基于 three.js 的 3D 粒子动效实现

[getui]

作者：个推 web 前端开发工程师 梁神

一、背景

粒子特效是为模拟现实中的水、火、雾、气等效果由各种三维软件开发的制作模块，原理是将无数的单个粒子组合使其呈现出固定形态，借由控制器、脚本来控制其整体或单个的运动，模拟出现真实的效果。three.js 是用 JavaScript 编写的 WebGL 的第三方库，three.js 提供了丰富的 API 帮助我们去实现 3D 动效，本文主要介绍如何使用 three.js 实现粒子过渡效果，以及基本的鼠标交互操作。（注：本文使用的关于 three.js 的 API 都是基于版本 r98 的。）

二、实现步骤

1. 创建渲染场景 scene

scene 实际上相当于一个三维空间，用于承载和显示我们所定义的一切，包括相机、物体、灯光等。在实际开发时为了方便观察可添加一些辅助工具，比如网格、坐标轴等。

scene = new THREE.Scene();
 scene.fog = new THREE.Fog(0x05050c, 10, 60);
 scene.add( new THREE.GridHelper( 2000, 1 ) ); // 添加网格

2. 添加照相机 camera

THREE 里面实现了几种相机：PerspectiveCamera （透视相机）、OrthographicCamera （正交投影相机）、CubeCamera （立方体相机或全景相机）和 StereoCamera （ 3D 相机）。本文介绍我们主要用到的 PerspectiveCamera （透视相机）：

视觉效果是近大远小。

配置参数 PerspectiveCamera （ fov, aspect, near, far ）。

fov：相机的可视角度。

aspect：相机可视范围的长宽比。

near：相对于深度剪切面的远的距离。

far：相对于深度剪切面的远的距离。

camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, window.innerWidth /window.innerHeight, 5, 100);
   camera.position.set(10, -10, -40);
   scene.add(camera);

3. 添加场景渲染需要的灯光

three.js 里面实现的光源：AmbientLight （环境光）、DirectionalLight （平行光）、HemisphereLight （半球光）、PointLight （点光源）、RectAreaLight （平面光源）、SpotLight （聚光灯）等。配置光源参数时需要注意颜色的叠加效果，如环境光的颜色会直接作用于物体的当前颜色。各种光源的配置参数有些区别，下面是本文案例中会用到的二种光源。

let ambientLight = new THREE.AmbientLight(0x000000, 0.4);
   scene.add(ambientLight);
   let pointLight = new THREE.PointLight(0xe42107);
   pointLight.castShadow = true;
   pointLight.position.set(-10, -5, -10);
   pointLight.distance = 20;
   scene.add(pointLight);

4. 创建、导出并加载模型文件 loader

创建模型，可以使用 three.js editor 进行创建或者用 three.js 的基础模型生成类进行生成，相对复杂的或者比较特殊的模型需要使用建模工具进行创建（ c4d、3dmax 等）。

使用 three.js editor 进行创建，可添加基本几何体，调整几何体的各种参数（位置、颜色、材质等）。

使用模型类生成。

let geometryCube = new THREE.BoxBufferGeometry( 1, 1, 1 );
   let materialCube = new THREE.MeshBasicMaterial( {color: 0x00ff00} );
   let cubeMesh = new THREE.Mesh( geometryCube, materialCube );
   scene.add( cubeMesh );

导出需要的模型文件（此处使用的是 obj 格式的模型文件）。

加载并解析模型文件数据。

let onProgress = function (xhr) {
       if (xhr.lengthComputable) {
           // 可进行计算得知模型加载进度
       }
   };
   let onError = function () {};
   particleSystem = new THREE.Group();
   var texture = new THREE.TextureLoader().load('./point.png');
   new THREE.OBJLoader().load('./model.obj', function (object) {
       // object 模型文件数据
   }, onProgress, onError);

5. 将导入到模型文件转换成粒子系统 Points

获取模型的坐标值。

拷贝粒子坐标值到新建属性 position1 上 ，这个作为粒子过渡效果的最终坐标位置。

给粒子系统添加随机三维坐标值 position，目的是把每个粒子位置打乱，设定起始位置。

let color = new THREE.Color('#ffffff');
   let material = new THREE.PointsMaterial({
       size: 0.2,
       map: texture,
       depthTest: false,
       transparent: true
   });
    particleSystem= new THREE.Group();
   let allCount = 0
   for (let i = 0; i < object.children.length; i++) {
       let name = object.children[i].name
       let _attributes = object.children[i].geometry.attributes
           let count = _attributes.position.count
           _attributes.positionEnd = _attributes.position.clone()
           _attributes.position1 = _attributes.position.clone()
           for (let i = 0; i < count * 3; i++) {
                _attributes.position1.array[i]= Math.random() * 100 - 50
           }
           let particles = new THREE.Points(object.children[i].geometry, material)
           particleSystem.add(particles)
           allCount += count
    }
   particleSystem.applyMatrix(new THREE.Matrix4().makeTranslation(-5, -5,-10));

