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three.js
-ын хуулбар https://github.com/mrdoob/three.js.git


			
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							<!DOCTYPE html><html lang="ko"><head>
    <meta charset="utf-8">
    <title>피킹(Picking)</title>
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    <link rel="stylesheet" href="../resources/lesson.css">
    <link rel="stylesheet" href="../resources/lang.css">
<script type="importmap">
{
  "imports": {
    "three": "../../build/three.module.js"
  }
}
</script>
    <link rel="stylesheet" href="/manual/ko/lang.css">
  </head>
  <body>
    <div class="container">
      <div class="lesson-title">
        <h1>피킹(Picking)</h1>
      </div>
      <div class="lesson">
        <div class="lesson-main">
          <p><em>피킹(picking)</em>이란 사용자가 클릭 또는 터치한 물체를 가려내는 작업을 말합니다. 피킹을 구현하는 방법은 수없이 많지만, 각자 단점이 있습니다. 이 글에서는 이 방법 중 흔히 사용하는 2가지 방법만 살펴보겠습니다.</p>
<p>아마 <em>피킹</em>을 구현하는 가장 흔한 방법은 광선 투사(ray casting)일 겁니다. 광선 투사란 포인터(커서)에서 장면의 절두체로 광선을 쏴 광선이 닿는 물체를 감지하는 기법을 말하죠. 이론적으로 가장 간단한 방법입니다.</p>
<p>먼저 포인터의 좌표를 구한 뒤, 이 좌표를 카메라의 시선과 방향에 따라 3D 좌표로 변환합니다. 그리고 near 면에서 far 면까지의 광선을 구해 이 광선이 장면 안 각 물체의 삼각형과 교차하는지 확인합니다. 만약 장면 안에 1000개의 삼각형을 가진 물체가 1000개 있다면 백만 개의 삼각형을 일일이 확인해야 하는 셈이죠.</p>
<p>이를 최적화하려면 몇 가지 방법을 시도해볼 수 있습니다. 하나는 먼저 물체를 감싼 경계(bounding) 좌표가 광선과 교차하는지 확인하고, 교차하지 않는다면 해당 물체의 삼각형을 확인하지 않는 것이죠.</p>
<p>Three.js에는 이런 작업을 대신해주는 <code class="notranslate" translate="no">RayCaster</code> 클래스가 있습니다.</p>
<p>한번 물체 100개가 있는 장면을 만들어 여기서 피킹을 구현해봅시다. 예제는 <a href="responsive.html">반응형 디자인</a>에서 썼던 예제를 가져와 사용하겠습니다.</p>
<p>우선 카메라를 별도 <a href="/docs/#api/ko/core/Object3D"><code class="notranslate" translate="no">Object3D</code></a>의 자식으로 추가해 카메라가 셀카봉처럼 장면 주위를 돌 수 있도록 합니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">*const fov = 60;
const aspect = 2;  // 캔버스 기본값
const near = 0.1;
*const far = 200;
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(fov, aspect, near, far);
*camera.position.z = 30;

const scene = new THREE.Scene();
+scene.background = new THREE.Color('white');

+// 카메라를 봉(pole)에 추가합니다.
+// 이러면 봉을 회전시켜 카메라가 장면 주위를 돌도록 할 수 있습니다
+const cameraPole = new THREE.Object3D();
+scene.add(cameraPole);
+cameraPole.add(camera);
</pre>
<p>그리고 <code class="notranslate" translate="no">render</code> 함수 안에서 카메라 봉을 돌립니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">cameraPole.rotation.y = time * .1;
</pre>
<p>또한 카메라에 조명을 추가해 조명이 카메라와 같이 움직이도록 합니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">-scene.add(light);
+camera.add(light);
</pre>
<p>정육면체 100개의 위치, 방향, 크기를 무작위로 설정해 생성합니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">const boxWidth = 1;
const boxHeight = 1;
const boxDepth = 1;
const geometry = new THREE.BoxGeometry(boxWidth, boxHeight, boxDepth);

