Threejs实现穿越云层动效

上文说到，我对《你的性格主导色》活动中最感兴趣的部分就是通过 Three.js 实现穿越云层动效了，据作者说每朵云出现的位置都是随机的，效果很好，下图是我实现的版本。

在线 Demo

首先说下实现穿越云层动效的基本思路：

1. 沿着 Z 轴均匀的放一堆 64*64 的平面图形，这些平面的 X 坐标和 Y 坐标是随机的（很像下图的桶装薯片）
2. 把上面的所有图形合并成一个大的图形
3. 把大的图形和贴片材质（云）生成网格，网格放进场景中
4. 动效就是将相机从远处沿着 Z 轴缓慢移动，就会有了穿越云层的效果

首先官方文档提供了一个创建一个场景的快速开始，阅读后可以对下面的内容更好的理解。

下面介绍下Three.js中的基本概念。仅限我这新手的理解。有讲的好的文档或者分享，欢迎帮忙指个路。

场景就是一块空间，用来装下我们想要渲染的内容。最简单的用处就是，场景可以添加一个网格，然后渲染出来。

// 初始化场景
var scene = new THREE.Scene();

// 其他代码...
// 把物体添加进场景
scene.add(mesh);
// 渲染场景
renderer.render(scene, camera);

这里说下场景中的坐标规则：原点是 canvas 的平面中心，Z 轴垂直于 X、Y 轴，正向是冲着我们的，我这里把 Z 轴的线做了些旋转，不然我们看不到，如下图：

const scene = new THREE.Scene();

var camera = new THREE.PerspectiveCamera(70, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000);
camera.position.set(0, 0, 100);

const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

// 线段1，红色的，从原点到X轴40
const points = [];
points.push(new THREE.Vector3(0, 0, 0));
points.push(new THREE.Vector3(40, 0, 0));
const geometry1 = new THREE.BufferGeometry().setFromPoints(points);
var material1 = new THREE.LineBasicMaterial({ color: 'red' });
var line1 = new THREE.Line(geometry1, material1);

// 线段2，蓝色的，从原点到Y轴40
points.length = 0;
points.push(new THREE.Vector3(0, 0, 0));
points.push(new THREE.Vector3(0, 40, 0));
const geometry2 = new THREE.BufferGeometry().setFromPoints(points);
var material2 = new THREE.LineBasicMaterial({ color: 'blue' });
var line2 = new THREE.Line(geometry2, material2);

// 线段3，绿色的，从原点到Z轴40
points.length = 0;
points.push(new THREE.Vector3(0, 0, 0));
points.push(new THREE.Vector3(0, 0, 40));
const geometry3 = new THREE.BufferGeometry().setFromPoints(points);
var material3 = new THREE.LineBasicMaterial({ color: 'green' });
var line3 = new THREE.Line(geometry3, material3);
// 做了个旋转，不然看不到Z轴上的线
line3.rotateX(Math.PI / 8);
line3.rotateY(-Math.PI / 8);

scene.add(line1, line2, line3);

renderer.render(scene, camera);

场景内的物体要想被我们看见，也就是渲染出来，需要相机去“看”，通过上面的坐标系图，我们知道同一个物体，相机观察的角度不同，肯定也会呈现出不一样的画面。最常用的就是这里用的透视相机，可以穿透物体，用在这里正好穿透云层，效果拔群。

// 初始化相机
camera = new THREE.PerspectiveCamera(70, pageWidth / pageHeight, 1, 1000);

// 最后，场景和相机一起渲染出来，我们就能够看到场景中的物体了
renderer.render(scene, camera);

材质很好理解，在最初的例子中，使用MeshBasicMaterial给立方体添加了颜色。材质的使用方式是，将材质和图形共同生成一个网格，我们这里使用的是比较复杂的贴图材质。

// 贴图材质
const material = new THREE.ShaderMaterial({
  // 这里的值是给着色器传递的
  uniforms: {
    map: {
      type: 't',
      value: texture
    },
    fogColor: {
      type: 'c',
      value: fog.color
    },
    fogNear: {
      type: 'f',
      value: fog.near
    },
    fogFar: {
      type: 'f',
      value: fog.far
    }
  },
  vertexShader: vShader,
  fragmentShader: fShader,
  transparent: true
});

图形和网格

Three.js默认提供了很多的几何体图形，也就是各种Geometry，他们的基类是BufferGeometry。

图形可以进行合并，像这里就是 clone 了很多个一样的平面图形，通过修改各自的位置，生成合并后形成一大片云的效果。

最初我认为图形和网格是一个概念，后来知道了，材质和图形可以生成网格，网格可以放进场景中。

// 把上面合并出来的形状和材质，生成一个网格
mesh = new THREE.Mesh(mergedGeometry, material);

将场景和相机渲染到目标元素上，会生成一个canvas，如果是一个静态的场景，那么渲染完毕就可以了。但是如果是一个会动的场景，这里需要用到一个原生函数requestAnimationFrame。

function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);
  renderer.render(scene, camera);
}

