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react-three-fiber实现炫酷3D粒子效果首页

2024-04-02 19:55

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背景

初学者怎么用react-three-fiber实现一个炫酷粒子效果的首页

Three.js工作原理

场景(Scene)、相机(Camera)和渲染器(Renderer)构成了web端展示3D模型的基本脚手架，HTML<canvas>元素则可以让我们在页面中看到3D模型。

场景(Scene)

场景是3D模型的载体，可以将场景视为所有 3D 对象都存在于其中的“小宇宙”。

import { Scene } from 'three';
const scene = new Scene();

场景拥有一个3D 笛卡尔坐标系也是俗称的右手坐标系，它是我们在three.js 中处理可见对象时的主要参考框架。

场景的中心是点(0,0,0)，也称为坐标原点。每当我们创建一个新对象并放入场景中时，默认是放置在原点。

相机(Camera)

在场景搭建好之后，我们需要将3D场景转化为人眼2D视角可见的东西，就需要引入相机，进行这种转换有很多种相机模式。对我们来说，最重要的相机是透视相机(PerspectiveCamera)，它是模拟人眼视角，从一个点到物体的视角成像，遵循近大远小的原理。

import { PerspectiveCamera } from 'three';
const fov = 75; // 摄像机视锥体垂直视野角度
const aspect = container.clientWidth / container.clientHeight; //摄像机视锥体长宽比
const near = 0.1; // 摄像机视锥体近端面
const far = 100; // 摄像机视锥体远端面
const camera = new PerspectiveCamera(fov, aspect, near, far);

渲染器(renderer)

渲染器通过相机观察3D场景，并将看到的东西绘制到<canvas>上，我们把这个过程叫做渲染。

import { WebGLRenderer } from 'three';
const renderer = new WebGLRenderer();

虽然场景、相机和渲染器一起为我们提供了 three.js 的基本脚手架。但是我们无法在页面上看到脚手架的存在。

网格对象(mesh)

网格是 3D 计算机图形学中最常见的一种可见对象，用于显示各种 3D 对象。还有其他种类的可见对象，例如线条、形状、精灵和粒子等等。

网格一般包含几何模型和材质，在创建网格之前，需要创建几何模型和材质。

import { Mesh } from 'three';
const mesh = new Mesh(geometry, material);

几何模型形状定义了网格的形状，而材质定义了网格的表面外观。

基于以上介绍可以写一个简单的three.js demo。

// 场景
const scene = new THREE.Scene();
// 相机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera( 70, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.01, 10 );
camera.position.z = 1;
 // 模型
const geometry = new THREE.BoxGeometry( 0.2, 0.2, 0.2 );
const material = new THREE.MeshNormalMaterial();
const mesh = new THREE.Mesh( geometry, material );
scene.add( mesh );
const renderer = new THREE.WebGLRenderer( { antialias: true } );
renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
renderer.setAnimationLoop( animation );
document.body.appendChild( renderer.domElement );

function animation( time ) {

    mesh.rotation.x = time / 2000;
    mesh.rotation.y = time / 1000;

    renderer.render( scene, camera );
 }

react-three-fiber

react-three-fiber在它的github的readme.md上声明了三点前提:

在 Threejs 中可以实现的都可以在react-three-fiber实现。
react-three-fiber没有额外的开销，并且由于 Reacts 调度能力，它在规模上优于 Threejs。
react-three-fiber可以跟上three.js的频繁功能更新，three.js版本添加、删除或更改功能，无需依赖此库的更新。

react-three-fiber的生态系统

画布(Canvas)

Canvas 组件在幕后做了一些重要的设置工作：

它设置了Scene和Camera，这是渲染所需的基本构建块

它每帧渲染我们的场景，不需要传统的渲染循环

import ReactDOM from 'react-dom'
import { Canvas } from '@react-three/fiber'
function App() {
    return (
    <div id="canvas-container">
      <Canvas />
    </div>)
}
ReactDOM.render(<App />, document.getElementById('root'))

Canvas 响应适应父节点，因此可以通过更改父节点的宽度和高度来控制它的大小，在本例中为 #canvas-container。

上面的three.js demo 代码用react-three-fiber实现如下：

import React from "react";
import { Canvas } from "react-three-fiber";
import "./styles.css";
export default function App() {
  return (
    <div className="App">
      <Canvas>
        <mesh>
          <boxBufferGeometry />
          <meshPhongMaterial />
        </mesh>
        <ambientLight args={[0xff0000]} intensity={0.1} />
        <directionalLight position={[0, 0, 5]} intensity={0.5} />
      </Canvas>
    </div>
  );
}

3D粒子模型构建

首先看一段非常简单的粒子模型的three.js实现

// 创建一个球体几何对象
 var geometry = new THREE.SphereGeometry(100, 25, 25); 
// 创建一个点材质对象 
var material = new THREE.PointsMaterial({
    color: 0x0000ff, //颜色
    size: 3, //点渲染尺寸
});
// 点模型对象 参数：几何体 点材质 
let point = new THREE.Points(geometry, material); 
// 网格模型添加到场景中
 scene.add(point);

THREE.Points - 用来创造点的类，也用来批量管理粒子，这个类的构造函数可以接受两个参数，一个几何体和一个材质，几何体参数用来定义粒子的位置坐标，而材质参数用来格式化粒子.

