2022 iThome 鐵人賽

DAY 21

Software Development

30天成為鍵盤麥可貝：前端視覺特效開發實戰系列第 21 篇

Day21: three.js 智慧工廠開發實戰：Dejavu! 讓鏡頭跟著拓海一起飄移：鏡頭追蹤、飄移特效

14th鐵人賽 three.js unproject 鏡頭追蹤 gltf

伍瑪斯

2022-10-06 23:55:04

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本篇將透過鏡頭追蹤實作，使得我們能夠建立一個第三人稱是角，捕捉拓海的蹤影。

鏡頭追蹤與飄移基本上綜合前面好幾篇多種原理組成。

鏡頭是網頁特效中重要的戰場。網頁由於CRUD的操作很多，所以很重視操作體驗。而鏡頭的視角又能綜合滑鼠做出多種效果。本篇以「追蹤」以及「飄移」作主軸示例，並且以智慧工廠AGV作為主題進行開發。

什麼是AGV？

自動導引車(Automated guided vehicle)是智慧工廠常見領域。是這樣的：機器人如果能更有效率的在工廠執行任務（裝卸、災害應變、運送），將能增加工廠的效率。

目前已經有無人車的實際應用，其能夠判斷車輛四周環境判斷路徑與速度。而工廠的AGV也能夠透過光學雷達、內建的地圖來移動。不管路徑中有什麼障礙物，自動駕駛車仍能夠找到最佳路徑移動。

而在經過數位巒生之後，我們能夠透過網頁的儀表板觀察或模擬機具的狀況。而這樣的模擬，就需要前端網頁視覺特效的開發。而我們將專注在鏡頭開發中。

本篇使用網路資源引用機具模型，並且實作固定路線。這並不是AGV實際的模樣，但卻是很好的視覺化範本，同時也能提供給大家使用作為網頁作品。

本篇內容

準備程式碼
鏡頭追蹤
1. 偵測鏡頭是否要追蹤物件
2. 維持鏡頭最佳方向
3. 透過Lerp提升滑鼠體驗
4. 鏡頭看向車輛
鏡頭飄移
1. 反投影原理
2. 偵測滑鼠位置，「反投影」到世界空間
3. 修改鏡頭目標位置（Camera.Target）

完成品

鏡頭追蹤
滑鼠飄移

準備程式碼

同樣是上個範例，不過我這次放大了工廠的場景。

直接複製程式碼即可使用。

CodePen

https://codepen.io/umas-sunavan/pen/KKRxaKN?editors=0010

鏡頭追蹤

AGV完成之後，我們可以幫鏡頭加上追蹤效果。這使我們在檢查AGV移動狀態時能夠讓鏡頭保持聚焦。

偵測鏡頭是否要追蹤物件

邏輯是這樣的：

首先，每幀偵測鏡頭是否距離車輛過遠。
如果過遠，那找出鏡頭與車輛相減後的向量，也就是下圖中的黃色。
每次車輛移動時，都能夠加上該向量，就可以更新鏡頭位置。

以下為程式碼：

const cameraFollowAvg = () => {
	// 先判斷鏡頭跟AVG車輛是否過遠
	const length = agv.position.distanceTo(camera.position)
	if (length > 20) {
		// 接續接下來的程式碼...
	}
}
...
function animate() {
	...
	if (agv) {
		// 在animate中每幀執行一次
		cameraFollowAvg()
	}

}

如果距離過遠，我們就取得攝影機跟車輛的距離。

這距離就成為接下來機具跟攝影機的距離。我們透過該距離找到鏡頭的新位置。

程式碼可以這樣寫：

// 取得鏡頭到AVG車輛的距離
const distance = new THREE.Vector3(0,0,0).subVectors(camera.position, agv.position)
// 將其距離轉成單位向量，使得我們能取得方向
distance.normalize()
// 取得方向之後再乘以固定數值。這麼一來就可以取得固定距離。
distance.multiplyScalar(20)
// 固定距離加在車輛上，就等於鏡頭的距離
distance.add(agv.position)
// 更新鏡頭位置
camera.position.set(...distance.toArray())
// 接續接下來的程式碼...

Untitled

維持鏡頭最佳方向

你可能會察覺：為什麼鏡頭都會往車輛的屁股移動？

這是因為，我們的鏡頭就像「快艇衝浪」一樣，被快艇的繩子牽著走。這使得鏡頭永遠都在物體正後方。

透過`Lerp`提升滑鼠體驗

為了避免這個狀況，我們可以平移鏡頭位置，並且固定鏡頭高度，如下：

// 固定鏡頭高度
distance.setY(15)
// 平移鏡頭位置，鏡頭永遠比車輛落差固定水平距離
distance.add(new THREE.Vector3(1,0,2))
// 用比較圓滑的方式位移
camera.position.lerp(distance, 0.1)
// 刪除這行 -> camera.position.set(...distance.toArray())

lerp()是什麼？我們在第七天「Day7: three.js的一方通行：矢量操作——全面釐清向量與底層特性」有提供解釋。

如此一來，鏡頭就不會貼在車輛的正後方，同時還能維持一定高度。

Untitled

鏡頭看向車輛

const cameraLookAtAgv = () => {
	// 設定鏡頭看向機具位置
	control.target.set(...agv.position.toArray())
	// 更新鏡頭控制
	control.update()
}

function animate() {
	...
	if (agv) {
		...
		cameraLookAtAgv()
	}

}

control.target為什麼能夠使鏡頭看向機具位置？為什麼要透過update更新鏡頭？我在第六天「Day6: three.js 圓弧的藝術家！弧線的教授！——軌道控制器」有提及，有興趣可以回顧。

