# 사용자 지정 BufferGeometry

`BufferGeometry`는 Three.js 내의 모든 `geometry`를 나타냅니다(r125에서부터 `Geometry`가 제거되었습니다). 좀 더 자세히 말하면 특정 `BufferAttribute`라고 부르는 속성의 집합이죠.

각 `BufferAttribute`는 위치(positions), 법선(normals), 색(colors), uv 데이터의 배열이고, 이들을 모으면 각 꼭지점에 대한 평행 배열 형식의 데이터가 됩니다.

그림을 보면 총 4개의 속성(attribute), `position`, `normal`, `color`, `uv`가 있습니다. 이들은 평행 배열로 각 속성의 N 번째 데이터 묶음이 한 꼭지점의 데이터를 나타냅니다. 표시한 index = 4 위치의 꼭지점 데이터를 보세요. 이 묶음이 하나의 꼭지점을 정의합니다.

이해를 돕기 위해 정육면체의 한 모서리를 강조해보겠습니다.

이 경우 맞닿은 면의 색이 다르기에, 이 모서리는 각 면에 다른 법선을 제공해야 합니다. 마찬가지로 UV도 달라야 하죠. 하나의 꼭지점은 위 4개 속성의 묶음이고, 때문에 속성이 달라진다면 그건 다른 꼭지점이 되는 것이죠.

이전과 마찬가지로 `BufferGeometry`로 정육면체를 만들어보겠습니다. 굳이 정육면체를 쓰는 이유는 모서리의 꼭지점을 공유하는 듯해도 사실 그렇지 않기 때문이죠. 필요한 꼭지점을 전부 생성한 후, 꼭지점 데이터를 평행 배열로 변환해 `BufferAttribute`를 만들고, 이를 `BufferGeometry`에 추가해야 합니다.

먼저 정육면체를 만드는 데 필요한 데이터를 정렬합니다. 아까 말했듯 꼭지점의 속성 중 하나라도 다르다면 별도의 꼭지점으로 분리해야 합니다. 정육면체의 경우는 총 꼭지점 36개가 필요하죠. 면 6개, 면 하나당 삼각형 2개, 삼각형 하나 당 꼭지점 3개, 총 36개입니다.

    const vertices = [
      // 앞쪽
      { pos: [-1, -1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [0, 0], },
      { pos: [ 1, -1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [1, 0], },
      { pos: [-1,  1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [0, 1], },

      { pos: [-1,  1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [0, 1], },
      { pos: [ 1, -1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1,  1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [1, 1], },
      // 오른쪽
      { pos: [ 1, -1,  1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [0, 0], },
      { pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1,  1,  1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [0, 1], },

      { pos: [ 1,  1,  1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [0, 1], },
      { pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1,  1, -1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [1, 1], },
      // 뒤쪽
      { pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [0, 0], },
      { pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1,  1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [0, 1], },

      { pos: [ 1,  1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [0, 1], },
      { pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [1, 0], },
      { pos: [-1,  1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [1, 1], },
      // 왼쪽
      { pos: [-1, -1, -1], norm: [-1,  0,  0], uv: [0, 0], },
      { pos: [-1, -1,  1], norm: [-1,  0,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [-1,  1, -1], norm: [-1,  0,  0], uv: [0, 1], },

      { pos: [-1,  1, -1], norm: [-1,  0,  0], uv: [0, 1], },
      { pos: [-1, -1,  1], norm: [-1,  0,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [-1,  1,  1], norm: [-1,  0,  0], uv: [1, 1], },
      // 상단
      { pos: [ 1,  1, -1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [0, 0], },
      { pos: [-1,  1, -1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1,  1,  1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [0, 1], },

      { pos: [ 1,  1,  1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [0, 1], },
      { pos: [-1,  1, -1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [-1,  1,  1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [1, 1], },
      // 하단
      { pos: [ 1, -1,  1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [0, 0], },
      { pos: [-1, -1,  1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [0, 1], },

      { pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [0, 1], },
      { pos: [-1, -1,  1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [1, 1], },
    ];

다음으로 이 배열을 3개의 평행 배열로 변환합니다.

    const positions = [];
    const normals = [];
    const uvs = [];
    for (const vertex of vertices) {
      positions.push(...vertex.pos);
      normals.push(...vertex.norm);
      uvs.push(...vertex.uv);
    }

이제 `BufferGeometry`를 만듭니다. 그리고 각 배열로 `BufferAttribute` 인스턴스를 생성한 뒤 `BufferGeometry`에 추가합니다.

      const geometry = new THREE.BufferGeometry();
      const positionNumComponents = 3;
      const normalNumComponents = 3;
      const uvNumComponents = 2;
      geometry.setAttribute(
          'position',
          new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(positions), positionNumComponents));
      geometry.setAttribute(
          'normal',
          new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(normals), normalNumComponents));
      geometry.setAttribute(
          'uv',
          new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(uvs), uvNumComponents));

이때 정확히 Three.js가 원하는 속성 이름을 써야 합니다(사용자 지정 쉐이더를 만들 때와는 달리). 이 경우에는 `position`, `normal`, `uv`이죠. 꼭지점 색을 지정하려면 `color` 속성을 지정해야 합니다.

