声明:本文涉及图文和模型素材仅用于个人学习、研究和欣赏,请勿二次修改、非法传播、转载、出版、商用、及进行其他获利行为。
背景
深居内陆的人们,大概每个人都有过大海之梦吧。夏日傍晚在沙滩漫步奔跑;或是在海上冲浪游泳;或是在海岛游玩探险;亦或静待日出日落……本文使用 React + Three.js
技术栈,实现 3D
海洋和岛屿,主要包含知识点包括:Tone Mapping
、Water
类、Sky
类、Shader
着色、ShaderMaterial
着色器材质、Raycaster
检测遮挡以及 Three.js
的其他基础知识,让我们在这个夏天通过此页面共赴大海之约。
效果
?
本页面仅适配PC
端,大屏访问效果更佳。??
在线预览地址1:https://3d-eosin.vercel.app/#/ocean??
在线预览地址2:https://dragonir.github.io/3d/#/ocean
实现
?? 素材准备
开发之前,需要准备页面所需的素材,本文用到的海岛素材是在 sketchfab.com 找的免费模型。下载好素材之后,在 Blender
中打开,按自己的想法调整模型的颜色、材质、大小比例、角度、位置等信息,删减不需要的模块、缩减面数以压缩模型体积,最后删除相机、光照、UV
、动画等多余信息,只导出模型网格备用。
? 资源引入
首先,引入开发所需的必备资源,OrbitControls
用于镜头轨道控制;GLTFLoader
用于加载 gltf
格式模型;Water
是 Three.js
内置的一个类,可以生成类似水的效果;Sky
可以生成天空效果;TWEEN
用来生成补间动画;Animations
是对 TWEEN
控制镜头补间动画方法的封装;waterTexture
、flamingoModel
、islandModel
三者分别是水的法向贴图、飞鸟模型、海岛模型;vertexShader
和 fragmentShader
是用于生成彩虹的 Shader
着色器。
import * as THREE from "three"; import { OrbitControls } from "three/examples/jsm/controls/OrbitControls"; import { GLTFLoader } from "three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader"; import { Water } from 'three/examples/jsm/objects/Water'; import { Sky } from 'three/examples/jsm/objects/Sky'; import { TWEEN } from "three/examples/jsm/libs/tween.module.min"; import Animations from '@/assets/utils/animations'; import waterTexture from '@/containers/Ocean/images/waternormals.jpg'; import islandModel from '@/containers/Ocean/models/island.glb'; import flamingoModel from '@/containers/Ocean/models/flamingo.glb'; import vertexShader from '@/containers/Ocean/shaders/rainbow/vertex.glsl'; import fragmentShader from '@/containers/Ocean/shaders/rainbow/fragment.glsl';
? 页面结构
页面主要由3部分构成:canvas.webgl
用于渲染 WEBGL
场景;div.loading
用于模型加载完成前显示加载进度;div.point
用于添加交互点,省略部分是其他几个交互点信息。
render () { return ( <div className='ocean'> <canvas className='webgl'></canvas> {this.state.loadingProcess === 100 ? '' : ( <div className='loading'> <span className='progress'>{this.state.loadingProcess} %</span> </div> )} <div className="point point-0"> <div className="label label-0">1</div> <div className="text">灯塔:矗立在海岸的岩石之上,白色的塔身以及红色的塔屋,在湛蓝色的天空和深蓝色大海的映衬下,显得如此醒目和美丽。</div> </div> // ... </div> ) }
? 场景初始化
在这部分,先定义好需要的状态值,loadingProcess
用于显示页面加载进度。
state = { loadingProcess: 0 }
定义一些全局变量和参数,初始化场景、相机、镜头轨道控制器、灯光、页面缩放监听等。
const clock = new THREE.Clock(); const raycaster = new THREE.Raycaster() const sizes = { width: window.innerWidth, height: window.innerHeight } const renderer = new THREE.WebGLRenderer({ canvas: document.querySelector('canvas.webgl'), antialias: true }); renderer.setPixelRatio(Math.min(window.devicePixelRatio, 2)) renderer.setSize(sizes.width, sizes.height); // 设置渲染效果 renderer.toneMapping = THREE.ACESFilmicToneMapping; // 创建场景 const scene = new THREE.Scene(); // 创建相机 const camera = new THREE.PerspectiveCamera(55, sizes.width / sizes.height, 1, 20000); camera.position.set(0, 600, 1600); // 添加镜头轨道控制器 const controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement); controls.target.set(0, 0, 0); controls.enableDamping = true; controls.enablePan = false; controls.maxPolarAngle = 1.5; controls.minDistance = 50; controls.maxDistance = 1200; // 添加环境光 const ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xffffff, .8); scene.add(ambientLight); // 添加平行光 const dirLight = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 1); dirLight.color.setHSL(.1, 1, .95); dirLight.position.set(-1, 1.75, 1); dirLight.position.multiplyScalar(30); scene.add(dirLight); // 页面缩放监听并重新更新场景和相机 window.addEventListener('resize', () => { camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight; camera.updateProjectionMatrix(); renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight); }, false);
?
