three.js - Animated Galaxy

  • 本篇文章將要繪制一個具有動畫效果的galaxy登颓,關于galaxy的實現(xiàn)可以參考之前的這篇筆記 Galaxy趾断,我們在此基礎上做了部分修改
  • We saw that animating each particles is a bad idea, animating the geometry buffer attribute on each frame is a bad idea, it must be have frame rate issue
  • so we're going to animate each particles by using vertex shader
  • Set up
<script setup>
  import * as THREE from 'three'
  import { OrbitControls } from 'three/addons/controls/OrbitControls.js';
  import * as dat from 'dat.gui'

  /**
   * scene
  */
  const scene = new THREE.Scene()

  /**
   * Camera
  */
  const camera = new THREE.PerspectiveCamera(
    75,
    window.innerWidth / window.innerHeight,
    0.1,
    100
  )
  camera.position.set(3, 3, 3)

  /**
   * Renderer
  */
  const renderer = new THREE.WebGLRenderer()
  renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight)
  renderer.setPixelRatio(Math.min(window.devicePixelRatio, 2))
  document.body.appendChild(renderer.domElement)

  window.addEventListener('resize', () => {
    camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight
    camera.updateProjectionMatrix()

    renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight)
    renderer.setPixelRatio(Math.min(window.devicePixelRatio, 2))
  })

  /**
   * control
  */
  const controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement)
  controls.enableDamping = true

  /**
   * render
  */
  const clock = new THREE.Clock()
  function tick () {
    let elapsedTime = clock.getElapsedTime()

    controls.update()
    requestAnimationFrame(tick)
    renderer.render(scene, camera)
  }
  tick()
</script>
  • 基于之前已實現(xiàn)的 Galaxy 修改后的 Galaxy神年,添加對應屬性的gui
  /**
   * Galaxy
  */
  // 參數(shù)
  const parameters = {
    count: 200000,
    size: 0.005,
    radius: 5,  // 星系半徑
    branches: 3,  // 星系分支闰蛔,平分星系角度
    spin: 1,  // 旋轉(zhuǎn)系數(shù)褒翰,geometry距離原點越遠旋轉(zhuǎn)角度越大
    randomness: 0.5,  // 隨機性
    randomnessPower: 3,  // 隨機性系數(shù)苍狰,可控制曲線變化
    insideColor: '#ff6030',
    outsideColor: '#1b3984',
  }

  let geometry = null
  let material = null
  let points = null

  const generateGalaxy = () => {
    if(points !== null) {
      geometry.dispose()
      material.dispose()
      scene.remove(points)
    }
    // geometry
    geometry = new THREE.BufferGeometry()

    const positions = new Float32Array(parameters.count * 3)
    const colors = new Float32Array(parameters.count * 3)

    const colorInside = new THREE.Color(parameters.insideColor)
    const colorOutside = new THREE.Color(parameters.outsideColor)

    for(let i = 0; i < parameters.count; i++) {
      const i3 = i * 3 

      // Position
      const radius = Math.random() * parameters.radius  
      const branchAngle = (i % parameters.branches) / parameters.branches * Math.PI * 2 

      const randomX = Math.pow(Math.random(), parameters.randomnessPower) * (Math.random() < 0.5 ? 1 : - 1) * parameters.randomness * radius
      const randomY = Math.pow(Math.random(), parameters.randomnessPower) * (Math.random() < 0.5 ? 1 : - 1) * parameters.randomness * radius
      const randomZ = Math.pow(Math.random(), parameters.randomnessPower) * (Math.random() < 0.5 ? 1 : - 1) * parameters.randomness * radius

      positions[i3] = Math.cos(branchAngle) * radius + randomX
      positions[i3 + 1] = randomY
      positions[i3 + 2] = Math.sin(branchAngle) * radius + randomZ

      // Color
      const mixedColor = colorInside.clone()
      mixedColor.lerp(colorOutside, radius / parameters.radius)

      colors[i3] = mixedColor.r
      colors[i3 + 1] = mixedColor.g
      colors[i3 + 2] = mixedColor.b
    }
    geometry.setAttribute('position', new THREE.BufferAttribute(positions, 3))
    geometry.setAttribute('color', new THREE.BufferAttribute(colors, 3))