아까 `positions`, `normals`, `uvs`, 3개의 자바스크립트 순수 배열을 생성했습니다. 그리고 위에서 해당 배열을 형식화 배열, `Float32Array`로 변환했죠. `BufferAttribute`는 순수 배열이 아니라 형식화 배열을 인자로 받습니다. 또한 하나의 꼭지점에 몇 개의 요소를 사용할 지 지정해줘야 하죠. 위치(position)과 법선(normal)의 경우 x, y, z 총 3개이고, UV는 u, v 총 2개입니다.

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데이터가 너무 많네요. 크게 구조를 바꾸긴 어렵지만, 꼭지점을 인덱스로 참조하게끔 바꾸면 조금 나을 듯합니다. 정육면체 데이터를 다시 봅시다. 각 면은 2개의 삼각형, 삼각형 하나에는 꼭지점이 3개 있으므로 면 하나에는 총 6개의 꼭지점이 있습니다. 하지만 이 중 꼭지점 2개는 완전히 같죠(같은 위치, 같은 법선, 같은 uv). 중복된 꼭지점을 제거하고 인덱스로 데이터를 불러오도록 바꿀 수 있겠네요. 먼저 중복된 꼭지점을 제거하겠습니다.

    const vertices = [
      // 앞쪽
      { pos: [-1, -1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [0, 0], }, // 0
      { pos: [ 1, -1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [1, 0], }, // 1
      { pos: [-1,  1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [0, 1], }, // 2
    -
    -  { pos: [-1,  1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [0, 1], },
    -  { pos: [ 1, -1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1,  1,  1], norm: [ 0,  0,  1], uv: [1, 1], }, // 3
      // 오른쪽
      { pos: [ 1, -1,  1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [0, 0], }, // 4
      { pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [1, 0], }, // 5
    -
    -  { pos: [ 1,  1,  1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [0, 1], },
    -  { pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1,  1,  1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [0, 1], }, // 6
      { pos: [ 1,  1, -1], norm: [ 1,  0,  0], uv: [1, 1], }, // 7
      // 뒤쪽
      { pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [0, 0], }, // 8
      { pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [1, 0], }, // 9
    -
    -  { pos: [ 1,  1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [0, 1], },
    -  { pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1,  1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [0, 1], }, // 10
      { pos: [-1,  1, -1], norm: [ 0,  0, -1], uv: [1, 1], }, // 11
      // 왼쪽
      { pos: [-1, -1, -1], norm: [-1,  0,  0], uv: [0, 0], }, // 12
      { pos: [-1, -1,  1], norm: [-1,  0,  0], uv: [1, 0], }, // 13
    -
    -  { pos: [-1,  1, -1], norm: [-1,  0,  0], uv: [0, 1], },
    -  { pos: [-1, -1,  1], norm: [-1,  0,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [-1,  1, -1], norm: [-1,  0,  0], uv: [0, 1], }, // 14
      { pos: [-1,  1,  1], norm: [-1,  0,  0], uv: [1, 1], }, // 15
      // 상단
      { pos: [ 1,  1, -1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [0, 0], }, // 16
      { pos: [-1,  1, -1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [1, 0], }, // 17
    -
    -  { pos: [ 1,  1,  1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [0, 1], },
    -  { pos: [-1,  1, -1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1,  1,  1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [0, 1], }, // 18
      { pos: [-1,  1,  1], norm: [ 0,  1,  0], uv: [1, 1], }, // 19
      // 하단
      { pos: [ 1, -1,  1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [0, 0], }, // 20
      { pos: [-1, -1,  1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [1, 0], }, // 21
    -
    -  { pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [0, 1], },
    -  { pos: [-1, -1,  1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [1, 0], },
      { pos: [ 1, -1, -1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [0, 1], }, // 22
      { pos: [-1, -1, -1], norm: [ 0, -1,  0], uv: [1, 1], }, // 23
    ];

이제 꼭지점 24개만 남았습니다. 중복되는 꼭지점은 없죠. 이제 `BufferGeometry.setIndex` 메서드에 각 꼭지점 데이터의 인덱스값 36개-삼각형이 12개이므로-를 넘겨줍니다.

