three.js 實(shí)現(xiàn)露珠滴落動(dòng)畫效果的示例代碼

更新時(shí)間：2021年03月01日 11:16:28 作者：稀土掘金

這篇文章主要介紹了three.js 實(shí)現(xiàn)露珠滴落動(dòng)畫效果的示例代碼,非常不錯(cuò)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價(jià)值，需要的朋友可以參考下

前言

大家好，這里是 CSS 魔法使——alphardex。

本文我們將用three.js來(lái)實(shí)現(xiàn)一種很酷的光學(xué)效果——露珠滴落。我們知道，在露珠從一個(gè)物體表面滴落的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一種粘著的效果。2D平面中，這種粘著效果其實(shí)用css濾鏡就可以輕松實(shí)現(xiàn)。但是到了3D世界，就沒那么簡(jiǎn)單了，這時(shí)我們就得依靠光照來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中涉及到了一個(gè)關(guān)鍵算法——光線步進(jìn)（Ray Marching）。以下是最終實(shí)現(xiàn)的效果圖

撒，哈吉馬路由！

準(zhǔn)備工作

筆者的 three.js模板：點(diǎn)擊右下角的fork即可復(fù)制一份

正片

全屏相機(jī)

首先將相機(jī)換成正交相機(jī)，再將平面的長(zhǎng)度調(diào)整為2，使其填滿屏幕

class RayMarching extends Base {
 constructor(sel: string, debug: boolean) {
 super(sel, debug);
 this.clock = new THREE.Clock();
 this.cameraPosition = new THREE.Vector3(0, 0, 0);
 this.orthographicCameraParams = {
  left: -1,
  right: 1,
  top: 1,
  bottom: -1,
  near: 0,
  far: 1,
  zoom: 1
 };
 }
 // 初始化
 init() {
 this.createScene();
 this.createOrthographicCamera();
 this.createRenderer();
 this.createRayMarchingMaterial();
 this.createPlane();
 this.createLight();
 this.trackMousePos();
 this.addListeners();
 this.setLoop();
 }
 // 創(chuàng)建平面
 createPlane() {
 const geometry = new THREE.PlaneBufferGeometry(2, 2, 100, 100);
 const material = this.rayMarchingMaterial;
 this.createMesh({
  geometry,
  material
 });
 }
}

創(chuàng)建材質(zhì)

創(chuàng)建好著色器材質(zhì)，里面定義好所有要傳遞給著色器的參數(shù)

const matcapTextureUrl = "https://i.loli.net/2021/02/27/7zhBySIYxEqUFW3.png";

class RayMarching extends Base {
 // 創(chuàng)建光線追蹤材質(zhì)
 createRayMarchingMaterial() {
 const loader = new THREE.TextureLoader();
 const texture = loader.load(matcapTextureUrl);
 const rayMarchingMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
  vertexShader: rayMarchingVertexShader,
  fragmentShader: rayMarchingFragmentShader,
  side: THREE.DoubleSide,
  uniforms: {
  uTime: {
   value: 0
  },
  uMouse: {
   value: new THREE.Vector2(0, 0)
  },
  uResolution: {
   value: new THREE.Vector2(window.innerWidth, window.innerHeight)
  },
  uTexture: {
   value: texture
  },
  uProgress: {
   value: 1
  },
  uVelocityBox: {
   value: 0.25
  },
  uVelocitySphere: {
   value: 0.5
  },
  uAngle: {
   value: 1.5
  },
  uDistance: {
   value: 1.2
  }
  }
 });
 this.rayMarchingMaterial = rayMarchingMaterial;
 }
}

頂點(diǎn)著色器 rayMarchingVertexShader ，這個(gè)只要用模板現(xiàn)成的就可以了

重點(diǎn)是片元著色器 rayMarchingFragmentShader

片元著色器

背景

作為熱身運(yùn)動(dòng)，先創(chuàng)建一個(gè)輻射狀的背景吧

varying vec2 vUv;

vec3 background(vec2 uv){
 float dist=length(uv-vec2(.5));
 vec3 bg=mix(vec3(.3),vec3(.0),dist);
 return bg;
}

void main(){
 vec3 bg=background(vUv);
 vec3 color=bg;
 gl_FragColor=vec4(color,1.);
}

sdf

如何在光照模型中創(chuàng)建物體呢？我們需要sdf。

sdf的意思是符號(hào)距離函數(shù)：若傳遞給函數(shù)空間中的某個(gè)坐標(biāo)，則返回那個(gè)點(diǎn)與某些平面之間的最短距離，返回值的符號(hào)表示點(diǎn)在平面的內(nèi)部還是外部，故稱符號(hào)距離函數(shù)。

