如何1人5天开发超炫酷3D数据可视化大屏

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-10-25 04:50 440阅读 0赞

## 前言 ##

![format_png][]

最近上线的项目如上。

本次将会围绕这一大屏应用的部分技术进行分享，其中包含以下内容：

*  路径
 *  能量光罩于噪声处理
 *  bloom辉光
 *  飞线
 *  视频材质的应用

## 1. 路径 ##

路径可以说是我们在可视化开发中较为常用了。

线的显示本身是路径，飞线的方向需要路径，物体按照某轨道移动也需要路径。

### 1.1 路径移动 ###

路径移动的实现很简单，使用`THREE.CurvePath`插值工具配合动画工具就可以达到效果。

这里与`@tweenjs/tween.js`配合使用，编写了一个简单的函数，让某一物体沿着特定路径均匀移动。

/**
     * @param {THREE.CurvePath} curve 曲线工具
     * @param {Object} object 要移动的Object3d对象
     * @param {Number} duration 动画时间
     */
    export function pathNavigation(curve, object, duration = 2000) {
      return new Promise((resolve) => {
        const tween = new TWEEN.Tween({ t: 0 });
        tween.to({ t: 1 }, duration);
        tween.onUpdate(({ t }) => {
          object.position.copy(curve.getPoint(t)); // 每帧更新位置
        });
        tween.onComplete(resolve);
        tween.start();
      });
    }
    
    // 使用方法：
    
    const curve = new THREE.CurvePath();
    curve.push(/* line1 */);
    curve.push(/* line2 */);
    curve.push(/* line3 */);
    
    const geometry = new THREE.BoxGeometry( 1, 1, 1 );
    const material = new THREE.MeshBasicMaterial( {color: 0x00ff00} );
    const cube = new THREE.Mesh( geometry, material );
    scene.add( cube );
    
    pathNavigation(curve, cube, 5000)

### 1.2 路径工具 ###

通常我们的路径都是`直角拐线`，或者就是一个贝塞尔曲线实现的抛物线。

这里我们将二者结合写了一个简单的工具，在两个线段的拐角处会用三维二次贝塞尔曲线实现`圆角拐角`。

该组件继承自`THREE.CurvePath`，以支持相应的函数。

分别使用`THREE.LineCurve3`作为直线、`THREE.QuadraticBezierCurve3`作为拐角。

![format_png 1][] 路径工具

import * as THREE from 'three';
    
    class CustomCurve extends THREE.CurvePath {
      constructor(nodes = [], radius = 0.8) {
        super();
        radius = 0.5 + radius / 2;
        if (nodes.length < 2) {
          return;
        }
        nodes.forEach((item, index) => {
          if (index) { // filter: first
            const end = new THREE.Vector3(...item);
            const start = new THREE.Vector3(...nodes[index - 1]);
            let left = start.clone();
            let right = end.clone();
            if (index !== 1) {
              left = start.clone().sub(end).multiplyScalar(radius).add(end);
            }
            if (nodes.length !== index + 1) {
              right = end.clone().sub(start).multiplyScalar(radius).add(start);
            }
            this.curves.push(new THREE.LineCurve3(left, right));
          }
          if (index && nodes.length !== index + 1) {  // filter: first and last
            const center = new THREE.Vector3(...item);
            const start = new THREE.Vector3(...nodes[index - 1]);
            const end = new THREE.Vector3(...nodes[index + 1]);
            this.curves.push(
              new THREE.QuadraticBezierCurve3(
                center.clone().sub(start).multiplyScalar(radius).add(start),
                center,
                end.clone().sub(center).multiplyScalar(1 - radius).add(center),
              ),
            );
          }
        });
      }
    }
    
    export default CustomCurve;

![format_png 2][] 路径移动

将物体换为`THREE.Sprite`以实现字体、图标的移动。

--------------------

## 2. 能量光罩 ##

![format_png 3][] 能量光罩

能量光罩，本质是一个半球，并对他的纹理进行加工。

整个模块包含四个部分：

*  SphereGeometry: 半球
 *  ShaderMaterial: shader材质
 *  texture: 一张贴图，用于实现扫描效果
 *  glsl - 边缘发光
 *  glsl - 噪声处理