function rand(min, max) {
  if (max === undefined) {
    max = min;
    min = 0;
  }
  return min + (max - min) * Math.random();
}

function randomColor() {
  return `hsl(${ rand(360) | 0 }, ${ rand(50, 100) | 0 }%, 50%)`;
}

const numObjects = 100;
for (let i = 0; i &lt; numObjects; ++i) {
  const material = new THREE.MeshPhongMaterial({
    color: randomColor(),
  });

  const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
  scene.add(cube);

  cube.position.set(rand(-20, 20), rand(-20, 20), rand(-20, 20));
  cube.rotation.set(rand(Math.PI), rand(Math.PI), 0);
  cube.scale.set(rand(3, 6), rand(3, 6), rand(3, 6));
}
</pre>
<p>이제 피킹을 구현해봅시다.</p>
<p>피킹을 관리할 간단한 클래스를 만들겠습니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">class PickHelper {
  constructor() {
    this.raycaster = new THREE.Raycaster();
    this.pickedObject = null;
    this.pickedObjectSavedColor = 0;
  }
  pick(normalizedPosition, scene, camera, time) {
    // 이미 다른 물체를 피킹했다면 색을 복원합니다
    if (this.pickedObject) {
      this.pickedObject.material.emissive.setHex(this.pickedObjectSavedColor);
      this.pickedObject = undefined;
    }

    // 절두체 안에 광선을 쏩니다
    this.raycaster.setFromCamera(normalizedPosition, camera);
    // 광선과 교차하는 물체들을 배열로 만듭니다
    const intersectedObjects = this.raycaster.intersectObjects(scene.children);
    if (intersectedObjects.length) {
      // 첫 번째 물체가 제일 가까우므로 해당 물체를 고릅니다
      this.pickedObject = intersectedObjects[0].object;
      // 기존 색을 저장해둡니다
      this.pickedObjectSavedColor = this.pickedObject.material.emissive.getHex();
      // emissive 색을 빨강/노랑으로 빛나게 만듭니다
      this.pickedObject.material.emissive.setHex((time * 8) % 2 &gt; 1 ? 0xFFFF00 : 0xFF0000);
    }
  }
}
</pre>
<p>위 클래스는 먼저 <code class="notranslate" translate="no">RayCaster</code> 인스턴스를 만들고 <code class="notranslate" translate="no">pick</code> 메서드를 호출하면 장면에 광선을 쏠 수 있게 해줍니다. 그리고 광선에 맞는 요소가 있으면 해당 요소 중 가장 첫 번째 요소의 색을 변경합니다.</p>
<p>사용자가 마우스를 눌렀을 때(down)만 이 함수가 작동하도록 할 수도 있지만, 예제에서는 마우스 포인터 아래의 있는 요소를 피킹하도록 하겠습니다. 이를 구현하려면 먼저 포인터를 추적해야 합니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">const pickPosition = { x: 0, y: 0 };
clearPickPosition();

...

function getCanvasRelativePosition(event) {
  const rect = canvas.getBoundingClientRect();
  return {
    x: (event.clientX - rect.left) * canvas.width  / rect.width,
    y: (event.clientY - rect.top ) * canvas.height / rect.height,
  };
}

function setPickPosition(event) {
  const pos = getCanvasRelativePosition(event);
  pickPosition.x = (pos.x / canvas.width ) *  2 - 1;
  pickPosition.y = (pos.y / canvas.height) * -2 + 1;  // Y 축을 뒤집었음
}

function clearPickPosition() {
  /**
   * 마우스의 경우는 항상 위치가 있어 그다지 큰
   * 상관이 없지만, 터치 같은 경우 사용자가 손가락을
   * 떼면 피킹을 멈춰야 합니다. 지금은 일단 어떤 것도
   * 선택할 수 없는 값으로 지정해두었습니다
   **/
  pickPosition.x = -100000;
  pickPosition.y = -100000;
}

