3d transform的坐标空间及位置

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所属分类:HTML5+CSS3

 

css里的3d理念

使用css3的3d transform,就可以在平面的网页里添加炫酷的三维视觉效果,这很令人愉悦。

需要注意的是,3d transform只是css的一部分,它并不是一个三维引擎(3d engine)。三维引擎一般是这样的(游戏引擎Unity3D):3d transform的坐标空间及位置

包括JavaScript 3D库three.js在内,简单来说,它们这些可以称为三维引擎的,都会包括:

  • 独立的三维坐标系统。
  • 几何图形和材质贴图。
  • 光照和摄像机。

3d transform和它们相比起来,是缺少这些内容的。毕竟,css的关注点是网页样式,而不是创建虚拟空间。

尽管3d transform的三维空间能力有所不足,但它仍然可以创建出很棒的三维效果。这就需要我们开发者来用心了。

在下面的内容开始之前,如果你还对perspective等3d transform相关的css属性完全不了解,可以阅读我以前写的css三维变换的文章

3d transform的坐标系统

我们很熟悉的网页是平面的,一个DOM元素,比如一个<div>它会有一个初始坐标系(initial coordinate system):3d transform的坐标空间及位置

每一个DOM元素都有一个这样的初始坐标系。其中,原点位于元素的左上角,z轴指向观察者(也就是屏幕外的我们)。初始坐标系的z轴并不算是三维空间,而是像z-index那样作为参照,决定网页元素的绘制顺序,绘制顺序靠后的元素将覆盖绘制顺序靠前的。

在使用transform的时候,情况则有所不同。transform所参照的并不是初始坐标系,而是一个新的坐标系:3d transform的坐标空间及位置

transform所用的这个坐标系,相比初始坐标系,x、y、z轴的指向都不变,只是原点位置移动到了元素的正中心。如果想要改变这个坐标系的原点位置,使用transform-origin。transform-origin的默认值是50% 50%,因此,默认情况下,transform坐标系的原点位于元素中心。

transform的顺序

我们都可能像transform: rotateY(45deg) translateX(100px);这样使用多个变换函数。这种时候,需要意识到变换函数的顺序。这是因为,每一个变换函数不仅改变了元素,同时也会改变和元素关联的transform坐标系,当变换函数依次执行时,后一个变换函数总是基于前一个变换后的新transform坐标系。

例如,下面一个包含两个变换函数的transform的效果(gif):3d transform的坐标空间及位置

如果交换这两个变换函数的顺序,是这样的效果:3d transform的坐标空间及位置

可以看到,由于坐标系会随着每一次变换发生改变,因此不同顺序的情况下,元素最终的位置也不同。

对此还有一种解释,即变换函数是通过数学上的矩阵乘法运算完成的,而矩阵的乘法是不满足交换律的。任意坐标空间内的变换函数或者变换函数的组合,都可以转换为一个矩阵(还有一个矩阵小工具可以帮你做这个转换)。

创建三维物体

前面已经提到,3d transform并没有像三维引擎那样为你创建三维场景提供全面的资源。因此,就以创建一个三维物体来说,我们只能利用网页目前已有的内容,自己想办法。

在网页里,你并不能直接定义一系列坐标为(x, y, z)的空间中的点,然后基于这些点来生成三维图形。网页里有的,是平面图形。不管是<div>还是其他html元素,它们都是平的,没有厚度,像纸片一样。但纸片就可以搭东西,所以,一个DOM元素用作三维物体的一个“面”,把这些“面”有序地组织起来,得到的就是三维物体了!

事实上,在三维引擎里,三维物体也不是实体,它们都是由一系列平面(多边形)所围成的(并可以在平面上添加纹理和贴图)。

正方体

现在来做一个正方体,现在先不用考虑perspective。正方体有六个面,然后需要用一个元素来装这六个面,所以html是:

对应的css是(边长120px,省略浏览器私有前缀,后文同):

其中,transform-style: preserve-3d;保证所有子元素都处于同一个三维空间(这里是三维渲染上下文3D rendering context)内,也就是告诉浏览器你是想用这些元素做一个三维场景,而不仅仅只是要单个元素的简单三维效果。

position: absolute;是一个习惯做法,因为三维物体并不符合一般平面网页内容的排版,所以我们会比较多地希望它不要占据布局空间。

6个面位置都不一样,但却都有translateZ(60px);,你已经知道这是因为巧妙搭配了在它之前的变换函数。

一旦构成正方体的6个div.surface的位置确定后,就可以操作它们的父元素div.cube来整体移动、旋转这个正方体。

将三维物体添加到可视区域

只是有了这样的一个三维物体,我们就可以说有了一个三维场景了。但是,三维场景和平面图不同,比如这个正方体,我从不同的位置,不同的角度去观察它,我眼里看到的都是不一样的:3d transform的坐标空间及位置

那么,这样的三维场景要如何呈现在平面的网页里呢?