#### JS代码： ####

// 首先实现一个半球
    const geometry = new THREE.SphereGeometry(
      5,
      36,
      36,
      0,
      Math.PI * 2,
      0,
      (Math.PI / 180) * 90,
    );
    // 为他增加一个shader材质：
    const material = new THREE.ShaderMaterial({
      uniforms: {
        c: { type: 'f', value: 1.5 }, // 系数
        p: { type: 'f', value: 4 },   // 强度
        backgroundTexture: {          // 用于实现扫描效果的贴图
          type: 't', 
          value: texture 
        },
        offset,                       // 扫描的偏移量
        u_resolution: {               // 用于生成噪声
          value: new THREE.Vector2(500, 500) 
        },
        u_time: time,                 // 噪声随时间变化
        glowColor,                    // 光罩的颜色
        viewVector: {                 // 相机位置
          type: 'v3', value: camera.position 
        },
      },
      vertexShader: vertex,
      fragmentShader: fragment,
      side: THREE.FrontSide,
      depthWrite: false,
      transparent: true,
    });

#### texture ####

![format_png 4][] 贴图

这里使用一张黑色的alpha渐变贴图。

![format_png 5][] 渐变

通过这张贴图来映射整个光罩扫描部分的透明度。

#### 顶点着色器 ####

顶点着色器主要为光罩的边缘发光提供计算。

uniform vec3 viewVector;
    varying vec2 vUv;
    uniform float c;
    uniform float p;
    varying float intensity;
    void main()
    {
        vUv = uv;
        vec3 vNormal = normalize(normalMatrix * normal);
        vec3 vNormel = normalize(normalMatrix * viewVector);
        intensity = pow(c - dot(vNormal, vNormel), p);      // 供片源着色器使用
        
        gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
    }

#### 片元着色器 ####

片元着色器运行主要的纹理计算代码。其中包含了噪声处理、扫描与内发光的混合计算。

在这里推荐一本在线交互式书籍`《The Book of Shaders》`，噪声处理的部分来自于其中第十一章`Noise 噪声`。

噪声处理代码引自：`Noise 噪声`\[1\]

#ifdef GL_ES
    precision mediump float;
    #endif
    
    uniform vec2 u_resolution;
    uniform float u_time;
    uniform float offset;
    uniform vec3 glowColor;
    uniform sampler2D backgroundTexture;
    
    varying float intensity;
    varying vec2 vUv;
    
    vec3 mod289(vec3 x) { return x - floor(x * (1.0 / 289.0)) * 289.0; }
    vec2 mod289(vec2 x) { return x - floor(x * (1.0 / 289.0)) * 289.0; }
    vec3 permute(vec3 x) { return mod289(((x*34.0)+1.0)*x); }
    
    float snoise(vec2 v) {
        const vec4 C = vec4(0.211324865405187,  // (3.0-sqrt(3.0))/6.0
                            0.366025403784439,  // 0.5*(sqrt(3.0)-1.0)
                            -0.577350269189626,  // -1.0 + 2.0 * C.x
                            0.024390243902439); // 1.0 / 41.0
        vec2 i  = floor(v + dot(v, C.yy) );
        vec2 x0 = v -   i + dot(i, C.xx);
        vec2 i1;
        i1 = (x0.x > x0.y) ? vec2(1.0, 0.0) : vec2(0.0, 1.0);
        vec4 x12 = x0.xyxy + C.xxzz;
        x12.xy -= i1;
        i = mod289(i); // Avoid truncation effects in permutation
        vec3 p = permute( permute( i.y + vec3(0.0, i1.y, 1.0 ))
            + i.x + vec3(0.0, i1.x, 1.0 ));
    
        vec3 m = max(0.5 - vec3(dot(x0,x0), dot(x12.xy,x12.xy), dot(x12.zw,x12.zw)), 0.0);
        m = m*m ;
        m = m*m ;
        vec3 x = 2.0 * fract(p * C.www) - 1.0;
        vec3 h = abs(x) - 0.5;
        vec3 ox = floor(x + 0.5);
        vec3 a0 = x - ox;
        m *= 1.79284291400159 - 0.85373472095314 * ( a0*a0 + h*h );
        vec3 g;
        g.x  = a0.x  * x0.x  + h.x  * x0.y;
        g.yz = a0.yz * x12.xz + h.yz * x12.yw;
        return 2500.0 * dot(m, g);  // 这里改变了噪声处理的参数
    }
    
    void main() {
        // 使用 vUv 替代 gl_FragCoord, 否则会以摄像机的角度绘制平面纹理
        // vec2 st = gl_FragCoord.xy/u_resolution.xy;
        vec2 st = vUv * 1.0;
        st.x *= u_resolution.x / u_resolution.y;
        vec3 color = vec3(0.0);
        vec2 pos = vec2(st*3.);
    
        float DF = 0.0;
    