window.addEventListener('mousemove', setPickPosition);
window.addEventListener('mouseout', clearPickPosition);
window.addEventListener('mouseleave', clearPickPosition);
</pre>
<p>위 예제에서는 마우스의 좌표를 정규화(normalize)했습니다. 캔버스의 크기와 상관없이 왼쪽 끝이 -1, 오른쪽 끝이 +1인 벡터값이 필요하기 때문이죠. 마찬가지로 아래쪽 끝은 -1, 위쪽 끝은 +1입니다.</p>
<p>모바일도 환경도 지원하기 위해 리스너를 더 추가하겠습니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">window.addEventListener('touchstart', (event) =&gt; {
  event.preventDefault(); // 스크롤 이벤트 방지
  setPickPosition(event.touches[0]);
}, { passive: false });

window.addEventListener('touchmove', (event) =&gt; {
  setPickPosition(event.touches[0]);
});

window.addEventListener('touchend', clearPickPosition);
</pre>
<p>마지막으로 <code class="notranslate" translate="no">render</code> 함수에서 <code class="notranslate" translate="no">PickHelper</code>의 <code class="notranslate" translate="no">pick</code> 메서드를 호출합니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">+const pickHelper = new PickHelper();

function render(time) {
  time *= 0.001;  // 초 단위로 변환

  ...

+  pickHelper.pick(pickPosition, scene, camera, time);

  renderer.render(scene, camera);

  ...
</pre>
<p>결과를 볼까요?</p>
<p></p><div translate="no" class="threejs_example_container notranslate">
  <div><iframe class="threejs_example notranslate" translate="no" style=" " src="/manual/examples/resources/editor.html?url=/manual/examples/picking-raycaster.html"></iframe></div>
  <a class="threejs_center" href="/manual/examples/picking-raycaster.html" target="_blank">새 탭에서 보기</a>
</div>

<p></p>
<p>딱히 문제는 없어 보입니다. 실제로 사용하는 경우도 대부분 문제 없이 잘 되겠지만, 이 방법에는 몇 가지 문제점이 있습니다.</p>
<ol>
<li><p>CPU의 자원을 사용한다</p>
<p> 자바스크립트 엔진은 각 요소를 돌며 광선이 요소의 경계 좌표 안에 교차하는지 확인합니다. 만약 교차할 경우, 해당 요소의 삼각형을 전부 돌며 광선과 교차하는 삼각형이 있는지 확인합니다.</p>
<p> 이 방식의 장점은 자바스크립트가 교차하는 지점을 정확히 계산해 해당 데이터를 넘겨줄 수 있다는 점입니다. 예를 들어 교차가 발생한 지점에 특정 표시를 할 수 있겠죠.</p>
<p> 대신 CPU가 할 일이 더 늘어난다는 점이 단점입니다. 요소가 가진 삼각형이 많을수록 더 느려지겠죠.</p>
</li>
<li><p>특이한 방식의 쉐이더나 변이를 감지하지 못한다</p>
<p> 만약 장면에서 geometry를 변형하는 쉐이더를 사용한다면, 자바스크립트는 이 변형을 감지하지 못하기에 잘못된 값을 내놓을 겁니다. 제가 테스트해본 결과 스킨이 적용된 요소에는 이 방법이 먹히지 않습니다.</p>
</li>
<li><p>요소의 투명한 구멍을 처리하지 못한다.</p>
</li>
</ol>
<p>예제를 하나 만들어보죠. 아래와 같은 텍스처를 정육면체에 적용해봅시다.</p>
<div class="threejs_center"><img class="checkerboard" src="../examples/resources/images/frame.png"></div>

<p>그다지 추가할 건 많지 않습니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">+const loader = new THREE.TextureLoader();
+const texture = loader.load('resources/images/frame.png');

const numObjects = 100;
for (let i = 0; i &lt; numObjects; ++i) {
  const material = new THREE.MeshPhongMaterial({
    color: randomColor(),
    +map: texture,
    +transparent: true,
    +side: THREE.DoubleSide,
    +alphaTest: 0.1,
  });

  const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
  scene.add(cube);