Tone Mapping
可以注意到,本文使用了 renderer.toneMapping = THREE.ACESFilmicToneMapping
来设置页面渲染效果。目前 Three.js
中有以下几种 Tone Mapping
值,它们定义了 WebGLRenderer
的 toneMapping
属性,用于在近似标准计算机显示器或移动设备的低动态范围 LDR
屏幕上展示高动态范围 HDR
外观。大家可以修改不同的值看看渲染效果有何不同。
THREE.NoToneMapping
THREE.LinearToneMapping
THREE.ReinhardToneMapping
THREE.CineonToneMapping
THREE.ACESFilmicToneMapping
? 海
使用 Three.js
自带的 Water
类创建海洋,首先创建一个平面网格 waterGeometry
,让后将它传递给 Water
,并配置相关属性,最后将海洋添加到场景中。
const waterGeometry = new THREE.PlaneGeometry(10000, 10000); const water = new Water(waterGeometry, { textureWidth: 512, textureHeight: 512, waterNormals: new THREE.TextureLoader().load(waterTexture, texture => { texture.wrapS = texture.wrapT = THREE.RepeatWrapping; }), sunDirection: new THREE.Vector3(), sunColor: 0xffffff, waterColor: 0x0072ff, distortionScale: 4, fog: scene.fog !== undefined }); water.rotation.x = - Math.PI / 2; scene.add(water);
?
Water 类
参数说明:
textureWidth
:画布宽度textureHeight
:画布高度waterNormals
:法向量贴图sunDirection
:阳光方向sunColor
:阳光颜色waterColor
:水颜色distortionScale
:物体倒影分散度fog
:雾alpha
:透明度
? 空
接着,使用 Three.js
自带的天空类 Sky
创建天空,通过修改着色器参数设置天空样式,然后创建太阳并添加到场景中。
const sky = new Sky(); sky.scale.setScalar(10000); scene.add(sky); const skyUniforms = sky.material.uniforms; skyUniforms['turbidity'].value = 20; skyUniforms['rayleigh'].value = 2; skyUniforms['mieCoefficient'].value = 0.005; skyUniforms['mieDirectionalG'].value = 0.8; // 太阳 const sun = new THREE.Vector3(); const pmremGenerator = new THREE.PMREMGenerator(renderer); const phi = THREE.MathUtils.degToRad(88); const theta = THREE.MathUtils.degToRad(180); sun.setFromSphericalCoords(1, phi, theta); sky.material.uniforms['sunPosition'].value.copy(sun); water.material.uniforms['sunDirection'].value.copy(sun).normalize(); scene.environment = pmremGenerator.fromScene(sky).texture;
?
Sky 类
天空材质着色器参数说明:
turbidity
浑浊度rayleigh
视觉效果就是傍晚晚霞的红光的深度luminance
视觉效果整体提亮或变暗mieCoefficient
散射系数mieDirectionalG
定向散射值
? 虹
首先,创建具有彩虹渐变效果的着色器 Shader
, 然后使用着色器材质 ShaderMaterial
, 创建圆环 THREE.TorusGeometry
并添加到场景中。
顶点着色器 vertex.glsl:
varying vec2 vUV; varying vec3 vNormal; void main () { vUV = uv; vNormal = vec3(normal); gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0); }
片段着色器 fragment.glsl:
varying vec2 vUV; varying vec3 vNormal; void main () { vec4 c = vec4(abs(vNormal) + vec3(vUV, 0.0), 0.1); // 设置透明度为0.1 gl_FragColor = c; }
彩虹渐变着色器效果:
const material = new THREE.ShaderMaterial({ side: THREE.DoubleSide, transparent: true, uniforms: {}, vertexShader: vertexShader, fragmentShader: fragmentShader }); const geometry = new THREE.TorusGeometry(200, 10, 50, 100); const torus = new THREE.Mesh(geometry, material); torus.opacity = .1; torus.position.set(0, -50, -400); scene.add(torus);
?