这就是三维引擎里的摄像机的概念来源了。就像电影里表现同一个场景会用不同的镜头那样,我们需要定义场景里的摄像机来生成最终呈现在屏幕里的二维画面。比如three.js里的摄像机是这样的感觉:3d transform的坐标空间及位置

这个图里标明的是摄像机定义时使用的参数,其中包括视野范围,图像宽高比等。可以感受到还是有很多内容的。

相比之下,网页里的三维场景摄像机就弱多了,你需要用的是perspective和perspective-origin。

perspective定义摄像机(也就是作为观众的我们)到屏幕的距离,perspective-origin定义摄像机观察到的画面中的灭点(vanishing point)的位置。虽然它们并不能方便地让你直接定义摄像机的位置和观察角度等,但只要适当地应用它们,是可以一定程度上控制摄像机的画面效果的。

控制摄像机画面

网页里的摄像机一般是这样用的:

在网页里,无论你搭建了怎样的三维场景,只要你希望它显示出来,就应该像这样把构成场景的三维物体都放在一个容器元素里,然后为容器元素添加摄像机属性(perspective和perspective-origin)。

此外,还需要注意添加transform-style: preserve-3d;以保证多个三维物体都位于同一空间(这样才有三维引擎的味道,对吧?)。

下面这个场景里有三个正方体,然后摄影师正在做弹跳练习(限支持3d transform的浏览器):

http://runjs.cn/detail/daqoq5tf

这段动作的动画代码是这样:

可以看出,perspective-origin虽然是指三维透视的灭点的位置,但它的确和我们理解的摄像机的位置是紧密关联的。如果摄像机在空间里的位置是(x, y, z)的话,perspective-origin的两个值有一点像指定x和y的感觉。这里只说“有一点像”,是因为灭点位置和摄像机的位置毕竟是不同的概念,这可能还需要多看一些三维空间来体会。

那么,在上面的例子中,摄影师不只是这样跳起来,而是想要向更深处前进,应该怎么做呢?

答案是,在网页里,你不能这样移动摄像机,你需要换一个思路,参照相对运动的关系,改为让整个三维场景向你移动。不过,说到这里,前面提到的摄像机的另一个属性,perspective,为什么它不行呢?

perspective代表摄像机距离屏幕的距离,看上去和z轴深度非常近似。但是,它并不等同于摄像机的z坐标位置(perspective还只能取正值),而是会影响摄像机本身的其他属性。下面用这个图说明perspective的值变化的效果(修改自w3c的配图):3d transform的坐标空间及位置

图中d1和d2分别表示两个不同的perspective的值,其中d2小于d1。然后,你会惊奇地发现,一个原本位于屏幕之后(z坐标为负值)的物体,竟然是随着“走近”而变得更小了!显然,这不符合我们在三维空间里运动的基本感受。其原因是,网页的三维投影平面是固定的,perspective在改变摄像机的位置的同时,也同时改变了摄像机本身的其他属性(类似前面的three.js的摄像机那张图里的各种参数)。

所以,一般来说,perspective应维持一个固定的值。想要用3d transform做出在三维空间里自由移动的效果(就像各种3d游戏),应该通过相对运动的方法实现。

其他补充

transform对布局的影响

transform影响的是视觉渲染,而不是布局。因此,除以下情况外,transform不会影响到布局:3d transform的坐标空间及位置

这个因为overflow生成滚动条从而影响布局的反例,也发生于position: relative;再进行偏移的情况。

left、top等常规属性对3d transform的影响

相对于transform的translate3d()这类改变空间位置的变换函数,原来css里就有的定位属性left、top似乎会让情况变得很复杂。

对此,有一个比较推荐的分析方式:就三维空间的位置而言,常规属性left、top,甚至margin-left等,是先生效的,它们的效果其实只有一个,就是改变元素的初始位置,从而改变元素的transform-origin的那个原点位置,然后三维空间的transform是后生效的,它会再基于前面的transform-origin继续改变位置。

perspective-origin和transform-origin的区别

现在你已经了解到,perspective-origin是一个摄像机的属性,定义的是透视画面的灭点,而transform-origin是任意元素都有的,定义的是的元素的transform坐标系的原点。

结语

本文是我对目前网页里用3d transform创建三维空间的总结,其中混入了一些三维引擎的知识,并对比着来一一说明。感觉3d transform还是有自己比较明确的定位的,虽然和三维引擎相比很简陋,但它已经足够用来为网页添加吸引人的三维效果。

如果你也想过用3d transform做稍复杂的三维空间,希望本文能有所帮助。

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