  ...
</pre>
<p>예제를 실행시키면 바로 문제가 보일 겁니다.</p>
<p></p><div translate="no" class="threejs_example_container notranslate">
  <div><iframe class="threejs_example notranslate" translate="no" style=" " src="/manual/examples/resources/editor.html?url=/manual/examples/picking-raycaster-transparency.html"></iframe></div>
  <a class="threejs_center" href="/manual/examples/picking-raycaster-transparency.html" target="_blank">새 탭에서 보기</a>
</div>

<p></p>
<p>정육면체의 빈 공간을 통해 무언가를 선택할 수가 없죠.</p>
<div class="threejs_center"><img src="../resources/images/picking-transparent-issue.jpg" style="width: 635px;"></div>

<p>이는 자바스크립트가 텍스처나 재질을 보고 해당 요소가 투명한지 판단하기가 어렵기 때문입니다.</p>
<p>이 문제를 해결하려면 GPU 기반 피킹을 구현해야 합니다. 이론적으로는 간단하지만 위에서 사용한 광선 투사법보다는 좀 더 복잡하죠.</p>
<p>GPU 피킹을 구현하려면 각 요소를 별도의 화면에서 고유한 색상으로 렌더링해야 합니다. 그리고 포인터 아래에 있는 픽셀의 색을 가져와 해당 요소가 선택됐는지 확인하는 거죠.</p>
<p>이러면 위에서 언급한 문제점 2, 3번이 해결됩니다. 1번, 성능의 경우는 상황에 따라 천차만별이죠. 눈에 보이는 화면을 위해 한 번, 피킹을 위해 한 번, 이렇게 매 요소를 총 두 번씩 렌더링해야 합니다. 더 복잡한 해결책을 쓰면 렌더링을 한 번만 할 수도 있지만, 이 글에서는 일단 더 간단한 방법을 사용하겠습니다.</p>
<p>성능 최적화를 위해 시도할 수 있는 방법이 하나 있습니다. 어차피 픽셀을 하나만 읽을 것이니, 카메라를 픽셀 하나만 렌더링하도록 설정하는 것이죠. <a href="/docs/#api/ko/cameras/PerspectiveCamera.setViewOffset"><code class="notranslate" translate="no">PerspectiveCamera.setViewOffset</code></a> 메서드를 사용하면 카메라의 특정 부분만 렌더링하도록 할 수 있습니다. 이러면 성능 향상에 조금이나마 도움이 되겠죠.</p>
<p>현재 Three.js에서 이 기법을 구현하려면 장면 2개를 사용해야 합니다. 하나는 기존 mesh를 그대로 쓰고, 나머지 하나는 피킹용 재질을 적용한 mesh를 쓸 겁니다.</p>
<p>먼저 두 번째 장면을 추가하고 배경을 검정으로 지정합니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">const scene = new THREE.Scene();
scene.background = new THREE.Color('white');
const pickingScene = new THREE.Scene();
pickingScene.background = new THREE.Color(0);
</pre>
<p>각 정육면체를 장면에 추가할 때 <code class="notranslate" translate="no">pickingScene</code>의 같은 위치에 "피킹용 정육면체"를 추가합니다. 그리고 각 피킹용 정육면체에는 id로 쓸 고유 색상값을 지정한 뒤, 이 id 색상값으로 재질을 만들어 추가합니다. id 색상값을 정육면체의 키값으로 매핑해 놓으면 나중에 상응하는 정육면체를 바로 불러올 수 있겠죠.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">const idToObject = {};
+const numObjects = 100;
for (let i = 0; i &lt; numObjects; ++i) {
+  const id = i + 1;
  const material = new THREE.MeshPhongMaterial({
    color: randomColor(),
    map: texture,
    transparent: true,
    side: THREE.DoubleSide,
    alphaTest: 0.1,
  });

  const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
  scene.add(cube);
+  idToObject[id] = cube;

  cube.position.set(rand(-20, 20), rand(-20, 20), rand(-20, 20));
  cube.rotation.set(rand(Math.PI), rand(Math.PI), 0);
  cube.scale.set(rand(3, 6), rand(3, 6), rand(3, 6));