如果我們要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)球，就得用球的sdf來(lái)創(chuàng)建。球體方程可以用如下的glsl代碼來(lái)表示

float sdSphere(vec3 p,float r)
{
 return length(p)-r;
}

方塊的代碼如下

float sdBox(vec3 p,vec3 b)
{
 vec3 q=abs(p)-b;
 return length(max(q,0.))+min(max(q.x,max(q.y,q.z)),0.);
}

看不懂怎么辦？沒關(guān)系，國(guó)外已經(jīng)有大牛把常用的sdf公式都整理出來(lái)了

在sdf里先創(chuàng)建一個(gè)方塊

float sdf(vec3 p){
 float box=sdBox(p,vec3(.3));
 return box;
}

畫面上仍舊一片空白，因?yàn)槲覀兊募钨e——光線還尚未入場(chǎng)。

光線步進(jìn)

接下來(lái)就是本文的頭號(hào)人物——光線步進(jìn)了。在介紹她之前，我們先來(lái)看看她的好姬友光線追蹤吧。

首先，我們需要知道光線追蹤是如何進(jìn)行的：給相機(jī)一個(gè)位置 eye ，在前面放一個(gè)網(wǎng)格，從相機(jī)的位置發(fā)射一束射線 ray ，穿過網(wǎng)格打在物體上，所成的像的每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)著網(wǎng)格上的每一個(gè)點(diǎn)。

而在光線步進(jìn)中，整個(gè)場(chǎng)景會(huì)由一系列的sdf的角度定義。為了找到場(chǎng)景和視線之間的邊界，我們會(huì)從相機(jī)的位置開始，沿著射線，一點(diǎn)一點(diǎn)地移動(dòng)每個(gè)點(diǎn)，每一步都會(huì)判斷這個(gè)點(diǎn)在不在場(chǎng)景的某個(gè)表面內(nèi)部，如果在則完成，表示光線擊中了某東西，如果不在則光線繼續(xù)步進(jìn)。

上圖中，p0是相機(jī)位置，藍(lán)色的線代表射線?？梢钥闯龉饩€的第一步p0p1就邁的非常大，它也恰好是此時(shí)光線到表面的最短距離。表面上的點(diǎn)盡管是最短距離，但并沒有沿著視線的方向，因此要繼續(xù)檢測(cè)到p4這個(gè)點(diǎn)

shadertoy上有一個(gè) 可交互的例子

以下是光線步進(jìn)的glsl代碼實(shí)現(xiàn)

const float EPSILON=.0001;

float rayMarch(vec3 eye,vec3 ray,float end,int maxIter){
 float depth=0.;
 for(int i=0;i<maxIter;i++){
  vec3 pos=eye+depth*ray;
  float dist=sdf(pos);
  depth+=dist;
  if(dist<EPSILON||dist>=end){
   break;
  }
 }
 return depth;
}

在主函數(shù)中創(chuàng)建一條射線，將其投喂給光線步進(jìn)算法，即可獲得光線到表面的最短距離

void main(){
 ...
 vec3 eye=vec3(0.,0.,2.5);
 vec3 ray=normalize(vec3(vUv,-eye.z));
 float end=5.;
 int maxIter=256;
 float depth=rayMarch(eye,ray,end,maxIter);
 if(depth<end){
  vec3 pos=eye+depth*ray;
  color=pos;
 }
 ...
}

在光線步進(jìn)的引誘下，野生的方塊出現(xiàn)了！

居中材質(zhì)

目前的方塊有2個(gè)問題：1. 沒有居中 2. x軸方向上被拉伸

居中+拉伸素質(zhì)2連走起

vec2 centerUv(vec2 uv){
 uv=2.*uv-1.;
 float aspect=uResolution.x/uResolution.y;
 uv.x*=aspect;
 return uv;
}

void main(){
 ...
 vec2 cUv=centerUv(vUv);
 vec3 ray=normalize(vec3(cUv,-eye.z));
 ...
}

方塊瞬間飄到了畫面的正中央，但此時(shí)的她還沒有顏色

計(jì)算表面法線

在光照模型中，我們需要計(jì)算出表面法線，才能給材質(zhì)賦予顏色

vec3 calcNormal(in vec3 p)
{
 const float eps=.0001;
 const vec2 h=vec2(eps,0);
 return normalize(vec3(sdf(p+h.xyy)-sdf(p-h.xyy),
 sdf(p+h.yxy)-sdf(p-h.yxy),
 sdf(p+h.yyx)-sdf(p-h.yyx)));
}

void main(){
 ...
 if(depth<end){
  vec3 pos=eye+depth*ray;
  vec3 normal=calcNormal(pos);
  color=normal;
 }
 ...
}

