用Three.js寫一個下雨動畫

作者：佚名 2021-04-23 16:40:49

最近看了《Three.js開發(fā)指南》，深刻地意識到光看不練跟沒看差不多，所以就練習(xí)寫了這個小動畫。

項目地址：

https://github.com/alasolala/threejs-tutorial.git

前置知識

WebGL讓我們能在瀏覽器開發(fā)3D應(yīng)用，然而直接使用WebGL編程還是挺復(fù)雜的，開發(fā)者需要知道WebGL的底層細(xì)節(jié)，并且學(xué)習(xí)復(fù)雜的著色語言來獲得WebGL的大部分功能。Three.js提供了一系列很簡單的關(guān)于WebGL特性的JavaScript API，使開發(fā)者可以很方便地創(chuàng)作出好看的3D圖形。在Three.js官網(wǎng)，就有很多酷炫3D效果[1]。

使用Three.js開發(fā)3D應(yīng)用，通常要包括渲染器（Renderer）、場景（Scene）、照相機(jī)（Camera），以及你在場景中創(chuàng)建的物體，光照。

設(shè)想一下照相的情況，我們需要一個場景（Scene），在這個場景中擺好要拍攝的物體，設(shè)置光照環(huán)境，擺放好照相機(jī)（Camera）的位置和朝向，然后就可以拍照了。渲染器（Renderer）可能和攝影師比較像吧，負(fù)責(zé)下命令拍攝，并且生成圖像（照片）。

將下面的代碼的復(fù)制并運(yùn)行，就可以得到一個很簡單的3D場景。

image.png

<!DOCTYPE html>  
<html lang="en">  
<head>  
  <meta charset="UTF-8">  
  <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">  
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">  
  <title>room</title>  
</head>  
<body> 
  <div id="webgl-output"></div>  
  <script src="https://unpkg.com/three@0.119.0/build/three.js"></script>  
  <script>  
    function init () {  
      const scene = new THREE.Scene()  
      const camera = new THREE.PerspectiveCamera(45,   
        window.innerWidth / window.innerHeight,  
        0.1,  
        1000  
      )  
      camera.position.set(-30, 40, 30) 
      camera.lookAt(0,0,0)  
      scene.add(camera)   
      const planeGeometry = new THREE.PlaneGeometry(60,20)  
      const planeMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({  
        color: 0xAAAAAA  
      })    
      const plane = new THREE.Mesh(planeGeometry, planeMaterial)  
      plane.rotation.x = -Math.PI / 2  
      plane.position.set(15, 0, 0)  
      scene.add(plane)  
      const sphereGeometry = new THREE.SphereGeometry(4, 20, 20)  
      const sphereMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({  
        color: 0xffff00  
      })  
      const sphere = new THREE.Mesh(sphereGeometry, sphereMaterial)  
      sphere.position.set(20, 4, 2)  
      scene.add(sphere)  
      const spotLight = new THREE.SpotLight(0xffffff)  
      spotLight.position.set(-20, 30, -15)  
      scene.add(spotLight)  
      const renderer = new THREE.WebGLRenderer()  
      renderer.setClearColor(new THREE.Color(0x000000))  
      renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight)  
      document.getElementById('webgl-output').appendChild(renderer.domElement)  
      renderer.render(scene, camera)  
    } 
    init()  
</script>  
</body>  
</html>

場景（Scene）

THREE.Scene對象是所有不同對象的容器，但這個對象本身沒有很復(fù)雜的操作，我們通常在程序最開始的時候?qū)嵗粋€場景，然后將照相機(jī)、物體、光源添加到場景中。

const scene = new THREE.Scene()  
scene.add(camera)        //添加照相機(jī)  
scene.add(plane)         //添加灰色平面  
scene.add(sphere)        //添加黃色球體  
scene.add(spotLight)     //添加光源

照相機(jī)（Camera）

Three.js庫提供了兩種不同的照相機(jī)：透視投影照相機(jī)和正交投影照相機(jī)。

透視投影照相機(jī)的效果類似人眼在真實世界中看到的場景，有 "近大遠(yuǎn)小" 的效果，垂直視平面的平行線在遠(yuǎn)方會相交。  
正交投影照相機(jī)的效果類似我們在數(shù)學(xué)幾何學(xué)課上老師教我們畫的效果，在三維空間內(nèi)平行的線，在屏幕上永遠(yuǎn)不會相交。