    geometry.setAttribute(
        'position',
        new THREE.BufferAttribute(positions, positionNumComponents));
    geometry.setAttribute(
        'normal',
        new THREE.BufferAttribute(normals, normalNumComponents));
    geometry.setAttribute(
        'uv',
        new THREE.BufferAttribute(uvs, uvNumComponents));

    +geometry.setIndex([
    +   0,  1,  2,   2,  1,  3,  // 앞쪽
    +   4,  5,  6,   6,  5,  7,  // 오른쪽
    +   8,  9, 10,  10,  9, 11,  // 뒤쪽
    +  12, 13, 14,  14, 13, 15,  // 왼쪽
    +  16, 17, 18,  18, 17, 19,  // 상단
    +  20, 21, 22,  22, 21, 23,  // 하단
    +]);

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`BufferGeometry`에 법선을 지정하지 않았다면 `computeVertexNormals` 메서드를 호출해 자동으로 법선을 지정할 수 있습니다. 다만 데이터가 조금이라도 다르다면 꼭지점을 공유할 수 없기에 구체나 원통 같은 물체를 만들려 하는 경우에는 이음새가 보일 수 있어요.

BufferGeometry
Geometry

위 두 원통은 `computeVertexNormals` 메서드를 호출해 법선을 생성했습니다. 자세히 보면 왼쪽 원통에 이음매가 있는 게 보일 텐데, 이는 원통의 끝과 시작점의 UV가 달라 꼭지점을 공유할 수 없기 때문입니다. 그다지 큰 문제는 아니지만, 알아두어 나쁠 건 없죠. 이를 해결하려면 법선을 직접 지정해야 합니다.

아까는 처음에 순수 배열을 썼지만, 처음부터 형식화 배열을 사용할 수도 있습니다. 다만 형식화 배열은 초기화할 때 미리 크기를 지정해줘야 합니다. 그렇게 어려운 일은 아니지만, 순수 배열은 `push` 메서드로 요소를 추가하고 바뀐 길이를 `length` 속성으로 확인할 수 있습니다. 하지만 형식화 배열을 사용하면 어디서 요소를 추가했는지 직접 일일이 기록해야 하죠.

예제의 경우는 사전에 정해진 데이터를 사용하기에 배열 길이를 미리 구하는 게 어렵지 않습니다.

    -const positions = [];
    -const normals = [];
    -const uvs = [];
    +const numVertices = vertices.length;
    +const positionNumComponents = 3;
    +const normalNumComponents = 3;
    +const uvNumComponents = 2;
    +const positions = new Float32Array(numVertices * positionNumComponents);
    +const normals = new Float32Array(numVertices * normalNumComponents);
    +const uvs = new Float32Array(numVertices * uvNumComponents);
    +let posNdx = 0;
    +let nrmNdx = 0;
    +let uvNdx = 0;
    for (const vertex of vertices) {
    -  positions.push(...vertex.pos);
    -  normals.push(...vertex.norm);
    -  uvs.push(...vertex.uv);
    +  positions.set(vertex.pos, posNdx);
    +  normals.set(vertex.norm, nrmNdx);
    +  uvs.set(vertex.uv, uvNdx);
    +  posNdx += positionNumComponents;
    +  nrmNdx += normalNumComponents;
    +  uvNdx += uvNumComponents;
    }

    geometry.setAttribute(
        'position',
    -    new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(positions), positionNumComponents));
    +    new THREE.BufferAttribute(positions, positionNumComponents));
    geometry.setAttribute(
        'normal',
    -    new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(normals), normalNumComponents));
    +    new THREE.BufferAttribute(normals, normalNumComponents));
    geometry.setAttribute(
        'uv',
    -    new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(uvs), uvNumComponents));
    +    new THREE.BufferAttribute(uvs, uvNumComponents));

    geometry.setIndex([
       0,  1,  2,   2,  1,  3,  // 앞쪽
       4,  5,  6,   6,  5,  7,  // 오른쪽
       8,  9, 10,  10,  9, 11,  // 뒤쪽
      12, 13, 14,  14, 13, 15,  // 왼쪽
      16, 17, 18,  18, 17, 19,  // 상단
      20, 21, 22,  22, 21, 23,  // 하단
    ]);

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꼭지점의 일부를 수정하고 싶다면 형식화 배열을 사용하는 게 좋습니다.

뭔가 꼭지점을 동적으로 수정하는 예제를 찾아보려고 노력했는데, 찾기가 어렵네요. 그냥 구체를 만들고 구체의 각 사분면(quad)을 중심으로부터 안팎으로 움직여보겠습니다.