+  const pickingMaterial = new THREE.MeshPhongMaterial({
+    emissive: new THREE.Color().setHex(id, THREE.NoColorSpace),
+    color: new THREE.Color(0, 0, 0),
+    specular: new THREE.Color(0, 0, 0),
+    map: texture,
+    transparent: true,
+    side: THREE.DoubleSide,
+    alphaTest: 0.5,
+    blending: THREE.NoBlending,
+  });
+  const pickingCube = new THREE.Mesh(geometry, pickingMaterial);
+  pickingScene.add(pickingCube);
+  pickingCube.position.copy(cube.position);
+  pickingCube.rotation.copy(cube.rotation);
+  pickingCube.scale.copy(cube.scale);
}
</pre>
<p>위 코드에서는 <a href="/docs/#api/ko/materials/MeshPhongMaterial"><code class="notranslate" translate="no">MeshPhongMaterial</code></a>로 편법을 사용했습니다. <code class="notranslate" translate="no">emissive</code> 속성을 id 색상값으로, <code class="notranslate" translate="no">color</code>와 <code class="notranslate" translate="no">specular</code> 속성을 0으로 설정하면 텍스처의 알파값이 <code class="notranslate" translate="no">alphaTest</code>보다 큰 부분만 id 색상값으로 보이겠죠. 또 <code class="notranslate" translate="no">blending</code> 속성을 <code class="notranslate" translate="no">THREE.NoBlending</code>으로 설정해 id 색상값이 알파값의 영향을 받지 않도록 했습니다.</p>
<p>제가 사용한 편법이 최적의 해결책은 아닙니다. 여러가지 옵션을 껐다고 해도 여전히 조명 관련 연산을 실행할 테니까요. 코드를 더 최적화하려면 <code class="notranslate" translate="no">alphaTest</code> 값보다 높은 경우에만 id 색상을 렌더링하는 쉐이더를 직접 만들어야 합니다.</p>
<p>광선 투사법을 쓸 때와 달리 픽셀을 하나만 사용하므로 위치값이 픽셀 하나만 가리키게 변경합니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">function setPickPosition(event) {
  const pos = getCanvasRelativePosition(event);
-  pickPosition.x = (pos.x / canvas.clientWidth ) *  2 - 1;
-  pickPosition.y = (pos.y / canvas.clientHeight) * -2 + 1;  // Y 축을 뒤집었음
+  pickPosition.x = pos.x;
+  pickPosition.y = pos.y;
}
</pre>
<p><code class="notranslate" translate="no">PickHelper</code> 클래스도 <code class="notranslate" translate="no">GPUPickHelper</code>로 변경합니다. <a href="rendertargets.html">렌더 타겟(render target)에 관한 글</a>에서 다룬 <a href="/docs/#api/ko/renderers/WebGLRenderTarget"><code class="notranslate" translate="no">WebGLRenderTarget</code></a>을 써 구현하되, 이번 렌더 타겟의 크기는 1x1, 1픽셀입니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">-class PickHelper {
+class GPUPickHelper {
  constructor() {
-    this.raycaster = new THREE.Raycaster();
+    // 1x1 픽셀 크기의 렌더 타겟을 생성합니다
+    this.pickingTexture = new THREE.WebGLRenderTarget(1, 1);
+    this.pixelBuffer = new Uint8Array(4);
    this.pickedObject = null;
    this.pickedObjectSavedColor = 0;
  }
  pick(cssPosition, scene, camera, time) {
+    const {pickingTexture, pixelBuffer} = this;