        // Add a random position
        float a = 0.0;
        vec2 vel = vec2(u_time*.1);
        DF += snoise(pos+vel)*.25+.25;
    
        // Add a random position
        a = snoise(pos*vec2(cos(u_time*0.15),sin(u_time*0.1))*0.1)*3.1415;
        vel = vec2(cos(a),sin(a));
        DF += snoise(pos+vel)*.25+.25;
    
        color = vec3( smoothstep(.7,.75,fract(DF)) );
    
    	// offset随着时间在0 - 1之间不断变化
    	// 带入到获取alpha贴图的参数中做到贴图不断从上到下扫过
        vec4 background = texture2D(backgroundTexture, vec2(vUv.x, vUv.y + offset));
        background.a = clamp(background.a, 0.3, 0.9); // 因为最后与结果相乘，0.3控制整个光照的最低亮度，0.9控制最高亮度，如果开启辉光需要适当降低最低亮度
        float opacity = max(intensity, color.x) * background.a;
        gl_FragColor = vec4(glowColor, opacity);
    }

至此实现了能量光罩，同学们可以对不满意的地方自行定制修改增加参数。

#### 其他 ####

当前的实现因为要使用边缘发光的效果，导致无法开启双面贴图。![format_png 6][]

这里可以选择将边缘发光去掉。顶点着色器只保留vUv与gl\_position的计算即可，片元着色器如下：

// float opacity = max(intensity, color.x) * background.a;
    float opacity = max(0.5, color.x)* background.a;

![format_png 7][]

这样看起来更像一个光罩。

## 3. 辉光 ##

> 辉光会赋予场景灵魂。

光 是人类看见事物的媒介，同时光也会刺激人类的视觉感官。

与普通的灯光不同。threejs会以后期处理的形式处理辉光效果。

本次开发中未涉及到真实场景的模拟所以选择了Bloom辉光。

#### `UnrealBloomPass 辉光通道` ####

这里将官网的例子套了过来，简单实现了一下

const BLOOM_SCENE = 5; // 辉光所在层数
    const renderScene = new RenderPass(scene, camera);
    
    const bloomPass = new UnrealBloomPass(
    new THREE.Vector2(window.innerWidth, window.innerHeight),
      1.5,
      0.4,
      0.85,
    );
    bloomPass.threshold = bloomOptions.threshold;
    bloomPass.strength = bloomOptions.strength;
    bloomPass.radius = bloomOptions.radius;
    
    const bloom = new EffectComposer(renderer);
    bloom.renderToScreen = false;
    bloom.addPass(renderScene);
    // 眩光通道bloomPass插入到composer
    bloom.addPass(bloomPass);
    
    bloomLayer = new THREE.Layers();
    bloomLayer.set(BLOOM_SCENE);
    
    const vertexShader = `
      varying vec2 vUv;
      void main() {
        vUv = uv;
        gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
      }`;
    
    const fragmentShader = `
      uniform sampler2D baseTexture;
      uniform sampler2D bloomTexture;
      varying vec2 vUv;
        void main() {
        gl_FragColor = ( texture2D( baseTexture, vUv ) + vec4( 1.0 ) * texture2D( bloomTexture, vUv ) );
      }`;
    
    const finalPass = new ShaderPass(
      new THREE.ShaderMaterial({
        uniforms: {
          baseTexture: { value: null },
          bloomTexture: { value: bloom.renderTarget2.texture },
        },
        vertexShader,
        fragmentShader,
        defines: {},
      }),
      'baseTexture',
    );
    finalPass.needsSwap = true;
    
    const finalComposer = new EffectComposer(renderer);
    finalComposer.addPass(renderScene);
    finalComposer.addPass(finalPass);

将原`renderer.render(scene, camera)`替换为:

scene.traverse(darkenNonBloomed); // 隐藏不需要辉光的物体
    bloom.render();
    scene.traverse(restoreMaterial); // 还原
    finalComposer.render();