我們這里用的是透視投影照相機(jī)，就主要討論它，正交投影照相機(jī)后面用到再說。

const camera = new THREE.PerspectiveCamera(  
  45,   
  window.innerWidth / window.innerHeight,  
  0.1,  
  1000  
)  
camera.position.set(-30, 40, 30)  
camera.lookAt(0,0,0)  
scene.add(camera)

設(shè)置一個照相機(jī)分三步：確定視野范圍，確定照相機(jī)坐標(biāo)，確定照相機(jī)聚焦點。

我們在new THREE.PerspectiveCamera的時候確定照相機(jī)的視野范圍，對應(yīng)上圖，45是fov，就是視野上下邊緣之間的夾角。window.innerWidth / window.innerHeight是視野水平方向和豎直方向長度的比值，0.1（near）和1000（far）分別是照相機(jī)到視景體最近、最遠(yuǎn)的距離，這些參數(shù)決定了要顯示的三維空間的范圍，也就是上圖中的灰色區(qū)域。

camera.position.set(-30, 40, 30)確定了照相機(jī)在空間中的坐標(biāo)。

camera.lookAt(0,0,0)確定了照相機(jī)聚焦點，該點和照相機(jī)坐標(biāo)的連線就是拍攝方向。

上圖中的灰色區(qū)域在屏幕上的顯示效果，也就是將三維空間的坐標(biāo)投影到屏幕二維坐標(biāo)是webgl完成的，我們只需要關(guān)心三維空間的坐標(biāo)。

坐標(biāo)系

與我們之前講到的CSS的3D坐標(biāo)系[2]不同，webgl坐標(biāo)系是右手坐標(biāo)系，X軸向右，Y軸向上，Z軸是指向“自己”的。

伸出右手，讓拇指和食指成"L"形，大拇指向右，食指向上。其余的手指指向自己，這樣就建立了一個右手坐標(biāo)系。

其中，拇指、食指和其余手指分別代表x，y，z軸的正方向

在空間中定位、平移都比較好理解，這里看一下旋轉(zhuǎn)。

有時，我們會這樣設(shè)置物體的旋轉(zhuǎn)：object.rotation.x = \-Math.PI / 2，表示的是繞X軸旋轉(zhuǎn)-90度。具體是怎么旋轉(zhuǎn)，就要對照上面坐標(biāo)系，展開右手，拇指指向x軸正方向，其余手指的彎曲方向就是旋轉(zhuǎn)的正方向；拇指指向x軸負(fù)方向，其余手指的彎曲方向就是旋轉(zhuǎn)的負(fù)方向。y軸和z軸旋轉(zhuǎn)方向的判斷同理。

物體

在three.js中，創(chuàng)建一個物體需要兩個參數(shù)：幾何形狀（Geometry）和材質(zhì)（Material）。通俗的講，幾何形狀決定物體的形狀，材質(zhì)決定物體表面的顏色、紋理貼圖、對光照的反應(yīng)等等。

//創(chuàng)建一個平面幾何體，參數(shù)是沿X方向的Width和沿Y方向的height  
const planeGeometry = new THREE.PlaneGeometry(60,20)    
//創(chuàng)建一種材質(zhì)，MeshLambertMaterial是一種考慮漫反射而不考慮鏡面反射的材質(zhì)  
const planeMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({  
  color: 0xAAAAAA  
})    
//根據(jù)幾何形狀和材質(zhì)創(chuàng)建物體  
const plane = new THREE.Mesh(planeGeometry, planeMaterial)  
//設(shè)置物體的位置和旋轉(zhuǎn)，并將物體加到場景（scene）中 
plane.rotation.x = -Math.PI / 2  
plane.position.set(15, 0, 0)  
scene.add(plane)

一些常用的幾何形狀和材質(zhì)可以參考Three.js入門指南[3]

光照

沒有光源，渲染的場景將不可見（除非你使用基礎(chǔ)材質(zhì)或線框材質(zhì)，當(dāng)然，在構(gòu)建3D應(yīng)用時，幾乎不怎么用基礎(chǔ)材質(zhì)和線框材質(zhì)）。