上面的代码是一个渲染循环，在一般屏幕上的频率是 60HZ，在高刷屏幕上会增长刷新频率，也就是会给用户良好的刷新体验，不需要我们自己使用setInterval去控制。并且当用户切换到其它的标签页时，它会暂停刷新，不会浪费用户宝贵的处理器资源，也不会损耗电池的使用寿命。

过程其实很有意思，也很曲折。

扒下来了《你的性格主导色》活动的前端代码，但是云层动效相关有很多代码压缩过了，看不懂。

怎么办？然后我就去 three.js 找官方的例子去，找了半天只找到一个下图这样的：

后来经过各种搜索，终于在three.js的讨论区发现了这种穿越云层的特效，是three.js的作者很久之前写的例子。

把云层动效源码拿到手以后，我对比后感觉 imyzf 同学应该也是从这个例子中借鉴了一下。

我发现源码中的three.js的版本有一些落后，源码中的版本是 55，最新的是 131 版本，版本差距有点大，已经没有了上面的一些类和 API，下面介绍下不同的部分：

THREE.Geometry

首先就是这个类在最新版没有了，这个类是用来将很多个平面图形，合并为一个图形。观察下面的代码，55 的版本是先生成一个Geometry，然后生成一个平面网格，调整网格的坐标后，把网格和Geometry合并（这里有点不懂了，图形怎么和网格合并，而且是同一个网格，我猜是在合并的时候新生成了一个网格）。

// 初始化一个基础的图形
geometry = new THREE.Geometry();
// 初始化一个64*64的平面
var plane = new THREE.Mesh(new THREE.PlaneGeometry(64, 64));

for (var i = 0; i < 8000; i++) {
  // 调整平面图案的位置和旋转角度等
  plane.position.x = Math.random() * 1000 - 500;
  plane.position.y = -Math.random() * Math.random() * 200 - 15;
  plane.position.z = i;
  plane.rotation.z = Math.random() * Math.PI;
  plane.scale.x = plane.scale.y = Math.random() * Math.random() * 1.5 + 0.5;
  // 平面合并到基础图形
  THREE.GeometryUtils.merge(geometry, plane);
}

查询最新文档后，发现所有图形的基类BufferGeometry提供 clone 方法，平面图形自然也可以被 clone 出来。

// 一个平面形状
const geometry = new THREE.PlaneGeometry(64, 64);
const geometries = [];

for (var i = 0; i < CloudCount; i++) {
  const instanceGeometry = geometry.clone();

  // 把这个克隆出来的云，通过随机参数，做一些位移，达到一堆云彩的效果，每次渲染出来的云堆都不一样
  // X轴偏移后，通过调整相机位置达到平衡
  // Y轴想把云彩放在场景的偏下位置，所以都是负值
  // Z轴位移就是：当前第几个云*每个云所占的Z轴长度
  instanceGeometry.translate(Math.random() * RandomPositionX, -Math.random() * RandomPositionY, i * perCloudZ);

  geometries.push(instanceGeometry);
}

// 把这些形状合并
const mergedGeometry = BufferGeometryUtils.mergeBufferGeometries(geometries);

GeometryUtils.merge

旧代码码中有一个这样的 API，这是一个很重要的 API，目的就是合并图形和网格，生成一片云，最新版的three.js已经没有了。

// 合并所有的平面图形到一个基础图形
THREE.GeometryUtils.merge(geometry, plane);

通过查询最新版的文档，发现了可以将一组图形进行合并，个人觉得比上面的好一些，语义上好很多。上面的代码是重复的把同一个平面合并到一个基础图形上面，下面是把这一组平面合成为一个新的平面。

// 把这些形状合并
const mergedGeometry = BufferGeometryUtils.mergeBufferGeometries(geometries);

着色器代码逻辑我是完全的没有修改，GLSL(OpenGL 着色语言 OpenGL Shading Language)，原来的着色器代码是写在<script>元素标签里的，这和我们的工程化项目不符合。

// 原来的
<script id="vs" type="x-shader/x-vertex">
  varying vec2 vUv;
  void main()
  {
      vUv = uv;
      gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
  }
</script>

<script id="fs" type="x-shader/x-fragment">
   uniform sampler2D map;
   uniform vec3 fogColor;
   uniform float fogNear;
   uniform float fogFar;
   varying vec2 vUv;
   void main()
   {
       float depth = gl_FragCoord.z / gl_FragCoord.w;
       float fogFactor = smoothstep( fogNear, fogFar, depth );
       gl_FragColor = texture2D(map, vUv );
       gl_FragColor.w *= pow( gl_FragCoord.z, 20.0 );
       gl_FragColor = mix( gl_FragColor, vec4( fogColor, gl_FragColor.w ), fogFactor );
  }
</script>

后来找了几个地方才知道可以时间使用字符串代替：

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

顶点着色器和片元着色器代码，我目前是真的不懂，先抄为敬。

最后放上源码，感兴趣的同学可以看一下，欢迎 Star 和提出建议。