其中`darkenNonBloomed`和`restoreMaterial`两个函数针对`BLOOM_SCENE`层进行过滤

const materials = {};
    const bloomIgnore = [];
    const darkMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 'black' });
    function darkenNonBloomed(obj) {
      if (obj instanceof THREE.Scene) { // 此处忽略Scene，否则场景背景会被影响
        materials.scene = obj.background;
        obj.background = null;
        return;
      }
      if (
        obj instanceof THREE.Sprite || // 此处忽略Sprite
        bloomIgnore.includes(obj.type) ||
        (obj.isMesh && bloomLayer.test(obj.layers) === false) // 判断与辉光是否同层
      ) {
        materials[obj.uuid] = obj.material;
        obj.material = darkMaterial;
      }
    }
    
    function restoreMaterial(obj) {
      if (obj instanceof THREE.Scene) {
        obj.background = materials.scene;
        delete materials.scene;
        return;
      }
      if (materials[obj.uuid]) {
        obj.material = materials[obj.uuid];
        delete materials[obj.uuid];
      }
    }

当我们在使用时，将需要辉光的物体加入`BLOOM_SCENE`层即可。

const geometry = new THREE.BoxGeometry(100, 100, 100);
    const material = new THREE.MeshPhongMaterial({ color: 0x0033ff });
    const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
    cube.layers.enable(BLOOM_SCENE);
    
    scene.addMesh(cube);
    
    animation = () => {
        cube.rotation.x += Math.PI / 180 / 5;
        cube.rotation.y += Math.PI / 180 / 5;
        cube.rotation.z += Math.PI / 180 / 5;
    };

效果：

![format_png 8][] 盒子

## 4. 飞线 ##

在之前的文章中分享过使用`顶点着色器`实现的飞线。但这种飞线有着较为明显的缺陷。

![format_png 9][] 飞线异常

在本次分享中会分享两种弥补这一缺陷的实现方法

*  MeshLine
 *  TubeGeometry

### 4.1 MeshLine ###

`MeshLine`\[2\]是一个扩展库，能让我们绘制出实心有宽度的线条。

#### 使用 ####

import * as THREE from 'three';
    import { MeshLine, MeshLineMaterial } from './meshline.js';
    
    const geometry = new THREE.Geometry();
    geometry.vertices = [
      // ... THREE.Vector3,
    ];
    
    // 代码生成材质
    const getTexture = (length, lineColor, lightColor, isHalf) => {
      const canvas = document.createElement('canvas');
      canvas.width = 256;
      canvas.height = 1;
      const ctx = canvas.getContext('2d');
      const gradient = ctx.createLinearGradient(0, 0, 256, 1);
      gradient.addColorStop(0, lineColor);
      gradient.addColorStop(isHalf ? length : length / 2, lightColor);
      gradient.addColorStop(length, lineColor);
      gradient.addColorStop(length, lineColor);
      gradient.addColorStop(1, lineColor);
      ctx.fillStyle = gradient;
      ctx.fillRect(0, 0, 256, 1);
      const texture = new THREE.Texture(canvas);
      texture.needsUpdate = true;
      texture.wrapS = THREE.RepeatWrapping;
      texture.wrapT = THREE.RepeatWrapping;
      return texture;
    };
    
    const meshLine = new MeshLine();
    meshLine.setGeometry(geometry);
    
    const texture = getTexture(length, lineColor, lightColor, isHalf);
    texture.anisotropy = 16;
    texture.wrapS = THREE.RepeatWrapping;
    texture.wrapT = THREE.RepeatWrapping;
    
    const material = new MeshLineMaterial({
      map: texture,             // 材质
      useMap: true,             // 使用材质
      lineWidth: 2,             // 线宽
      sizeAttenuation: false,   // 是否随距离衰减
      transparent: true,        // 开启透明度
    });
    
    const { width, height } = getCanvasSize();
    material.uniforms.resolution.value.set(width, height);
    const mesh = new THREE.Mesh(meshLine.geometry, material);
    
    const tween = new TWEEN.Tween(material.uniforms.offset.value) // 飞线移动动画
      .to({ x: material.uniforms.offset.value.x - 1 }, duration)
      .delay(delay)
      .repeat(repeat)
      .start();

参数：

const defaultOptions = {
      speed: 0.3,
      lineWidth: 2,
      length: 0.3,
      isHalf: false,
      lineColor: 'rgba(171,157,245,0.2)',
      lightColor: 'rgba(239,238,255,1)',
      duration: 1000,
      delay: 0,
      repeat: Infinity,
    };