Untitled

鏡頭飄移

反投影原理

反投影是什麼？

反投影unproject 是一個可以將NDC(Normalized Device Coordinate)轉換成three.js世界座標的函式。也就是說，它是用戶裝置螢幕上的位置，通常是滑鼠位置。而且長度為1，且原點在螢幕中心。

上圖中，上下界都是1，中心點在螢幕正中央。所以粉紅色的位置，就是中間正上方，座標為(0,1)。事實上，在Shader也是使用這個方法描述位置的。

無論你的螢幕是1920x1080，還是1024x768，NDC的(0,0)位置永遠代表螢幕正中央那顆像素，(0,1)永遠代表螢幕正中央上方的像素。

總之，只要把滑鼠位置用上述的NDC座標系統來描述位置，那three.js就可以把這個位置轉換成場景世界座標的位置。
```
const x //滑鼠x位置，範圍為-1~1，中心點為螢幕中央
const y //滑鼠y位置，範圍為-1~1，中心點為螢幕中央
const z //深度，-1為camera的near切面，1為far切面
const dnc = THREE.Vector3(x,y,z)
const worldPosition = dnc.unproject(camera)
// 變數dnc已經轉換成世界座標了
// 同時將回傳dnc自己給worldPosition
```
Z值的深度是什麼？

Z值描述它與鏡頭的遠近。如果設-1，那就會落在鏡頭的near平面，如果設1，就會落在鏡頭的far平面。

如果x與y設置為(0,1)，也就是下圖中粉紅色位置。

而若z設為-1，那麼投影出來的的位置，會在下圖中綠色的點上。

相反的，如果我們把Z設定成1，那就會投影在藍色的點上。

偵測滑鼠位置，「反投影」到世界空間

將滑鼠位置轉成NDC

首先，我們透過mousemove 事件抓取到滑鼠位置，以及Canvas畫面大小。

// 宣告一個變數，儲存NDC資料
const mouseOnNdc = new THREE.Vector3(0,0,-1)
// renderer.domElement乃我們的canvas的DOM
renderer.domElement.addEventListener( 'mousemove' ,event => {
	// 滑鼠X位置
	const mouseX = event.offsetX
	// 螢幕寬度
	const w = renderer.domElement.width
	// 滑鼠Y位置
	const mouseY = event.offsetY
	// 螢幕高度
	const h = renderer.domElement.height
	// 給定X與Y，Z留0就好
	mouseOnNdc.setX(mouseX/w-0.5)
	mouseOnNdc.setY(-mouseY/h+0.5)
})

上面的程式碼中，我們留了mouseOnNdc 變數，使得每幀執行時，可以取得mouseOnNdc 位置

將NDC轉成世界座標

準備好一個三維向量Vector3，其中X為NDC的X位置，Y為NDC的Y位置，Z則是你要投影到的「深度」。

// 宣告一個變數儲存世界座標
let mouseOnWorld = new THREE.Vector3(0,0,-1)
const updateMouseAffectTarget = () => {
	// 為了避免可變物件(mutable)影響，使用clone()來使mouseOnNdc數值不會被更動
	// clone的結果同時也會回傳給mouseOnFrustumTop
	mouseOnWorld = mouseOnNdc.clone().unproject(camera)
}

function animate() {
	...
	if (agv) {
		...
		updateMouseAffectTarget()
	}

}

如果滑鼠位置的NDC為(0,1)，則反投影後會在橘色位置。只要能取得橘色到藍色（即鏡頭位置）的距離向量，就能用來偏移鏡頭的目標（Camera.target）。

const updateMouseAffectTarget = () => {
	mouseOnWorld = mouseOnDnc.clone().unproject(camera)
	// 滑鼠在世界座標的位置跟鏡頭位置相減，得到的落差，就能製作偏移
	const mouseOnWorldToCamera = new THREE.Vector3().subVectors(
		mouseOnWorld, 
		camera.position)
		.normalize();
}

修改鏡頭目標位置

將偏移加到camera.target

const updateMouseAffectTarget = () => {
	mouseOnWorld = mouseOnDnc.clone().unproject(camera)
	const mouseOnWorldToCamera = new THREE.Vector3().subVectors(
		mouseOnWorld, 
		camera.position)
		.normalize();
	// 鏡頭目標的新位置即是車輛位置加上偏移
	control.target.addVectors(mouseOnWorldToCamera.multiplyScalar(10), agv.position)
	control.update()
}

完成之後，我們的滑鼠的位移將可以偏移鏡頭目標

Untitled

偏移得太快速了，我們可以再透過lerp使他更圓滑。

為了使得位移更加圓滑，我加了兩個參數：

idealTarget ：為理想中移動的目標
lerpingTarget：朝向idealTarget移動

取得idealTarget 位置之後，即更新到control.target上

// 理想要的鏡頭目標
let idealTarget = new THREE.Vector3(0,0,0)
// 漸變Lerp途中的鏡頭目標
let lerpingTarget = new THREE.Vector3(0,0,0)

const updateMouseAffectTarget = () => {
-   control.target.addVectors(mouseOnWorldToCamera.multiplyScalar(10), agv.position)
-   control.update()

+   idealTarget.addVectors(mouseOnWorldToCamera.multiplyScalar(10), agv.position)
+   lerpingTarget.lerp(idealTarget,0.1)
+   control.target.set(...lerpingTarget.toArray())
+    control.update()
}

這樣一來，鏡頭飄移跟追蹤就完成了。