在threejs的粒子系统中，每个粒子其实是一张图片或者一个canvas而不是3D的物体。
当粒子量级非常大时，可以用BufferGeometry来代替Geometry的顶点，因为它可以将数据存储在缓冲区中，减少数据传递到GPU的成本，同时因为在缓冲区，所以更适合静态的物体。

实现思路

定义buffer几何体，并填充数据

创建buffer几何体

<bufferGeometry attach="geometry"></bufferGeometry>

几何体定义好之后需要往里填充数据。假设我们的星系是由70000颗星星组成，星系的背景零零散散的有9000颗星星环绕。我们需要确定各个点的位置和颜色。背景的星星统一由蓝色的点，我们在之后的材质里定义颜色，星系的星星使用颜色矩阵。

//背景
const bgStarsPositions = useMemo(() => {
    const bgStarsPositions = new Float32Array(parameters.stars * 3);
    // 背景星星的位置
    for (let j = 0; j < parameters.stars; j++) {
      bgStarsPositions[j * 3 + 0] = (Math.random() - 0.5) * 20;
      bgStarsPositions[j * 3 + 1] = (Math.random() - 0.5) * 20;
      bgStarsPositions[j * 3 + 2] = (Math.random() - 0.5) * 20;
    }
    return bgStarsPositions;
  }, []);

// 星系
const [positions, colors] = useMemo(() => {
    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++) {
      // 位置
      const x = Math.random() * parameters.radius;
      const branchAngle = ((i % parameters.branches) / parameters.branches) * 2 * Math.PI;
      const spinAngle = x * parameters.spin;

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

      positions[i * 3] = Math.sin(branchAngle + spinAngle) * x + randomX;
      positions[i * 3 + 1] = randomY;
      positions[i * 3 + 2] = Math.cos(branchAngle + spinAngle) * x + randomZ;

      //颜色

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

      colors[i * 3 + 0] = mixedColor.r;
      colors[i * 3 + 1] = mixedColor.g;
      colors[i * 3 + 2] = mixedColor.b;
    }
    return [positions, colors];
  }, []);

将位置和颜色赋值到buffer几何体的attribute里

//星系
<bufferGeometry attach="geometry">
    <bufferAttribute
        attachObject={['attributes', 'position']}
        count={70000}
        array={positions}
        itemSize={3}></bufferAttribute>
    <bufferAttribute
        attachObject={['attributes', 'color']}
        count={70000}
        array={colors}
        itemSize={3}></bufferAttribute>
</bufferGeometry>

//背景
<bufferGeometry attach="geometry">
    <bufferAttribute
        attachObject={['attributes', 'position']}
        count={parameters.stars}
        array={bgStarsPositions}
        itemSize={3}></bufferAttribute>
</bufferGeometry>

将buffer几何体包裹在点模型中，并为每个点引入材质

引入点材质

const textureLoader = new THREE.TextureLoader();
const shape = textureLoader.load('1.png');

为每个点，加载材质。

// 背景
<points ref={bgstart}>
      <bufferGeometry attach="geometry">
        <bufferAttribute
          attachObject={['attributes', 'position']}
          count={parameters.stars}
          array={bgStarsPositions}
          itemSize={3}></bufferAttribute>
      </bufferGeometry>
      <pointsMaterial
        attach="material"
        size={0.01}
        depthWrite={false}
        sizeAttenuation={true}
        blending={AdditiveBlending}
        color={'#1b3984'}
        transparent={true}
        alphaMap={shape}></pointsMaterial>

</points>

// 星系
<points ref={points}>
      <bufferGeometry attach="geometry">
        <bufferAttribute
          attachObject={['attributes', 'position']}
          count={parameters.count}
          array={positions}
          itemSize={3}></bufferAttribute>
        <bufferAttribute
          attachObject={['attributes', 'color']}
          count={parameters.count}
          array={colors}
          itemSize={3}></bufferAttribute>
      </bufferGeometry>
      <pointsMaterial
        attach="material"
        size={0.01}
        depthWrite={false}
        sizeAttenuation={true}
        blending={AdditiveBlending}
        vertexColors={true}
        transparent={true}
        alphaMap={shape}></pointsMaterial>
</points>

加入旋转动画

//背景
const bgstart = useRef<any>();

useFrame(state => {
    const elapsedTime = state.clock.elapsedTime;
    bgstart.current.rotation.y = -elapsedTime * 0.05;
});

//星系
const points = useRef<any>();

useFrame(state => {
    const elapsedTime = state.clock.elapsedTime;
    points.current.rotation.y = elapsedTime * 0.3;
});

小知识点：useFrame这个钩子允许你在每个渲染的帧上执行代码，比如运行效果、更新控件等等。你会收到状态和时钟增量。您的回调函数将在渲染帧之前被调用。当组件卸载时，它会自动从渲染循环中取消订阅。