3d transform的坐标空间及位置

日期：2015-12-31分类：css

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）：

Unity3D

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）：

初始坐标系

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：

变换坐标系

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）：

transform顺序1

如果交换这两个变换函数的顺序，是这样的效果：

transform顺序2

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：

<div class="cube">
    <div class="surface surface-1">1</div>
    <div class="surface surface-2">2</div>
    <div class="surface surface-3">3</div>
    <div class="surface surface-4">4</div>
    <div class="surface surface-5">5</div>
    <div class="surface surface-6">6</div>
</div>

对应的css是（边长120px，省略浏览器私有前缀，后文同）：

.cube{
    position: absolute;
    transform-style: preserve-3d;
}
.cube .surface{
    position: absolute;
    width: 120px;
    height: 120px;
    border: 1px solid #ccc;
    background: rgba(255,255,255,0.8);
    box-shadow: inset 0 0 20px rgba(0,0,0,0.2);
    line-height: 120px;
    text-align: center;
    color: #333;
    font-size: 100px;
}
.cube .surface-1 {
    transform: translateZ(60px);
}
.cube .surface-2 {
    transform: rotateY(90deg) translateZ(60px);
} 
.cube .surface-3 {
    transform: rotateX(90deg) translateZ(60px);
}
.cube .surface-4 {
    transform: rotateY(180deg) translateZ(60px);
}
.cube .surface-5 {
    transform: rotateY(-90deg) translateZ(60px);
}
.cube .surface-6 {
    transform: rotateX(-90deg) translateZ(60px);
}

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：

从不同角度观察三维物体

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：

three.js的摄像机基本参数

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：

<div class="camera">
    <div class="cube1"></div>
    <div class="cube2"></div>
    <!-- more 3d objects... -->
</div>

.camera{
    position: relative;
    perspective: 1200px;
    perspective-origin: 50% 50%;
    transform-style: preserve-3d;
}

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）：

这段动作的动画代码是这样：

.camera{
    animation: cameraMove 2s ease-out infinite alternate both;
}
@keyframes cameraMove{
    0%{
       perspective-origin: 50% 180px;
    }
    100%{
       perspective-origin: 50% -200px;
    }
}

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）：

perspective的值变化的效果

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：

生成滚动条而影响布局的例子

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。