6. 通过 tween 动画库实现粒子坐标从 position 到 position1 点转换

利用 TWEEN 的缓动算法计算出各个粒子每一次变化的坐标位置，从初始位置到结束位置时间设置为 2s （可自定义），每次执行计算之后都需要将 attributes 的 position 属性设置为 true，用来提醒场景需要更新，在下次渲染时，render 会使用最新计算的值进行渲染。

let pos = {
       val: 1
   };
   tween = new TWEEN.Tween(pos).to({
       val: 0
   }, 2500).easing(TWEEN.Easing.Quadratic.InOut).onUpdate(callback);
   tween.onComplete(function () {
       console.log('过渡完成 complete')
   })
   tween.start();
   function callback() {
       let val = this.val;
       let particles = particleSystem.children;
       for (let i = 0; i < particles.length; i++) {
           let _attributes = particles[i].geometry.attributes
           let name = particles[i].name
           if (name.indexOf('_') === -1) {
                let positionEnd =_attributes.positionEnd.array
                let position1 =_attributes.position1.array
                let count =_attributes.position.count
                for (let j = 0; j < count *3; j++) {
                    _attributes.position.array[j] = position1[j] *val + positionEnd[j] * (1 - val)
                }
           }
           _attributes.position.needsUpdate = true // 设置更新
       }
    }

7. 添加渲染场景 render

创建容器。

定义 render 渲染器，设置各个参数。

将渲染器添加到容器里。

自定义的渲染函数 render，在渲染函数里面我们利用 TWEEN.update 去更新模型的状态。

调用自定义的循环动画执行函数 animate，利用 requestAnimationFrame 方法进行逐帧渲染。

let container = document.createElement('div');
    document.body.appendChild(container);
   renderer = new THREE.WebGLRenderer({
       antialias: true,
       alpha: true
   });
   renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio);
   renderer.setClearColor(scene.fog.color);
    renderer.setClearAlpha(0.8);
   renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
   container.appendChild(renderer.domElement); // 添加 webgl 渲染器
 
   function render() {
       particleSystem.rotation.y += 0.0001;
       TWEEN.update();
       particleSystem.rotation.y += (mouseX + camera.rotation.x) * .00001;
       camera.lookAt(new THREE.Vector3(-10, -5, -10))
       controls.update();
       renderer.render(scene, camera);
    }
   function animate() { // 开始循环执行渲染动画
       requestAnimationFrame(animate);
       render();
    }

8. 添加鼠标操作事件实现角度控制

我们还可以添加鼠标操作事件实现角度控制，其中 winX、winY 分别为 window 的宽高的一半，当然具体的坐标位置可以根据自己的需求进行计算，具体的效果如下图所示。

document.addEventListener('mousemove', onDocumentMouseMove, false);
   function onDocumentMouseMove(event) {
       mouseX = (event.clientX - winX) / 2;
       mouseY = (event.clientY - winY) / 2;
    }

三、优化方案

1. 减少粒子数量

随着粒子数量的增加，需要的计算每个粒子的位置和大小将会非常耗时，可能会造成动画卡顿或出现页面假死的情况，所以我们在建立模型时可尽量减少粒子的数量，能够有效提升性能。

在以上示例中，我们改变导出模型的精细程度，可以得到不同数量的粒子系统，当粒子数量达到几十万甚至几百万的时候，在动画加载时可以感受到明显的卡顿现象，这主要是由于 fps 比较低，具体的对比效果如下图所示，左边粒子数量为 30 万，右边粒子数量为 6 万，可以明显看出左边跳帧明显，右边基本保持比较流畅的状态。 2. 采用 GPU 渲染方式

编写片元着色器代码，利用 webgl 可以为 canvas 提供硬件 3D 加速，浏览器可以更流畅地渲染页面。目前大多数设备都已经支持该方式，需要注意的是在低端的设备上由于硬件设备原因，渲染的速度可能不及基于 cpu 计算的方式渲染。

四、总结

综上所述，实现粒子动效的关键在于计算、维护每个粒子的位置状态，而 three.js 提供了较为便利的方法，可以用于渲染整个粒子场景。当粒子数量极为庞大时，想要实现较为流畅的动画效果需要注意优化代码、减少计算等，也可以通过提升硬件配置来达到效果。本文中的案例为大家展示了 3D 粒子动效如何实现，大家可以根据自己的实际需求去制作更炫酷的动态效果。