍了它的基本概念、使用方法及常见的应用场景。Earcut 作为一个高效的三角剖分工具，广泛应用于复杂几何体的处理，特别是在地形建模、建筑物建模等领域。通过将 Earcut 与 Three.js 的 BufferGeometry 和其他组件结合，你可以创建出高效且复杂的三维模型。

希望本文的内容能帮助你更好地理解和应用 Earcut，并在你的 Three.js 项目中实现更高效的几何体渲染。

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