WebGL本身并不支持光源。如果不使用Three.js，則需要自己寫WebGL著色程序來模擬光源。Three.js讓光源的使用變得簡單。

const spotLight = new THREE.SpotLight(0xffffff)  
spotLight.position.set(0, 0, 100)  
scene.add(spotLight)

如上所示，我們只需要創(chuàng)建一個光源，并將它加入到場景中就可以了。three.js會根據(jù)光源的類型、位置等信息計算出場景中各個物體的展示效果。

最常用的幾種光源是AmbientLight、PointLight、SpotLight、DirectionalLight。

渲染器（Renderer）

當(dāng)場景中的照相機(jī)、物體、光照等準(zhǔn)備就緒，就該渲染器上場了。

在上面那個小例子中，我們是這樣使用渲染器的：

//new 一個渲染器  
const renderer = new THREE.WebGLRenderer()  
//設(shè)置畫布背景色，也就是畫布中沒有物體的地方的顯示顏色  
renderer.setClearColor(new THREE.Color(0x000000))  
//設(shè)置畫布大小  
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight)  
//將畫布元素（即renderer.domElement，它是一個canvas元素）掛載到一個dom節(jié)點  
document.getElementById('webgl-output').appendChild(renderer.domElement)  
//執(zhí)行渲染操作，參數(shù)是上面定義的場景（scene）和照相機(jī)（camera）  
renderer.render(scene, camera)

可以看出，使用Three.js開發(fā)3D應(yīng)用，我們只需要關(guān)心場景中物體、照相機(jī)、光照等在三維空間中的布局，以及運(yùn)動，具體怎么渲染都由Three.js去完成。當(dāng)然，懂一些webgl的基本原理會更好，畢竟有一些應(yīng)用會復(fù)雜到three.js的API滿足不了要求。

實現(xiàn)下雨動畫

初始化場景

因為每個3D應(yīng)用的初始化都有scene、camera、render，所以我們把這三者的初始化封裝成一個類Template，后面的應(yīng)用初始化可以通過子類繼承這個類，以便快速搭建框架。

import {  
  Scene,  
  PerspectiveCamera,  
  WebGLRenderer,  
  Vector3,  
  Color  
} from 'three'  
export default class Template { 
  constructor () {               //各種默認(rèn)選項  
    this.el = document.body  
    this.PCamera = {  
      fov: 45, 
      aspect: window.innerWidth / window.innerHeight,  
      near: 1,  
      far: 1000  
    }  
    this.cameraPostion = new Vector3(0, 0, 1)  
    this.cameraLookAt = new Vector3(0,0,0)  
    this.rendererColor = new Color(0x000000)  
    this.rendererWidth = window.innerWidth  
    this.rendererHeight = window.innerHeight  
  }  
  initPerspectiveCamera () {     //初始化相機(jī)，這里是透視相機(jī)  
    const camera = new PerspectiveCamera(  
      this.PCamera.fov,  
      this.PCamera.aspect,  
      this.PCamera.near,  
      this.PCamera.far,  
    ) 
    camera.position.copy(this.cameraPostion)  
    camera.lookAt(this.cameraLookAt)  
    this.camera = camera  
    this.scene.add(camera)  
  }  
  initScene () {                //初始化場景  
    this.scene = new Scene()   
  }  
  initRenderer () {             //初始化渲染器  
    const renderer = new WebGLRenderer()  
    renderer.setClearColor(this.rendererColor)  
    renderer.setSize(this.rendererWidth, this.rendererHeight) 
    this.el.appendChild(renderer.domElement)  
    this.renderer = renderer  
  }  
  init () {  
    this.initScene()  
    this.initPerspectiveCamera()  
    this.initRenderer()  
  }  
}

在我們的下雨動畫中，創(chuàng)建一個Director類管理動畫，它繼承自Template類?？梢钥闯?，它要做的事很清晰：初始化框架、修改父類的默認(rèn)配置、添加物體（云層和雨滴）、添加光照（閃電也是光照形成的）、添加霧化效果、循環(huán)渲染。