此時(shí)方塊被賦予了藍(lán)色，但我們還看不出她是個(gè)立體圖形

動(dòng)起來(lái)

讓方塊360°旋轉(zhuǎn)起來(lái)吧，3D旋轉(zhuǎn)函數(shù)直接在 gist 上搜一下就有了

uniform float uVelocityBox;

mat4 rotationMatrix(vec3 axis,float angle){
 axis=normalize(axis);
 float s=sin(angle);
 float c=cos(angle);
 float oc=1.-c;
 
 return mat4(oc*axis.x*axis.x+c,oc*axis.x*axis.y-axis.z*s,oc*axis.z*axis.x+axis.y*s,0.,
  oc*axis.x*axis.y+axis.z*s,oc*axis.y*axis.y+c,oc*axis.y*axis.z-axis.x*s,0.,
  oc*axis.z*axis.x-axis.y*s,oc*axis.y*axis.z+axis.x*s,oc*axis.z*axis.z+c,0.,
 0.,0.,0.,1.);
}

vec3 rotate(vec3 v,vec3 axis,float angle){
 mat4 m=rotationMatrix(axis,angle);
 return(m*vec4(v,1.)).xyz;
}

float sdf(vec3 p){
 vec3 p1=rotate(p,vec3(1.),uTime*uVelocityBox);
 float box=sdBox(p1,vec3(.3));
 return box;
}

融合效果

單單一個(gè)方塊太孤單了，創(chuàng)建一個(gè)球來(lái)陪陪她吧

如何讓球和方塊貼在一起呢，你需要 smin 這個(gè)函數(shù)

uniform float uProgress;

float smin(float a,float b,float k)
{
 float h=clamp(.5+.5*(b-a)/k,0.,1.);
 return mix(b,a,h)-k*h*(1.-h);
}

float sdf(vec3 p){
 vec3 p1=rotate(p,vec3(1.),uTime*uVelocityBox);
 float box=sdBox(p1,vec3(.3));
 float sphere=sdSphere(p,.3);
 float sBox=smin(box,sphere,.3);
 float mixedBox=mix(sBox,box,uProgress);
 return mixedBox;
}

把 uProgress 的值設(shè)為0，她們成功地貼在了一起

把 uProgress 的值調(diào)回1，她們又分開了

動(dòng)態(tài)融合

接下來(lái)就是露珠滴落的動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)了，其實(shí)就是對(duì)融合圖形應(yīng)用了一個(gè)位移變換

uniform float uAngle;
uniform float uDistance;
uniform float uVelocitySphere;

const float PI=3.14159265359;

float movingSphere(vec3 p,float shape){
 float rad=uAngle*PI;
 vec3 pos=vec3(cos(rad),sin(rad),0.)*uDistance;
 vec3 displacement=pos*fract(uTime*uVelocitySphere);
 float gotoCenter=sdSphere(p-displacement,.1);
 return smin(shape,gotoCenter,.3);
}

float sdf(vec3 p){
 vec3 p1=rotate(p,vec3(1.),uTime*uVelocityBox);
 float box=sdBox(p1,vec3(.3));
 float sphere=sdSphere(p,.3);
 float sBox=smin(box,sphere,.3);
 float mixedBox=mix(sBox,box,uProgress);
 mixedBox=movingSphere(p,mixedBox);
 return mixedBox;
}

matcap貼圖

默認(rèn)的材質(zhì)太土了？我們有帥氣的matcap貼圖來(lái)助陣

uniform sampler2D uTexture;

vec2 matcap(vec3 eye,vec3 normal){
 vec3 reflected=reflect(eye,normal);
 float m=2.8284271247461903*sqrt(reflected.z+1.);
 return reflected.xy/m+.5;
}

float fresnel(float bias,float scale,float power,vec3 I,vec3 N)
{
 return bias+scale*pow(1.+dot(I,N),power);
}

void main(){
 ...
 if(depth<end){
  vec3 pos=eye+depth*ray;
  vec3 normal=calcNormal(pos);
  vec2 matcapUv=matcap(ray,normal);
  color=texture2D(uTexture,matcapUv).rgb;
  float F=fresnel(0.,.4,3.2,ray,normal);
  color=mix(color,bg,F);
 }
 ...
}

安排上了matcap和菲涅爾公式后，瞬間cool了有沒有？！

項(xiàng)目地址

Ray Marching Gooey Effect

到此這篇關(guān)于three.js 實(shí)現(xiàn)露珠滴落動(dòng)畫效果的示例代碼的文章就介紹到這了,更多相關(guān)three.js 實(shí)現(xiàn)露珠滴落動(dòng)畫內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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