![format_png 10][] 飞线

> 这一方式的缺陷是无法随着摄像机与线之间的距离变化大小。

### 4.2 TubeGeometry ###

管道几何体可以很好的解决Meshline的缺陷。

![format_png 11][] 管道

这个实现方法原本就是用来实现管道的，但在开发时刚好发现他可以用来实现有宽度、距离感的飞线。

先看一下效果：

![format_png 12][] 管道飞线

实现方法只是使用了`THREE.TubeGeometry`不需要写`shader`。

const texture = new THREE.TextureLoader().load(
      // 贴图引用本篇第二章能量罩扫光的白色版本
    );
    texture.wrapS = THREE.RepeatWrapping;
    texture.wrapT = THREE.RepeatWrapping;
    texture.repeat.x = 1;
    texture.repeat.y = 1;
    texture.rotation = Math.PI / 90; // 旋转贴图，或者做一张旋转好的贴图。

import * as THREE from 'three';
    import PathFactory from './Path'; // 引用本篇第一章的路径工具
    
    const speed = 0.01; // 飞线移动速度
    const path = [
      [-110, -50, 0],
      [50, 50, 50],
      [10, -50, 10],
      [50, 100, 100],
      [50, 100, 111],
    ];
    const pathInstence = new PathFactory(path, cornerRadius);
    const stripGeo = new THREE.TubeBufferGeometry(  // 定义管道
      pathInstence,
      Math.round(pathInstence.getLength() / 2),
      0.5,
      8,
      false,
    );
    const stripMat = new THREE.MeshBasicMaterial({
      color,             // 定义颜色，会与白色贴图混合
      map: texture,      // 贴图
      transparent: true, // 开启透明度
      depthWrite: false, // 管道飞线的关键
      side: THREE.DoubleSide,
    });
    const tube = new THREE.Mesh(stripGeo, stripMat);
    
    this.object3d.add(tube);
    this.tube = tube;
    
    
    function animation() { // render tick
      texture.offset.y += speed;
    }

当然，用`shader`一定可以实现性能更高、效果更好的飞线。

如果想要控制管道飞线的长度，可以采用手动生成贴图的方式。

## 5. 视频材质的应用 ##

也许你会感叹`这么炫的效果是怎么实现的`、`做这么炫真的这么快做得完吗`。也许看到这里你已经知道怎么实现了。但我还是要说一句

> 不是只有用着色器才能实现特效，还可以用素材来代替

看到这里，你可能已经猜到哪里被视频替代了。

……

没错，就是它！

![format_png 13][] 揭秘

没猜到的同学看见这一幕相信一定比看见特效更加震惊。(O\_o)??

炫酷的特效其实只是一段视频素材贴在`scene.background`上。

使用它很简单

<video id="video" loop autoplay muted style="display: none;">
      <source src="你的视频资源.mp4" type="video/mp4">
    </video>

const videoDom = document.getElementById('video');
    scene.background = new THREE.VideoTexture(video);

> 但无法用在移动端。

这一手段的应用范围很广:

*  我们可以给地面贴一个光效扩散的视频来做扫描效果。
 *  某个闪烁的标签使用视频来代替。
 *  将星光闪烁的视频贴给某个模型来实现换肤。
 *  其他种种

当然，这一方法会极大增加静态文件体积。

不过方法提出来就是给人用的，我们要做到不独独依赖某项技术。

多一个实现方法总比只有一个实现方法要好。你一定会做到使用`shader`来重新替代视频。加油！

## 参考文档 ##

*  Noise 噪声: https://thebookofshaders.com/11/?lan=ch
 *  MeshLine: https://github.com/spite/THREE.MeshLine

## 关于奇舞精选 ##

《奇舞精选》是360公司专业前端团队「奇舞团」运营的前端技术社区。关注公众号后，直接发送链接到后台即可给我们投稿。

奇舞团是360集团最大的大前端团队，代表集团参与W3C和Ecma会员（TC39）工作。奇舞团非常重视人才培养，有工程师、讲师、翻译官、业务接口人、团队Leader等多种发展方向供员工选择，并辅以提供相应的技术力、专业力、通用力、领导力等培训课程。奇舞团以开放和求贤的心态欢迎各种优秀人才关注和加入奇舞团。

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