//director.js  
export default class Director extends Template{  
  constructor () {  
    super()  
    //set params  
    //camera  
    this.PCamera.fov = 60       //修改照相機(jī)的默認(rèn)視場fov  
    //init camera/scene/render  
    this.init()  
    this.camera.rotation.x = 1.16   //設(shè)置照相機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度（望向天空）  
    this.camera.rotation.y = -0.12  
    this.camera.rotation.z = 0.27  
    //add object  
    this.addCloud()                  //添加云層和雨滴  
    this.addRainDrop()  
    //add light  
    this.initLight()                //添加光照，用PointLight模擬閃電  
    this.addLightning() 
     //add fog  
    this.addFog()                   //添加霧，在相機(jī)附近視野清晰，距離相機(jī)越遠(yuǎn)，霧的濃度越高  
    //animate  
    this.animate()                 //requestAnimationFrame實現(xiàn)動畫  
  } 
}

創(chuàng)建不斷變換的云層

我們首先創(chuàng)建一個平面，將一小朵云做為材質(zhì)，得到一個云朵物體。然后將很多云朵物體進(jìn)行疊加，得到一團(tuán)云。

image.png

//Cloud.js  
const texture = new TextureLoader().load('/images/smoke.png')  //加載云朵素材  
const cloudGeo = new PlaneBufferGeometry(564, 300)   //創(chuàng)建平面幾何體  
const cloudMaterial = new MeshLambertMaterial({   //圖像作為紋理貼圖，生成材質(zhì)  
  map: texture,  
  transparent: true  
})  
export default class Cloud {  
  constructor () {        
    const cloud = new Mesh(cloudGeo, cloudMaterial)   //生成云朵物體  
    cloud.material.opacity = 0.6  
    this.instance = cloud  
  } 
  setPosition (x,y,z) {  
    this.instance.position.set(x,y,z) 
  }  
  setRotation (x,y,z) {  
    this.instance.rotation.x = x  
    this.instance.rotation.y = y  
    this.instance.rotation.z = z  
  }  
  animate () {  
    this.instance.rotation.z -= 0.003            //云朵的運(yùn)動是不斷繞著z軸旋轉(zhuǎn)  
  }  
}

在Director類中，生成30個云朵物體，隨機(jī)設(shè)置它們的位置和旋轉(zhuǎn)，形成鋪開和層疊的效果。在循環(huán)渲染時調(diào)用云朵物體的animate方法。

//director.js  
addCloud () {  
  this.clouds = []  
  for(let i = 0; i < 30; i++){  
    const cloud = new Cloud()  
    this.clouds.push(cloud)  
    cloud.setPosition(Math.random() * 1000 - 460, 600, Math.random() * 500 - 400)  
    cloud.setRotation(1.16, -0.12, Math.random() * 360)  
    this.scene.add(cloud.instance)  
  }  
}  
animate () {  
    //cloud move  
    this.clouds.forEach((cloud) => {  //調(diào)用每個云朵物體的animate方法，形成整個云層的不斷變換效果  
      cloud.animate()  
    })  
    ...  
    this.renderer.render(this.scene, this.camera)  
    requestAnimationFrame(this.animate.bind(this))  
  }

環(huán)境光和閃電

同時使用了AmbientLight和DirectionalLight作為整個場景的穩(wěn)定光源，增強(qiáng)對現(xiàn)實場景的模擬。

//director.js  
initLight () {  
  const ambientLight = new AmbientLight(0x555555)  
  this.scene.add(ambientLight)  
  const directionLight = new DirectionalLight(0xffeedd)  
  directionLight.position.set(0,0,1)  
  this.scene.add(directionLight)  
}

用PointLight模擬閃電，首先是初始一個PointLight。

//director.js  
addLightning () {  
  const lightning = new PointLight(0x062d89, 30, 500, 1.7)  
  lightning.position.set(200, 300, 100)  
  this.lightning = lightning  
  this.scene.add(lightning)  
}

在循環(huán)渲染時，不斷隨機(jī)改變點光源PointLight的強(qiáng)度（power），形成閃爍的效果，當(dāng)強(qiáng)度較小，即光線暗下來時，"悄悄"改變點光源的位置，這樣就能不突兀使閃電隨機(jī)地出現(xiàn)在云層地各個位置。