    // material
    material = new THREE.PointsMaterial({
      size: parameters.size,
      sizeAttenuation: true,
      depthWrite: false,
      blending: THREE.AdditiveBlending,
      vertexColors: true,
    })

    // Points
    points = new THREE.Points(geometry, material) 
    scene.add(points)
  }
  generateGalaxy()
  /**
   * gui
  */
  const gui = new dat.GUI()
  gui.add(parameters, 'count')
    .min(100)
    .max(1000000)
    .step(100)
    .onFinishChange(generateGalaxy)
  gui.add(parameters, 'radius')
    .min(0.01)
    .max(20)
    .step(0.01)
    .onFinishChange(generateGalaxy)
  gui.add(parameters, 'branches')
    .min(2)
    .max(20)
    .step(1)
    .onFinishChange(generateGalaxy)
  gui.add(parameters, 'randomness')
    .min(0)
    .max(2)
    .step(0.001)
    .onFinishChange(generateGalaxy)
  gui.add(parameters, 'randomnessPower')
    .min(1)
    .max(10)
    .step(0.001)
    .onFinishChange(generateGalaxy)
  gui.addColor(parameters, 'insideColor').onFinishChange(generateGalaxy)
  gui.addColor(parameters, 'outsideColor').onFinishChange(generateGalaxy)
修改后的最初的galaxy.png
  • The first, we're going to create our own shader, we're going to replace PointsMaterial by ShaderMaterial
    • we get a warning telling us that the ShaderMaterial supports neither size nor sizeAttenuation, so remove these properties
    // material
    material = new THREE.ShaderMaterial({
      depthWrite: false,
      blending: THREE.AdditiveBlending,
      vertexColors: true,
    })
warning.png
ShaderMaterial.png
  • Shader
  import vertexShader from './animated-galaxy/vertex.glsl'
  import fragmentShader from './animated-galaxy/fragment.glsl'

    // material
    material = new THREE.ShaderMaterial({
      depthWrite: false,
      blending: THREE.AdditiveBlending,
      vertexColors: true,
      vertexShader,
      fragmentShader,
    })
// vertex.glsl
void main () {
  // Position
  vec4 modelPosition =  modelMatrix * vec4(position, 1.0);
  vec4 viewPosition = viewMatrix * modelPosition;
  vec4 projectedPosition = projectionMatrix * viewPosition;

  gl_Position = projectedPosition;

  // Size
  gl_PointSize = 2.0; // 內(nèi)置變量露筒,fragment size
}
// fragment.glsl
void main () {
  gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
}
shader.png
  • Handle the Size
    • because we're not use the PointsMaterial, we need to redo the color, the size, the size attenuation...
      // material
      material = new THREE.ShaderMaterial({
        ...
        uniforms: {
          uSize: {value: 8}
        }
      })
    
    // vertex.glsl
    uniform float uSize;
    
    void main () {
      // Position
      ...
    
      // Size
      gl_PointSize = uSize; // fragment size
    }
    
    • in real life, stars have different sizes, we can send a random value in the attributes
    const generateGalaxy = () => {
      ...
      ...
      const scales = new Float32Array(parameters.count)
    
      for(let i = 0; i < parameters.count; i++) {
          ...
          ...
          // Size
          scales[i] = Math.random()
      }
      ...
      geometry.setAttribute('aScale', new THREE.BufferAttribute(scales, 1))
    }
    
// vertex.glsl
uniform float uSize;

attribute float aScale;

void main () {
  // Position
  ...

  // Size
  gl_PointSize = uSize * aScale; // fragment size
}
Size.png
  • Fix the pixel ratio
    • the gl_PointSize means the fragment size(這里最好要理解下設備像素比的概念耻涛, 即物理像素/邏輯像素)
    • if you have a screen with a pixel ratio of 1, the particles will look 2 times larger than if the screen with a pixel ratio of 2
    • 瀏覽器獲取設備像素比的方法是window.devicePixelRatio废酷,但我們在構造render的部分已經(jīng)設置過了renderer.setPixelRatio(Math.min(window.devicePixelRatio, 2))
    // material
    material = new THREE.ShaderMaterial({
      ...
      uniforms: {
        uSize: {value: 8 * renderer.getPixelRatio()}
      }
    })