    // 기존에 선택된 요소가 있는 경우 색을 복원합니다
    if (this.pickedObject) {
      this.pickedObject.material.emissive.setHex(this.pickedObjectSavedColor);
      this.pickedObject = undefined;
    }

+    // view offset을 마우스 포인터 아래 1픽셀로 설정합니다
+    const pixelRatio = renderer.getPixelRatio();
+    camera.setViewOffset(
+        renderer.getContext().drawingBufferWidth,   // 전체 너비
+        renderer.getContext().drawingBufferHeight,  // 전체 높이
+        cssPosition.x * pixelRatio | 0,             // 사각 x 좌표
+        cssPosition.y * pixelRatio | 0,             // 사각 y 좌표
+        1,                                          // 사각 좌표 width
+        1,                                          // 사각 좌표 height
+    );
+    // 장면을 렌더링합니다
+    renderer.setRenderTarget(pickingTexture)
+    renderer.render(scene, camera);
+    renderer.setRenderTarget(null);
+
+    // view offset을 정상으로 돌려 원래의 화면을 렌더링하도록 합니다
+    camera.clearViewOffset();
+    // 픽셀을 감지합니다
+    renderer.readRenderTargetPixels(
+        pickingTexture,
+        0,   // x
+        0,   // y
+        1,   // width
+        1,   // height
+        pixelBuffer);
+
+    const id =
+        (pixelBuffer[0] &lt;&lt; 16) |
+        (pixelBuffer[1] &lt;&lt;  8) |
+        (pixelBuffer[2]      );

    // 절두체 안에 광선을 쏩니다
-    this.raycaster.setFromCamera(normalizedPosition, camera);
    // 광선과 교차하는 물체들을 배열로 만듭니다
-    const intersectedObjects = this.raycaster.intersectObjects(scene.children);
-    if (intersectedObjects.length) {
      // 첫 번째 물체가 제일 가까우므로 해당 물체를 고릅니다
-      this.pickedObject = intersectedObjects[0].object;

+    const intersectedObject = idToObject[id];
+    if (intersectedObject) {
      // 첫 번째 물체가 제일 가까우므로 해당 물체를 고릅니다
+      this.pickedObject = intersectedObject;
      // 기존 색을 저장해둡니다
      this.pickedObjectSavedColor = this.pickedObject.material.emissive.getHex();
      // emissive 색을 빨강/노랑으로 빛나게 만듭니다
      this.pickedObject.material.emissive.setHex((time * 8) % 2 &gt; 1 ? 0xFFFF00 : 0xFF0000);
    }
  }
}
</pre>
<p>인스턴스를 만드는 쪽도 수정합니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">-const pickHelper = new PickHelper();
+const pickHelper = new GPUPickHelper();
</pre>
<p><code class="notranslate" translate="no">pick</code> 메서드를 호출할 때 <code class="notranslate" translate="no">scene</code> 대신 <code class="notranslate" translate="no">pickScene</code>을 넘겨줍니다.</p>
<pre class="prettyprint showlinemods notranslate lang-js" translate="no">-  pickHelper.pick(pickPosition, scene, camera, time);
+  pickHelper.pick(pickPosition, pickScene, camera, time);
</pre>
<p>이제 투명한 부분을 관통해 요소를 선택할 수 있습니다.</p>
<p></p><div translate="no" class="threejs_example_container notranslate">
  <div><iframe class="threejs_example notranslate" translate="no" style=" " src="/manual/examples/resources/editor.html?url=/manual/examples/picking-gpu.html"></iframe></div>
  <a class="threejs_center" href="/manual/examples/picking-gpu.html" target="_blank">새 탭에서 보기</a>
</div>

<p></p>
<p>이 글이 피킹을 구현하는 데 도움이 되었으면 좋겠네요. 나중에 요소를 마우스로 조작하는 법에 대해서도 한 번 써보겠습니다.</p>

        </div>
      </div>
    </div>

  <script src="../resources/prettify.js"></script>
  <script src="../resources/lesson.js"></script>


</body></html>