Shader 着色器
WebGL
中记述了坐标变换的机制就叫做着色器 Shader
,着色器又有处理几何图形顶点的 顶点着色器
和处理像素的 片段着色器
两种类型
准备顶点着色器和片元着色器
着色器的添加有多种方法,最简单的方法就是把着色器记录在 HTML
中。该方法利用HTML
的 script
标签来实现,如:
顶点着色器:
<script id="vshader" type="x-shader/x-vertex"></script>
片段着色器:
<script id="fshader" type="x-shader/x-fragment"></script>
?
也可以像本文中一样,直接使用单独创建glsl
格式文件引入。
着色器的三个变量与运行方式
Uniforms
:是所有顶点都具有相同的值的变量。 比如灯光,雾,和阴影贴图就是被储存在uniforms
中的数据。uniforms
可以通过顶点着色器和片元着色器来访问。Attributes
:是与每个顶点关联的变量。例如,顶点位置,法线和顶点颜色都是存储在attributes
中的数据。attributes
只可以在顶点着色器中访问。Varyings
:是从顶点着色器传递到片元着色器的变量。对于每一个片元,每一个varying
的值将是相邻顶点值的平滑插值。
顶点着色器
首先运行,它接收 attributes
, 计算每个单独顶点的位置,并将其他数据varyings
传递给片段着色器。片段着色器
后运行,它设置渲染到屏幕的每个单独的片段的颜色。
?
ShaderMaterial 着色器材质
Three.js
所谓的材质对象 Material
本质上就是着色器代码和需要传递的 uniform
数据光源、颜色、矩阵。Three.js
提供可直接渲染着色器语法的材质 ShaderMaterial
和 RawShaderMaterial
。
RawShaderMaterial
: 和原生WebGL
中一样,顶点着色器、片元着色器代码基本没有任何区别,不过顶点数据和uniform
数据可以通过Three.js
的API
快速传递,要比使用WebGL
原生的API
与着色器变量绑定要方便得多。ShaderMaterial
:ShaderMaterial
比RawShaderMaterial
更方便些,着色器中的很多变量不用声明,Three.js
系统会自动设置,比如顶点坐标变量、投影矩阵、视图矩阵等。
构造函数:
ShaderMaterial(parameters : Object)
parameters
:可选,用于定义材质外观的对象,具有一个或多个属性。
常用属性:
attributes[Object]
:接受如下形式的对象,{ attribute1: { value: []} }
指定要传递给顶点着色器代码的attributes
;键为attribute
修饰变量的名称,值也是对象格式,如{ value: [] }
,value
是固定名称,因为attribute
相对于所有顶点,所以应该回传一个数组格式。只有bufferGeometry
类型的能使用该属性。.uniforms[Object]
:如下形式的对象:{ uniform1: { value: 1.0 }, uniform2: { value: 2.0 }}
指定要传递给shader
代码的uniforms
;键为uniform
的名称,值是如下形式:{ value: 1.0 }
这里value
是uniform
的值。名称必须匹配着色器代码中uniform
的name
,和GLSL
代码中的定义一样。 注意,uniforms
逐帧被刷新,所以更新uniform
值将立即更新GLSL
代码中的相应值。.fragmentShader[String]
:片元着色器的GLSL
代码,它也可以作为一个字符串直接传递或者通过AJAX
加载。.vertexShader[String]
:顶点着色器的GLSL
代码,它也可以作为一个字符串直接传递或者通过AJAX
加载。
? 岛
接着,使用 GLTFLoader
加载岛屿模型并添加到场景中。加载之前可以使用 LoadingManager
来管理加载进度。
const manager = new THREE.LoadingManager(); manager.onProgress = async(url, loaded, total) => { if (Math.floor(loaded / total * 100) === 100) { this.setState({ loadingProcess: Math.floor(loaded / total * 100) }); Animations.animateCamera(camera, controls, { x: 0, y: 40, z: 140 }, { x: 0, y: 0, z: 0 }, 4000, () => { this.setState({ sceneReady: true }); }); } else { this.setState({ loadingProcess: Math.floor(loaded / total * 100) }); } }; const loader = new GLTFLoader(manager); loader.load(islandModel, mesh => { mesh.scene.traverse(child => { if (child.isMesh) { child.material.metalness = .4; child.material.roughness = .6; } }) mesh.scene.position.set(0, -2, 0); mesh.scene.scale.set(33, 33, 33); scene.add(mesh.scene); });
? 鸟
使用 GLTFLoader
加载岛屿模型添加到场景中,获取模型自带的动画帧并进行播放,记得要在 requestAnimationFrame
中更新动画。可以使用 clone
方法在场景中添加多只飞鸟。鸟模型来源于 Three.js
官网。