  /**
   * Renderer
  */
  ...

  window.addEventListener('resize', () => {
    ...
    renderer.setPixelRatio(Math.min(window.devicePixelRatio, 2))
  })
  generateGalaxy()  // 將調(diào)用移動至renderer后面,防止上面在獲取renderer變量時報錯
  • Size Attenuation
    • 當我們只關注一顆particle時抹缕,會發(fā)現(xiàn)不管頁面放大或是縮小澈蟆,particle始終保持著相同大小
    • 我們當前使用的perspectiveCamera,呈現(xiàn)效果應當是particle距離camera越遠歉嗓,尺寸越小丰介,這就是size attenuation
    • 原先使用PointsMaterial時,直接設置sizeAttenuation: true就可以了鉴分,但在shader中我們需要自己實現(xiàn)這一部分
    • we're going to take the code from the three.js depedency哮幢,PointsMaterial的頂點著色器文件路徑: /node_modules/three/src/renderers/shaders/ShaderLib/points.glsl.js,我們需要關注的就是以下這段
      #ifdef USE_SIZEATTENUATION
          // 只有在perspectiveCamera下才會工作
          bool isPerspective = isPerspectiveMatrix( projectionMatrix );
    
          // scale is a value related to the renderer hight
          // particle的大小會根據(jù)屏幕的高度拉伸志珍,這樣不管是在大屏幕還是小屏幕橙垢,看到的particle都會差不多
    
          // mvPosition correspond to the position of the  vertex once the modelMatrix and the viewMatrix
          // in our case, it's viewPosition
          if ( isPerspective ) gl_PointSize *= ( scale / - mvPosition.z );
    
      #endif
    
    • 基于以上的代碼來修改我們自己的,然后就會發(fā)現(xiàn)距離camare近的particle尺寸相對遠的較大伦糯,這就是size attenuation柜某,但我們在這部分并不想讓particle隨著屏幕大小的改變而拉伸
    // vertex.glsl
    ...
    void main () {
      ...
      ...
      // Size
      gl_PointSize = uSize * aScale; // fragment size
      gl_PointSize *= ( 1.0 / - viewPosition.z );
    }
    
Size attenuation.png
  • To draw our particle pattern
    • 通常是可以使用Meshuv屬性來實現(xiàn)一些圖案的,但在這里敛纲,我們使用的是new THREE.Points()喂击,Points對象是用于渲染大量的點的對象,他不具有uv屬性淤翔,uv屬性通常與Mesh一起使用翰绊,用于紋理映射
    • 在當前文件結構里,我們每一個vertex就代表一個particle旁壮,fragment當然也一樣监嗜,所以我們使用了內(nèi)置變量gl_PointCoord
    • gl_PointCoord是一個二維向量,x 和 y 的取值范圍都是[0, 1]抡谐,表示當前片段在 Point Spirit 上的歸一化坐標位置
    • 如下裁奇,在fragment中測試一下,看看得到的結果麦撵,同時再繼續(xù)實現(xiàn)更多的形狀
    // fragment.glsl
    void main () {
      gl_FragColor = vec4(gl_PointCoord, 1.0, 1.0);
    }
    
gl_PointCoord.png
  • Disc Pattern刽肠,邊緣清晰的圓形
// fragment.glsl
void main () {
  // disc
  float strength = distance(gl_PointCoord, vec2(0.5));   // 計算當前片段與圓心(0.5, 0.5)的距離
  strength = step(0.5, strength);
  strength = 1.0 - strength;

  gl_FragColor = vec4(vec3(strength), 1.0);
}
Disc Pattern.png
  • Diffuse Point Pattern溃肪,邊緣擴散的particle
// fragment.glsl
void main () {
  // diffuse point
  float strength = distance(gl_PointCoord, vec2(0.5));
  strength *= 2.0;
  strength = 1.0 - strength;

  gl_FragColor = vec4(vec3(strength), 1.0);
}
Diffuse Point Pattern.png
  • Light Point Pattern
// fragment.glsl
void main () {
  // light point
  float strength = distance(gl_PointCoord, vec2(0.5));
  strength = 1.0 - strength;
  strength = pow(strength, 10.0);

