基于 three.js 的 3D 粒子動效實現

作者：個推web前端開發工程師 梁神

一、背景

粒子特效是為模擬現實中的水、火、霧、氣等效果由各種三維軟件開發的制作模塊，原理是將無數的單個粒子組合使其呈現出固定形態，借由控制器、腳本來控制其整體或單個的運動，模擬出現真實的效果。three.js是用JavaScript編寫的WebGL的第三方庫，three.js提供了豐富的API幫助我們去實現3D動效，本文主要介紹如何使用three.js實現粒子過渡效果，以及基本的鼠標交互操作。（注：本文使用的關于three.js的API都是基于版本r98的。）

二、實現步驟

1. 創建渲染場景scene

scene實際上相當于一個三維空間，用于承載和顯示我們所定義的一切，包括相機、物體、燈光等。在實際開發時為了方便觀察可添加一些輔助工具，比如網格、坐標軸等。

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

2. 添加照相機camera

THREE里面實現了幾種相機：PerspectiveCamera（透視相機）、 OrthographicCamera（正交投影相機）、CubeCamera（立方體相機或全景相機）和 StereoCamera（3D相機）。本文介紹我們主要用到的 PerspectiveCamera（透視相機）：

視覺效果是近大遠小。

配置參數 PerspectiveCamera（fov, aspect, near, far）。

fov：相機的可視角度。

aspect：相機可視范圍的長寬比。

near：相對于深度剪切面的遠的距離。

far：相對于深度剪切面的遠的距離。

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

3. 添加場景渲染需要的燈光

three.js里面實現的光源：AmbientLight（環境光）、DirectionalLight（平行光）、HemisphereLight（半球光）、PointLight（點光源）、RectAreaLight（平面光源）、SpotLight（聚光燈）等。配置光源參數時需要注意顏色的疊加效果，如環境光的顏色會直接作用于物體的當前顏色。各種光源的配置參數有些區別，下面是本文案例中會用到的二種光源。

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. 創建、導出并加載模型文件loader

創建模型，可以使用three.js editor進行創建或者用three.js的基礎模型生成類進行生成，相對復雜的或者比較特殊的模型需要使用建模工具進行創建（c4d、3dmax等）。

使用three.js editor進行創建，可添加基本幾何體，調整幾何體的各種參數（位置、顏色、材質等）。

使用模型類生成。

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 );

導出需要的模型文件（此處使用的是 obj格式的模型文件）。

加載并解析模型文件數據。

let onProgress = function (xhr) {
       if (xhr.lengthComputable) {
           // 可進行計算得知模型加載進度
       }
   };
   let onError = function () {};
   particleSystem = new THREE.Group();
   var texture = new THREE.TextureLoader().load('./point.png');
   new THREE.OBJLoader().load('./model.obj', function (object) {
       // object 模型文件數據
   }, onProgress, onError);

5. 將導入到模型文件轉換成粒子系統Points

獲取模型的坐標值。

拷貝粒子坐標值到新建屬性position1上 ，這個作為粒子過渡效果的最終坐標位置。

給粒子系統添加隨機三維坐標值position，目的是把每個粒子位置打亂，設定起始位置。

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. 通過tween動畫庫實現粒子坐標從position到position1點轉換

利用 TWEEN 的緩動算法計算出各個粒子每一次變化的坐標位置，從初始位置到結束位置時間設置為2s（可自定義），每次執行計算之后都需要將attributes的position屬性設置為true，用來提醒場景需要更新，在下次渲染時，render會使用最新計算的值進行渲染。

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('過渡完成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 // 設置更新
       }
    }

7. 添加渲染場景render

創建容器。

定義render渲染器，設置各個參數。

將渲染器添加到容器里。

自定義的渲染函數 render，在渲染函數里面我們利用 TWEEN.update 去更新模型的狀態。

調用自定義的循環動畫執行函數 animate，利用requestAnimationFrame方法進行逐幀渲染。

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() { // 開始循環執行渲染動畫
       requestAnimationFrame(animate);
       render();
    }

8. 添加鼠標操作事件實現角度控制

我們還可以添加鼠標操作事件實現角度控制，其中winX、winY分別為window的寬高的一半，當然具體的坐標位置可以根據自己的需求進行計算，具體的效果如下圖所示。

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

三、優化方案

1. 減少粒子數量

隨著粒子數量的增加，需要的計算每個粒子的位置和大小將會非常耗時，可能會造成動畫卡頓或出現頁面假死的情況，所以我們在建立模型時可盡量減少粒子的數量，能夠有效提升性能。

在以上示例中，我們改變導出模型的精細程度，可以得到不同數量的粒子系統，當粒子數量達到幾十萬甚至幾百萬的時候，在動畫加載時可以感受到明顯的卡頓現象，這主要是由于fps比較低，具體的對比效果如下圖所示，左邊粒子數量為30萬，右邊粒子數量為6萬，可以明顯看出左邊跳幀明顯，右邊基本保持比較流暢的狀態。

2. 采用GPU渲染方式

編寫片元著色器代碼，利用webgl可以為canvas提供硬件3D加速，瀏覽器可以更流暢地渲染頁面。目前大多數設備都已經支持該方式，需要注意的是在低端的設備上由于硬件設備原因，渲染的速度可能不及基于cpu計算的方式渲染。

四、總結

綜上所述，實現粒子動效的關鍵在于計算、維護每個粒子的位置狀態，而three.js提供了較為便利的方法，可以用于渲染整個粒子場景。當粒子數量極為龐大時，想要實現較為流暢的動畫效果需要注意優化代碼、減少計算等，也可以通過提升硬件配置來達到效果。本文中的案例為大家展示了3D粒子動效如何實現，大家可以根據自己的實際需求去制作更炫酷的動態效果。