아래는 구체의 위치값과 인덱스를 생성하는 코드입니다. 사분면 내의 꼭지점은 서로 공유할 수 있지만, 사분면은 각각 움직여야 하므로 사분면끼리는 공유하지 않도록 합니다.

구체의 정점을 구하기 위해 좀 더 복잡한 방법을 쓸 수도 있지만, 귀찮으니 그냥 `Object3D` 3개를 계층 구조로 배열해 쓰겠습니다. 이 방식에 대해서는 많은 물체를 최적화하는 방법에서 더 자세히 다루겠습니다.

    function makeSpherePositions(segmentsAround, segmentsDown) {
      const numVertices = segmentsAround * segmentsDown * 6;
      const numComponents = 3;
      const positions = new Float32Array(numVertices * numComponents);
      const indices = [];

      const longHelper = new THREE.Object3D();
      const latHelper = new THREE.Object3D();
      const pointHelper = new THREE.Object3D();
      longHelper.add(latHelper);
      latHelper.add(pointHelper);
      pointHelper.position.z = 1;
      const temp = new THREE.Vector3();

      function getPoint(lat, long) {
        latHelper.rotation.x = lat;
        longHelper.rotation.y = long;
        longHelper.updateMatrixWorld(true);
        return pointHelper.getWorldPosition(temp).toArray();
      }

      let posNdx = 0;
      let ndx = 0;
      for (let down = 0; down < segmentsDown; ++down) {
        const v0 = down / segmentsDown;
        const v1 = (down + 1) / segmentsDown;
        const lat0 = (v0 - 0.5) * Math.PI;
        const lat1 = (v1 - 0.5) * Math.PI;

        for (let across = 0; across < segmentsAround; ++across) {
          const u0 = across / segmentsAround;
          const u1 = (across + 1) / segmentsAround;
          const long0 = u0 * Math.PI * 2;
          const long1 = u1 * Math.PI * 2;

          positions.set(getPoint(lat0, long0), posNdx);  posNdx += numComponents;
          positions.set(getPoint(lat1, long0), posNdx);  posNdx += numComponents;
          positions.set(getPoint(lat0, long1), posNdx);  posNdx += numComponents;
          positions.set(getPoint(lat1, long1), posNdx);  posNdx += numComponents;

          indices.push(
            ndx, ndx + 1, ndx + 2,
            ndx + 2, ndx + 1, ndx + 3,
          );
          ndx += 4;
        }
      }
      return { positions, indices };
    }

만든 함수를 다음처럼 호출합니다.

    const segmentsAround = 24;
    const segmentsDown = 16;
    const { positions, indices } = makeSpherePositions(segmentsAround, segmentsDown);

여기서 반환된 위치값(positions)은 구체의 위치값을 기반으로 합니다. 이는 법선의 값(normals)과 같으니 법선을 따로 구할 필요 없이 위치값을 복사해서 쓰면 됩니다.

    const normals = positions.slice();

다음으로 각 속성을 지정합니다.

    const geometry = new THREE.BufferGeometry();
    const positionNumComponents = 3;
    const normalNumComponents = 3;

    +const positionAttribute = new THREE.BufferAttribute(positions, positionNumComponents);
    +positionAttribute.setUsage(THREE.DynamicDrawUsage);
    geometry.setAttribute(
        'position',
    +    positionAttribute);
    geometry.setAttribute(
        'normal',
        new THREE.BufferAttribute(normals, normalNumComponents));
    geometry.setIndex(indices);

예제에서 차이점이 있는 부분을 표시해 두었습니다. 위치 속성에 참조값을 넘겨주었고, 이 속성이 동적이라고 명시했습니다. 이는 Three.js에게 해당 속성을 자주 변경될 수 있음을 알려주는 역할이죠.

이제 `render` 함수에서 매 프레임마다 법선을 기준으로 위치값을 변경해줍니다.

    const temp = new THREE.Vector3();

    ...

    for (let i = 0; i < positions.length; i += 3) {
      const quad = (i / 12 | 0);
      const ringId = quad / segmentsAround | 0;
      const ringQuadId = quad % segmentsAround;
      const ringU = ringQuadId / segmentsAround;
      const angle = ringU * Math.PI * 2;
      temp.fromArray(normals, i);
      temp.multiplyScalar(THREE.MathUtils.lerp(1, 1.4, Math.sin(time + ringId + angle) * .5 + .5));
      temp.toArray(positions, i);
    }
    positionAttribute.needsUpdate = true;

마지막으로 `positionAttribute.needsUpdate` 속성을 활성화해 변화를 감지하도록 합니다.

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이 글이 `BufferGeometry`로 사용자 지정 geometry를 만들고, `BufferAttribute`를 다루는 데 도움이 되었으면 좋겠습니다.