深入理解Three.js（WebGL）贴图（纹理映射）和UV映射

本文将详细描述如何使用Three.js给3D对象添加贴图（Texture Map，也译作纹理映射，“贴图”的翻译要更直观，而“纹理映射”更准确。）。为了能够查看在线演示效果，你需要有一个兼容WebGL的现代浏览器（最好是Chrome/FireFox/Safari/Edge/IE11+）。

本文的在线演示结果和代码请点击这里：Three.js贴图实例。

什么是贴图（Texture Mapping）

贴图是通过将图像应用到对象的一个或多个面，来为3D对象添加细节的一种方法。

这使我们能够添加表面细节，而无需将这些细节建模到我们的3D对象中，从而大大精简3D模型的多边形边数，提高模型渲染性能。

开始吧

这里方便起见，我们使用踏得网在线开发工具来一步步边学边操作。

请点击新建作品，在第三方库中选择Three.js 80版本，这将自动加载对应版本的Three.js开发库（注：你也可以直接把<script src="http://wow.techbrood.com/libs/three.r73.js"></script>拷贝到HTML代码面板中去）。

首先我们创建一个立方体，在JavaScript面板中编写代码如下：

var camera;

var scene;

var renderer;

var mesh;

init();

animate();

function init() {

scene = new THREE.Scene();

camera = new THREE.PerspectiveCamera( 70, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000);

var light = new THREE.DirectionalLight( 0xffffff );

light.position.set( 0, 1, 1 ).normalize();

scene.add(light);

var geometry = new THREE.CubeGeometry( 10, 10, 10);

var material = new THREE.MeshPhongMaterial( { ambient: 0x050505, color: 0x0033ff, specular: 0x555555, shininess: 30 } );

mesh = new THREE.Mesh(geometry, material );

mesh.position.z = -50;

scene.add( mesh );

renderer = new THREE.WebGLRenderer();

renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );

document.body.appendChild( renderer.domElement );

window.addEventListener( 'resize', onWindowResize, false );

render();

}

function animate() {

mesh.rotation.x += .04;

mesh.rotation.y += .02;

render();

requestAnimationFrame( animate );

}

function render() {

renderer.render( scene, camera );

}

function onWindowResize() {

camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;

camera.updateProjectionMatrix();

renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );

render();

}

点击菜单栏中的[运行]菜单（），或者按快捷键：CTRL+R，来运行该代码，你将看到一个旋转的蓝色立方体：

我们接下来要做的就是把这个立方体变成一个游戏里常见的木箱子，如下图所示：

为此我们需要一张箱子表面的图像，并用这张图像映射到立方体对象的材料中去，

这里我们直接使用在线图片http://wow.techbrood.com/uploads/1702/crate.jpg.

JS代码中修改之前的材料（material）创建代码:

1	`var` `material =` `new` `THREE.MeshPhongMaterial( { ambient: 0x050505, color: 0x0033ff, specular: 0x555555, shininess: 30 } );`

为使用贴图:

1	`var` `material =` `new` `THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture('http://wow.techbrood.com/uploads/1702/crate.jpg') } );`

再运行下（按[运行]菜单或CTRL+R快捷键），你会看到一个旋转的板条箱，而不是一个普通的蓝色立方体。

在构造我们的材质时，我们指定了texture属性并将其值设置为木箱图像，Three.js然后会加载纹理图像并映射到立方体各个面上。

那么，问题是如果我们想给不同的面添加不同的纹理贴图，该怎么办呢？

一种方法是使用材料数组，我们创建6个新材料，每一个使用不同的纹理贴图：bricks.jpg，clouds.jpg，stone-wall.jpg，water.jpg，wood-floor.jpg以及上面的crate.jpg。

相应的，我们把材料构造代码修改为：

 var material1 = new THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture('/uploads/1702/crate.jpg') } );
var material2 = new THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture('/uploads/1702/bricks.jpg') } );
var material3 = new THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture('/uploads/1702/clouds.jpg') } );
var material4 = new THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture('/uploads/1702/stone-wall.jpg') } );
var material5 = new THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture('/uploads/1702/water.jpg') } );
var material6 = new THREE.MeshPhongMaterial( { 
map: THREE.ImageUtils.loadTexture('/uploads/1702/wood-floor.jpg') } );
var materials = [material1, material2, material3, material4, material5, material6];
var meshFaceMaterial = new THREE.MeshFaceMaterial( materials );

上述代码，我们先分别创建了6个材料，组成了一个材料数组，并使用这个数组创建一个MeshFaceMaterial对象。

最后，我们需要告诉我们的3D模型来使用这个新的组合“面材料”，修改下面的代码：

1	`mesh =` `new` `THREE.Mesh(geometry, material );`

为：

1	`mesh =` `new` `THREE.Mesh(geometry, meshFaceMaterial);`

再运行下（按[运行]菜单或CTRL+R快捷键），你就将看到立方体的各个表面使用了不同的贴图。

这很酷，Three.js会自动把数组中的这些材料应用到不同的面上去。

但问题又来了，随着3D模型的面的增长，为每个面创建贴图是不现实的。

这就是为什么我们需要另外一种更为普遍的解决方法：UV映射的原因。

UV映射（UV Mapping）

UV映射最典型的例子就是把一张地图映射到3D球体的地球仪上去。其本质上就是把平面图像的不同区块映射到3D模型的不同面上去。我们把之前的6张图拼装成如下的一张图：http://wow.techbrood.com/uploads/160801/texture-atlas.jpg.