loader.load(flamingoModel, gltf => { const mesh = gltf.scene.children[0]; mesh.scale.set(.35, .35, .35); mesh.position.set(-100, 80, -300); mesh.rotation.y = - 1; mesh.castShadow = true; scene.add(mesh); const mixer = new THREE.AnimationMixer(mesh); mixer.clipAction(gltf.animations[0]).setDuration(1.2).play(); this.mixers.push(mixer); });
? 交互点
添加交互点,鼠标 hover
悬浮时显示提示语,点击交互点可以切换镜头角度,视角聚焦到交互点对应的位置 ?
上。
const points = [ { position: new THREE.Vector3(10, 46, 0), element: document.querySelector('.point-0') }, // ... ]; document.querySelectorAll('.point').forEach(item => { item.addEventListener('click', event => { let className = event.target.classList[event.target.classList.length - 1]; switch(className) { case 'label-0': Animations.animateCamera(camera, controls, { x: -15, y: 80, z: 60 }, { x: 0, y: 0, z: 0 }, 1600, () => {}); break; // ... } }, false); });
? 动画
在 requestAnimationFrame
中更新水、镜头轨道控制器、相机、TWEEN
、交互点等动画。
const animate = () => { requestAnimationFrame(animate); water.material.uniforms['time'].value += 1.0 / 60.0; controls && controls.update(); const delta = clock.getDelta(); this.mixers && this.mixers.forEach(item => { item.update(delta); }); const timer = Date.now() * 0.0005; TWEEN && TWEEN.update(); camera && (camera.position.y += Math.sin(timer) * .05); if (this.state.sceneReady) { // 遍历每个点 for (const point of points) { // 获取2D屏幕位置 const screenPosition = point.position.clone(); screenPosition.project(camera); raycaster.setFromCamera(screenPosition, camera); const intersects = raycaster.intersectObjects(scene.children, true); if (intersects.length === 0) { // 未找到相交点,显示 point.element.classList.add('visible'); } else { // 找到相交点 // 获取相交点的距离和点的距离 const intersectionDistance = intersects[0].distance; const pointDistance = point.position.distanceTo(camera.position); // 相交点距离比点距离近,隐藏;相交点距离比点距离远,显示 intersectionDistance < pointDistance ? point.element.classList.remove('visible') : point.element.classList.add('visible'); } const translateX = screenPosition.x * sizes.width * 0.5; const translateY = - screenPosition.y * sizes.height * 0.5; point.element.style.transform = `translateX(${translateX}px) translateY(${translateY}px)`; } } renderer.render(scene, camera); } animate(); }
?
Raycaster 检测遮挡
仔细观察,在上述 ?
更新交互点动画的方法中,通过 raycaster
射线来检查交互点是否被物体遮挡,如果被遮挡就隐藏交互点,否则显示交互点,大家可以通过旋转场景观察到这一效果。
总结
本文包含的新知识点主要包括:
Tone Mapping
Water
类Sky
类Shader
着色器ShaderMaterial
着色器材质Raycaster
检测遮挡
想了解其他前端知识或其他未在本文中详细描述的
Web 3D
开发技术相关知识,可阅读我往期的文章。转载请注明原文地址和作者。如果觉得文章对你有帮助,不要忘了一键三连哦 ?。
参考
- [1]. https://threejs.org
附录
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[1]. ? 前端实现很哇塞的浏览器端扫码功能
-
[2]. ? 前端瓦片地图加载之塞尔达传说旷野之息
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...
本文作者:dragonir 本文地址:https://www.gaodi.net/dragonir/p/16316217.html