  gl_FragColor = vec4(vec3(strength), 1.0);
}
  material = new THREE.ShaderMaterial({
    ...
    ...
    uniforms: {
      uSize: {value: 30 * renderer.getPixelRatio()}
    }
  })
Light Point Pattern.png
  • Handle the Color
// vertex.glsl
...
varying vec3 vColor;

void main () {
  ...
  ...
  // Color
  vColor = color;
}
// fragmrnt.glsl
varying vec3 vColor;

void main () {
  // light point
  float strength = distance(gl_PointCoord, vec2(0.5));
  strength = 1.0 - strength;
  strength = pow(strength, 10.0);

  // Color
  vec3 color = mix(vec3(0.0), vColor, strength);  // 將黑色與color混合
  gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
}
Handle the Color.png
  • Animate
    • we only need to rotate the particles on x and z
    • we calculate the particle angle and its distance to the center 我們計算particle和x軸之間的夾角以及particle到中心點的距離
    • we increase that angle according to the uTime and distance
    • we can use atan() to retrieve the angle 用于計算給定數(shù)值的反正切值
    // material
    material = new THREE.ShaderMaterial({
      ...
      uniforms: {
        uSize: {value: 30 * renderer.getPixelRatio()},
        uTime: {value: 0}
      }
    })
  /**
   * render
  */
  const clock = new THREE.Clock()
  function tick () {
    let elapsedTime = clock.getElapsedTime()

    // update material
    material.uniforms.uTime.value = elapsedTime
    ...
  }
  tick()
// vertex.glsl
uniform float uSize;
uniform float uTime;
...

void main () {
  // Position
  vec4 modelPosition =  modelMatrix * vec4(position, 1.0);

  float angle = atan(modelPosition.x, modelPosition.z);
  float distanceToCenter = length(modelPosition.xz);
  float angleOffset = (1.0 / distanceToCenter) * uTime * 0.2;
  angle += angleOffset;
  modelPosition.x = cos(angle) * distanceToCenter;
  modelPosition.z = sin(angle) * distanceToCenter;
  ...
  ...
}
Animate.png
  • 增加旋轉(zhuǎn)后的隨機性
    • 在創(chuàng)建galaxy時設置了一個參數(shù)randomness,只在設置初始position時使用了音五,旋轉(zhuǎn)過程中卻沒有使用
    • 旋轉(zhuǎn)過程中particle分布的隨機性不好的話乍惊,就容易變得越來越線條,particle不能很好的分布在軸線附近放仗,可以對比上下兩張圖,還是較為直觀的
const generateGalaxy = () => {
  ...
  ...
  const randomness = new Float32Array(parameters.count * 3)
  ...
  for(let i = 0; i < parameters.count; i++) {
      ...
      // Position
      const radius = Math.random() * parameters.radius  
      const branchAngle = (i % parameters.branches) / parameters.branches * Math.PI * 2 

      positions[i3] = Math.cos(branchAngle) * radius
      positions[i3 + 1] = 0
      positions[i3 + 2] = Math.sin(branchAngle) * radius

      // random
      const randomX = Math.pow(Math.random(), parameters.randomnessPower) * (Math.random() < 0.5 ? 1 : - 1) * parameters.randomness * radius
      const randomY = Math.pow(Math.random(), parameters.randomnessPower) * (Math.random() < 0.5 ? 1 : - 1) * parameters.randomness * radius
      const randomZ = Math.pow(Math.random(), parameters.randomnessPower) * (Math.random() < 0.5 ? 1 : - 1) * parameters.randomness * radius

