Three.js+React制作3D梦中海岛效果

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

天空

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

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素材准备

资源引入

页面结构

场景初始化

海

天空

虹

岛

鸟

交互点

动画

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