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threejs渲染高级感可视化风力发电车模型

本文使用threejs开发一款风力发电机物联可视化系统,包含着色器效果、动画、补间动画和开发过程中使用模型材质遇到的问题,内含大量gif效果图,



视频讲解及源码见文末



技术栈



  • three.js 0.165.0
  • vite 4.3.2
  • nodejs v18.19.0

效果图


一镜到底动画


一镜到底 (1).gif


切割动画


切割动画.gif


线稿动画


线稿动画.gif


外壳透明度动画


外壳透明度动画.gif


展开齿轮动画


展开齿轮动画.gif


发光线条动画


发光线条.gif


代码及功能介绍


着色器


文中用到一个着色器,就是给模型增加光感的动态光影


创建顶点着色器 vertexShader:


varying vec2 vUv;
void main() {
vUv = uv;
gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
}

创建片元着色器 vertexShader:


varying vec2 vUv;
uniform vec2 u_center; // 添加这一行

void main() {
// 泡泡颜色
vec3 bubbleColor = vec3(0.9, 0.9, 0.9); // 乳白色
// 泡泡中心位置
vec2 center = u_center;
// 计算当前像素到泡泡中心的距离
float distanceToCenter = distance(vUv, center);
// 计算透明度,可以根据实际需要调整
float alpha = smoothstep(0.1, 0.0, distanceToCenter);

gl_FragColor = vec4(bubbleColor, alpha);

创建着色器材质 bubbleMaterial


export const bubbleMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
vertexShader: vertexShader,
fragmentShader: fragmentShader,
transparent: true, // 开启透明
depthTest: true, // 开启深度测试
depthWrite: false, // 不写入深度缓冲
uniforms: {
u_center: { value: new THREE.Vector2(0.3, 0.3) } // 添加这一行
},
});


从代码中可以看到 uniform声明了一个变量u_center,目的是为了在render方法中动态修改中心位置,从而实现动态光效的效果,


具体引用 render 方法中


 // 更新中心位置(例如,每一帧都改变)  
let t = performance.now() * 0.001;
bubbleMaterial.uniforms.u_center.value.x = Math.sin(t) * 0.5 + 0.5; // x 位置基于时间变化
bubbleMaterial.uniforms.u_center.value.y = Math.cos(t) * 0.5 + 0.5; // y 位置基于时间变化

官网案例 # Uniform,详细介绍了uniform的使用方法,支持通过变量对着色器材质中的属性进行改变


光影着色器.gif


从模型上可能看不出什么,下面的图是在一个圆球上加的这个效果


光影着色器-球体.gif


着色器中有几个参数可以自定义也可以自己修改, float alpha = smoothstep(0.6, 0.0, distanceToCenter);中的smoothstep 是一个常用的函数,用于在两个值之间进行平滑插值。具体来说,smoothstep(edge0, edge1, x) 函数会计算 x 在 edge0 和 edge1 之间的平滑过渡值。当 x 小于 edge0 时,返回值为 0;当 x 大于 edge1 时,返回值为 1;而当 x 在 edge0 和 edge1 之间时,它返回一个在 0 和 1 之间的平滑过渡值。


切割动画


切割动画使用的是数学库平面THREE.Plane和属性 constant,通过修改constant值即可实现动画,从normal法向量起至constant的距离为可展示内容。



从原点到平面的有符号距离。 默认值为 0.



constant取模型的box3包围盒的min值,至max值做补间动画,以下是代码示意


const wind = windGltf.scene
const boxInfo = wind.userData.box3Info;

const max = boxInfo.worldPosition.z + boxInfo.max.z
const min = boxInfo.worldPosition.z + boxInfo.min.z

let tween = new TWEEN.Tween({ d: min - 0.2 })
.to({ d: max + 0.1 }, 1000 * 2)
.start()
.onUpdate(({ d }) => {
clippingPlane.constant = d
})

详看切割效果图


切割动画.gif


图中添加了切割线的辅助线,可以通过右侧的操作面板显示或隐藏。


模型材质需要注意的问题


由于齿轮在风车的内容部,并且风车模型开启了transparent=true,那么计算透明度深度就会出现问题,首先要设置 depthWrite = true,开启深度缓存区,renderOrder = -1



这个值将使得scene graph(场景图)中默认的的渲染顺序被覆盖, 即使不透明对象和透明对象保持独立顺序。 渲染顺序是由低到高来排序的,默认值为0



threejs的透明材质渲染和不透明材质渲染的时候,会互相影响,而调整renderOrder顺序则可以让透明对象和不透明对象相对独立的渲染。


depthWrite对比


depthwrite对比.jpeg


renderOrder 对比


renderOrder 对比.jpeg


自定义动画贝塞尔曲线


众所周知,贝塞尔曲线通常用于调整关键帧动画,创建平滑的、曲线的运动路径。本文中使用的tweenjs就内置了众多的运动曲线easing(easingFunction?: EasingFunction): this;类型,虽然有很多内置,但是毕竟需求是无限的,接下来介绍的方法就是可以自己设置动画的贝塞尔曲线,来控制动画的执行曲线。


具体使用


// 使用示例
const controlPoints = [ { x: 0 }, { x: 0.5 }, { x: 2 }, { x: 1 }];
const cubicBezier = new CubicBezier(controlPoints[0], controlPoints[1], controlPoints[2], controlPoints[3]);

let tween = new TWEEN.Tween(edgeLineGr0up.scale)
.to(windGltf.scene.scale.clone().set(1, 1, 1), 1000 * 2)
.easing((t) => {
return cubicBezier.get(t).x
})
.start()
.onComplete(() => {
lineOpacityAction(0.3)
res({ tween })
})