      randomness[i3] = randomX
      randomness[i3 + 1] = randomY
      randomness[i3 + 2] = randomZ
      ...
      ...
  } 
  ...
  geometry.setAttribute('aRandomness', new THREE.BufferAttribute(randomness, 3))
  ...
  ...
}
// vertex.glsl
...
attribute vec3 aRandomness;
...
void main () {
    // Position
    ...
    ...
    // random
    modelPosition.xyz += aRandomness;
    ...
    ...
}
randomness.png
?著作權歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
  • 序言:七十年代末撬碟,一起剝皮案震驚了整個濱河市诞挨,隨后出現(xiàn)的幾起案子,更是在濱河造成了極大的恐慌呢蛤,老刑警劉巖惶傻,帶你破解...
    沈念sama閱讀 206,482評論 6 481
  • 序言:濱河連續(xù)發(fā)生了三起死亡事件,死亡現(xiàn)場離奇詭異其障,居然都是意外死亡银室,警方通過查閱死者的電腦和手機,發(fā)現(xiàn)死者居然都...
    沈念sama閱讀 88,377評論 2 382
  • 文/潘曉璐 我一進店門励翼,熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來蜈敢,“玉大人,你說我怎么就攤上這事汽抚∽ハ粒” “怎么了?”我有些...
    開封第一講書人閱讀 152,762評論 0 342
  • 文/不壞的土叔 我叫張陵造烁,是天一觀的道長否过。 經(jīng)常有香客問我,道長惭蟋,這世上最難降的妖魔是什么苗桂? 我笑而不...
    開封第一講書人閱讀 55,273評論 1 279
  • 正文 為了忘掉前任,我火速辦了婚禮告组,結果婚禮上煤伟,老公的妹妹穿的比我還像新娘。我一直安慰自己惹谐,他們只是感情好持偏,可當我...
    茶點故事閱讀 64,289評論 5 373
  • 文/花漫 我一把揭開白布。 她就那樣靜靜地躺著氨肌,像睡著了一般鸿秆。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪。 梳的紋絲不亂的頭發(fā)上怎囚,一...
    開封第一講書人閱讀 49,046評論 1 285
  • 那天卿叽,我揣著相機與錄音桥胞,去河邊找鬼。 笑死考婴,一個胖子當著我的面吹牛贩虾,可吹牛的內(nèi)容都是我干的。 我是一名探鬼主播沥阱,決...
    沈念sama閱讀 38,351評論 3 400
  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開眼缎罢,長吁一口氣:“原來是場噩夢啊……” “哼!你這毒婦竟也來了考杉?” 一聲冷哼從身側(cè)響起策精,我...
    開封第一講書人閱讀 36,988評論 0 259
  • 序言:老撾萬榮一對情侶失蹤,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎崇棠,沒想到半個月后咽袜,有當?shù)厝嗽跇淞掷锇l(fā)現(xiàn)了一具尸體,經(jīng)...
    沈念sama閱讀 43,476評論 1 300
  • 正文 獨居荒郊野嶺守林人離奇死亡枕稀,尸身上長有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內(nèi)容為張勛視角 年9月15日...
    茶點故事閱讀 35,948評論 2 324
  • 正文 我和宋清朗相戀三年询刹,在試婚紗的時候發(fā)現(xiàn)自己被綠了。 大學時的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片萎坷。...
    茶點故事閱讀 38,064評論 1 333
  • 序言:一個原本活蹦亂跳的男人離奇死亡凹联,死狀恐怖,靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出食铐,到底是詐尸還是另有隱情匕垫,我是刑警寧澤,帶...
    沈念sama閱讀 33,712評論 4 323
  • 正文 年R本政府宣布虐呻,位于F島的核電站象泵,受9級特大地震影響,放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏斟叼。R本人自食惡果不足惜偶惠,卻給世界環(huán)境...
    茶點故事閱讀 39,261評論 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望朗涩。 院中可真熱鬧忽孽,春花似錦、人聲如沸谢床。這莊子的主人今日做“春日...
    開封第一講書人閱讀 30,264評論 0 19
  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽识腿。三九已至出革,卻和暖如春,著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間渡讼,已是汗流浹背骂束。 一陣腳步聲響...
    開封第一講書人閱讀 31,486評論 1 262
  • 我被黑心中介騙來泰國打工耳璧, 沒想到剛下飛機就差點兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道東北人展箱。 一個月前我還...
    沈念sama閱讀 45,511評論 2 354
  • 正文 我出身青樓旨枯,卻偏偏與公主長得像,于是被迫代替她去往敵國和親混驰。 傳聞我的和親對象是個殘疾皇子攀隔,可洞房花燭夜當晚...
    茶點故事閱讀 42,802評論 2 345

推薦閱讀更多精彩內(nèi)容