修改如下代码：

var material1 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture('images/crate.jpg') } );

var material2 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture('images/bricks.jpg') } );

var material3 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture('images/clouds.jpg') } );

var material4 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture('images/stone-wall.jpg') } );

var material5 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture('images/water.jpg') } );

var material6 = new THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture('images/wood-floor.jpg') } );

为：

1	`var` `material =` `new` `THREE.MeshPhongMaterial( { map: THREE.ImageUtils.loadTexture('images/texture-atlas.jpg') } );`

我们又把代码给改回来使用一张贴图了，接下来我们需要把贴图的不同位置映射到立方体不同的面上去。

首先我们创建贴图的6个子图，在创建完材料的代码后面添加如下几行：

var bricks = [new THREE.Vector2(0, .666), new THREE.Vector2(.5, .666), new THREE.Vector2(.5, 1), new THREE.Vector2(0, 1)];

var clouds = [new THREE.Vector2(.5, .666), new THREE.Vector2(1, .666), new THREE.Vector2(1, 1), new THREE.Vector2(.5, 1)];

var crate = [new THREE.Vector2(0, .333), new THREE.Vector2(.5, .333), new THREE.Vector2(.5, .666), new THREE.Vector2(0, .666)];

var stone = [new THREE.Vector2(.5, .333), new THREE.Vector2(1, .333), new THREE.Vector2(1, .666), new THREE.Vector2(.5, .666)];

var water = [new THREE.Vector2(0, 0), new THREE.Vector2(.5, 0), new THREE.Vector2(.5, .333), new THREE.Vector2(0, .333)];

var wood = [new THREE.Vector2(.5, 0), new THREE.Vector2(1, 0), new THREE.Vector2(1, .333), new THREE.Vector2(.5, .333)];

上面的代码创建了六个数组，每一个对应于纹理贴图中的每个子图像。每个数组包含4个点，定义子图像的边界。坐标的范围值是0到1，(0,0)表示左下角，(1,1)表示右上角。

子图像的坐标是根据贴图中百分比来定义。比如下面这个砖头子图像：

var bricks = [

new THREE.Vector2(0, .666),

new THREE.Vector2(.5, .666),

new THREE.Vector2(.5, 1),

new THREE.Vector2(0, 1)

];

在贴图中的位置在左上角（占据横向1/2，竖向1/3的位置），以逆时针方向来定义顶点坐标，从该子图像较低的左下角开始。

左下角:
0 - 最左边
.666 - 底部向上2/3处

右下角:
.5 - 中间线
.666 - 底部向上2/3处

右上角:
.5 - 中间线
1 - 顶边

右上角：
0 - 最左边
1 - 顶边

定义好子图像后，我们现在需要把它们映射到立方体的各个面上去。首先添加如下代码:

1	`geometry.faceVertexUvs[0] = [];`

上述代码清除现有的UV映射，接着我们添加如下代码:

geometry.faceVertexUvs[0][0] = [ bricks[0], bricks[1], bricks[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][1] = [ bricks[1], bricks[2], bricks[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][2] = [ clouds[0], clouds[1], clouds[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][3] = [ clouds[1], clouds[2], clouds[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][4] = [ crate[0], crate[1], crate[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][5] = [ crate[1], crate[2], crate[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][6] = [ stone[0], stone[1], stone[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][7] = [ stone[1], stone[2], stone[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][8] = [ water[0], water[1], water[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][9] = [ water[1], water[2], water[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][10] = [ wood[0], wood[1], wood[3] ];

geometry.faceVertexUvs[0][11] = [ wood[1], wood[2], wood[3] ];

geometry对象的faceVertexUvs属性包含该geometry各个面的坐标映射。既然我们映射到一个多维数据集，你可能会疑惑为什么数组中有12个面。原因是在ThreeJS模型中，立方体的每个面实际上是由2个三角形组成的。所以我们必须单独映射每个三角形。上述场景中，ThreeJS将为我们加载单一材料贴图，自动分拆成三角形并映射到每个面。

这里要注意每个面的顶点坐标的定义顺序必须遵循逆时针方向。为了映射底部三角形，我们需要使用的顶点指数0，1和3，而要映射顶部三角形，我们需要使用索引1，2，和顶点的3。