//director.js  
animate () {  
  ...  
  //lightning  
  if(Math.random() > 0.93 || this.lightning.power > 100){  
    if(this.lightning.power < 100){  
      this.lightning.position.set(  
        Math.random() * 400,  
        300 + Math.random() * 200,  
        100  
      )  
    }  
    this.lightning.power = 50 + Math.random() * 500  
  }  
  this.renderer.render(this.scene, this.camera)  
  requestAnimationFrame(this.animate.bind(this))  
}

創(chuàng)建雨滴

創(chuàng)建雨滴用到的粒子效果。創(chuàng)建一組粒子，直觀的方法是，創(chuàng)建一個粒子物體，然后復(fù)制N個，分別定義它們的位置和旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)你使用少量的對象時，這很有效，但是當(dāng)你想使用大量的THREE.Sprite對象時，你會很快遇到性能問題，因為每個對象需要分別由Three.js進(jìn)行管理。

Three.js提供了另一種方式來處理大量的粒子，這需要使用THREE.Points。通過THREE.Points，Three.js不再需要管理大量單個的THREE.Sprite對象，而只需管理THREE.Points實例。

使用THREE.Points，可以非常容易地創(chuàng)建很多細(xì)小的物體，用來模擬雨滴、雪花、煙和其他有趣的效果。

THREE.Points的核心思想，就是先聲明一個幾何體geom，然后確定幾何體各個頂點的位置，這些頂點的位置將會是各個粒子的位置。通過PointsMaterial確定頂點的材質(zhì)material，然后new Points(geom, material)，根據(jù)傳入的幾何體和頂點材質(zhì)生成一個粒子系統(tǒng)。

粒子的移動：粒子的位置坐標(biāo)是由一組數(shù)字確定const positions = this.geom.attributes.position.array，這組數(shù)字，每三個數(shù)確定一個坐標(biāo)點（x\y\z），所以要改變粒子的X坐標(biāo)，就改變positions[ 3n ] (n是粒子序數(shù))；同理，Y坐標(biāo)對應(yīng)的是positions[ 3n+1 ]，Z坐標(biāo)對應(yīng)的是positions[ 3n+2 ]。

//RainDrop.js  
export default class RainDrop {  
  constructor () {  
    const texture = new TextureLoader().load('/images/rain-drop.png') 
    const material = new PointsMaterial({    //用圖片初始化頂點材質(zhì)  
      size: 0.8,  
      map: texture,  
      transparent: true  
    })   
    const positions = []  
    this.drops = 8000  
    this.geom = new BufferGeometry()  
    this.velocityY = []  
    for(let i = 0; i < this.drops; i++){  
      positions.push( Math.random() * 400 - 200 )  
      positions.push( Math.random() * 500 - 250 )  
      positions.push( Math.random() * 400 - 200 )  
      this.velocityY.push(0.5 + Math.random() / 2)  //初始化每個粒子的坐標(biāo)和粒子在Y方向的速度 
    }  
     //確定各個頂點的位置坐標(biāo)  
    this.geom.setAttribute( 'position', new Float32BufferAttribute( positions, 3 ) )    
    this.instance = new Points(this.geom, material)  //初始化粒子系統(tǒng)  
  }  
  animate () {  
    const positions = this.geom.attributes.position.array;  
     for(let i=0; i<this.drops * 3; i+=3){    //改變Y坐標(biāo)，加速運(yùn)動  
      this.velocityY[i/3] += Math.random() * 0.05  
      positions[ i + 1 ] -=  this.velocityY[i/3]  
      if(positions[ i + 1 ] < -200){  
        positions[ i + 1 ] =  200  
        this.velocityY[i/3] = 0.5 + Math.random() / 2  
      }            
    }  
    this.instance.rotation.y += 0.002   
     this.geom.attributes.position.needsUpdate = true  
  }  
}

將雨滴粒子添加到場景中，并在循環(huán)渲染時，調(diào)用RainDrop的animate方法：

//director.js  
addRainDrop () {  
  this.rainDrop = new RainDrop()  
  this.scene.add(this.rainDrop.instance)  
}  
animate () {  
  //rain drop move  
  this.rainDrop.animate()  
  ...  
  this.renderer.render(this.scene, this.camera)  
  requestAnimationFrame(this.animate.bind(this))  
}

責(zé)任編輯：龐桂玉來源：前端大全

Three.js 前端代碼

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