在tween的easing的回调中添加一个方法,方法中调用了cubicBezier,下面就介绍一下这个方法


源码


[p0] – 起点  
[p1] – 第一个控制点
[p2] – 第二个控制点
[p3] – 终点

export class CubicBezier {
private p0: { x: number; };
private p1: { x: number; };
private p2: { x: number; };
private p3: { x: number; };

constructor(p0: { x: number; }, p1: { x: number; }, p2: { x: number; }, p3: { x: number; }) {
this.p0 = p0;
this.p1 = p1;
this.p2 = p2;
this.p3 = p3;
}

get(t: number): { x: number; } {
const p0 = this.p0;
const p1 = this.p1;
const p2 = this.p2;
const p3 = this.p3;

const mt = 1 - t;
const mt2 = mt * mt;
const mt3 = mt2 * mt;
const t2 = t * t;
const t3 = t2 * t;

const x = mt3 * p0.x + 3 * mt2 * t * p1.x + 3 * mt * t2 * p2.x + t3 * p3.x;

return { x };
}
}


CubicBezier支持get方法,通过四个关键点位信息,绘制三次贝塞尔曲线,参数t在0到1之间变化,当t从0变化到1时,曲线上的点从p0平滑地过渡到p3


mt = 1 - t;:这是t的补数(1减去t)。
mt2 = mt * mt; 和 mt3 = mt2 * mt;:计算mt的平方和立方。
t2 = t * t; 和 t3 = t2 * t;:计算t的平方和立方。


这是通过取四个点的x坐标的加权和来完成的,其中权重是基于t的幂的。具体来说,p0的权重是(1-t)^3p1的权重是3 * (1-t)^2 * tp2的权重是3 * (1-t) * t^2,而p3的权重是t^3


{ x: 0 },{ x: 0.5 },{ x: 2 },{ x: 1 } 这组数据形成的曲线效果是由start参数到end的两倍参数再到end参数


具体效果如下


贝塞尔曲线.gif


齿轮


齿轮动画


模型中自带动画


齿轮动画数据.jpeg


源码中有一整套的动画播放类方法,HandleAnimation,其中功能包含播放训话动画,切换动画,播放一次动画,绘制骨骼,镜头跟随等功能。


具体使用方法:


   // 齿轮动画
/**
*
* @param model 动画模型
* @param animations 动画合集
*/

motorAnimation = new HandleAnimation(motorGltf.scene, motorGltf.animations)
// 播放动画 take 001 是默认动画名称
motorAnimation.play('Take 001')

在render中调用


motorAnimation && motorAnimation.upDate()

齿轮展开(补间动画)


补间动画在齿轮展开时调用,使用的tweenjs,这里讲一下定位运动后的模型位置,使用# 变换控制器(TransformControls),代码中有封装好的完整的使用方法,在TransformControls.ts中,包含同时存在轨道控制器时与变换控制器对场景操作冲突时的处理。


使用方法:


/**
* @param mesh 受控模型
* @param draggingChangedCallback 操控回调
*/

TransformControls(mesh, ()=>{
console.log(mesh.position)
})

齿轮展开定位.jpeg


齿轮发光


发光效果方法封装在utls/index.ts中的unreal方法,使用的是threejs提供的虚幻发光通道RenderPass,UnrealBloomPass,以及合成器EffectComposer,方法接受参数如下



// params 默认参数
const createParams = {
threshold: 0,
strength: 0.972, // 强度
radius: 0.21,// 半径
exposure: 1.55 // 扩散
};

/**
*
* @param scene 渲染场景
* @param camera 镜头
* @param renderer 渲染器
* @param width 需要发光位置的宽度
* @param height 发光位置的高度
* @param params 发光参数
* @returns
*/


调用方法如下:



const { finalComposer: F,
bloomComposer: B,
renderScene: R, bloomPass: BP } = unreal(scene, camera, renderer, width, height, params)
finalComposer = F
bloomComposer = B
renderScene = R
bloomPass = BP
bloomPass.threshold = 0


除了调用方法还有一些需要调整的地方,比如发光时模型什么材质,又或者不发光时又是什么材质,这里需要单独定义,并在render渲染函数中调用


 if (guiParams.isLight) {
if (bloomComposer) {
scene.traverse(darkenNonBloomed.bind(this));
bloomComposer.render();
}
if (finalComposer) {
scene.traverse(restoreMaterial.bind(this));
finalComposer.render();
}
}

scene.traverse的回调中,检验模型是否为发光体,再进行材质的更换,这里用的标识是 object.userData.isLighttrue时,判定该物体为发光物体。其他物体则不发光


回调方法


function darkenNonBloomed(obj: THREE.Mesh) {
if (bloomLayer) {
if (!obj.userData.isLight && bloomLayer.test(obj.layers) === false) {
materials[obj.uuid] = obj.material;
obj.material = darkMaterial;
}
}

}

function restoreMaterial(obj: THREE.Mesh) {
if (materials[obj.uuid]) {
obj.material = materials[obj.uuid];
// 用于删除没必要的渲染
delete materials[obj.uuid];
}
}


再场景的右上角我们新增了几个参数,用来调整线条的发光效果,下面通过动图看一下,图片有点大,请耐心等待加载


调试发光效果.gif


好啦,本篇文章到此,如看源码有不明白的地方,可私信~


最近正在筹备工具库,以上可视化常用的方法都将涵盖在里面


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源码及讲解


33b4a0ffa2f88e2f878f5b074ee1e57c.jpg


源码 http://www.aspiringcode.com/content?id=…


体验地址:display.aspiringcode.com:8888/html/171422…


作者:孙_华鹏
来源:juejin.cn/post/7379906492038889512

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