ThreeJS Shader的效果样例网格平面和网格球体(一)

2024-07-19 15:14 由火星写程序发表于 #前端开发

本文中效果主要采用ThreeJS 中的着色器(Shader)以及结合ShaderMaterial实现的。

主要用到的内置方法有：

step：是一个阶跃函数，它将一个浮点数与一个阈值进行比较，并返回一个阶跃值；

　　　比如step(edge, x), 如果 x 小于等于 edge，则返回 0.0, 如果 x 大于 edge ，则返回 1.0。

fract：用于获取浮点数的小数部分。它返回输入值的小数部分，即去除整数部分后的部分。比如fract(1.5)，返回0.5；

一、网格平面

const vertex = '\
    varying vec3 vPos;\
    void main() {\
      vPos = position;\
      gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4( position, 1.0 ); \
    }\
  ';
  const frag = '\
    varying vec3 vPos;\
    void main() {\
      vec3 mask1 = vec3(step(0.5, fract(vPos.x * 2.0)));\
      vec3 mask2 = vec3(step(0.5, fract(vPos.y * 2.0)));\
      vec3 mask3 = vec3(step(0.5, fract(vPos.z * 2.0)));\
      vec3 color = abs(mask1 - mask2);\
      gl_FragColor = vec4(color, 1.0);\
    }\
  ';

　原理：如果设置平面的大小为2，那么坐标轴X点的范围为-1.0 ~ 1.0，已X坐标为示例，数据变化形式如下图　

　　　　如上图可以将数据分为4个部分，X轴和Y轴同理：

　　　　　　1） 0~0.25的数据经过fract和step函数处理后数据变为0；

　　　　　　2) 0.25~0.5的数据经过fract和step函数处理后数据变为1；

　　　　　　3） 0.5~0.75的数据经过处理变为0；

　　　　　　4） 0.75~1.0的数据经过处理变为1；

　　　　最后将生成的向量X轴-Y轴数据可以绘制成如下图：

　　这样就生成了第一象限的图形，第二、三、四象限结果同上。

二、网格状的球体　

本列中涉及到GLSL的几个内置函数：

dot：两个向量的点积，可以获得向量的夹角

asin: 反三角函数，获得弧度值

1. 第一个图就是要实现的最终效果，一个网格状的球体，实现原理主要可以分为分别计算经度方向的线圈和纬度方向的线圈。

2. 与平面网格计算颜色值相同，将两个颜色值相减即可得到一个网格球体

3. 如何实现纬度方向的线圈？

　　实现逻辑：将球体沿球心纵向切一刀生成一个圆形横截面M，将圆分成弧度相等的N个圆弧，然后再间隔开赋予不同的颜色就可以形成图一的效果。

const vertex = '\
    varying vec3 vPos;\
    void main() {\
      vPos = position;\
      gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4( position, 1.0 ); \
    }\
  ';
  // 获取UV点对应的单位向量B
  // 获取Z轴方向的单位向量A
  // 计算向量B和向量A的夹角
  // 通过degree将夹角的弧度转换成角度，除以要拆分的条数latBeta，通过配合fract和step即可获取间隔的0、1值
  // 最后生成间隔的黑白颜色值
  const frag = '\
    uniform float latBeta;\
    varying vec3 vPos;\
    void main() {\
      vec3 latEveryVec = normalize(vPos);\
      vec3 latBaseVec = normalize(vec3(vPos.x, 0, vPos.z));\
      float latAngle = asin(dot(latBaseVec, latEveryVec));\
      vec3 latColor = vec3(step(0.5, fract(degrees(latAngle) / latBeta)));\
      gl_FragColor = vec4(latColor, 1.0);\
    }\
  ';

4. 如何实现经度方向的线圈？

实现逻辑：与第三步生成纬度方向的线圈类似，将球体沿球心横向切一刀生成一个圆形横截面M，将圆分成弧度相等的N个圆弧，然后再间隔开赋予不同的颜色就可以形成图一的效果。

const vertex = '\
    varying vec3 vPos;\
    void main() {\
      vPos = position;\
      gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4( position, 1.0 ); \
    }\
  ';
  // 获取UV点对应的单位向量B
  // 获取X轴正方向的单位向量A
  // 计算向量B和向量A的夹角
  // 通过degree将夹角的弧度转换成角度，除以要拆分的条数lonBeta，通过配合fract和step即可获取间隔的0、1值
  // 最后生成间隔的黑白颜色值
  const frag = '\
    uniform float lonBeta;\
    varying vec3 vPos;\
    void main() {\
      vec3 lonEveryVec = normalize(vec3(vPos.x, 0.0, vPos.z));\
      vec3 lonBaseVec = vec3(0.0, 0.0, 1.0);\
      float lonAngle = asin(dot(lonBaseVec, lonEveryVec));\
      vec3 lonColor = vec3(step(0.5, fract(degrees(lonAngle) / lonBeta)));\
      gl_FragColor = vec4(lonColor, 1.0);\
    }\
  ';

完整代码如下：

const vertex = '\
    varying vec3 vPos;\
    void main() {\
      vPos = position;\
      gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4( position, 1.0 ); \
    }\
  ';
  const frag = '\
    uniform float latBeta;\
    uniform float lonBeta;\
    varying vec3 vPos;\
    void main() {\
      vec3 latEveryVec = normalize(vPos);\
      vec3 latBaseVec = normalize(vec3(vPos.x, 0, vPos.z));\
      float latAngle = asin(dot(latBaseVec, latEveryVec));\
      vec3 latColor = vec3(step(0.5, fract(degrees(latAngle) / latBeta)));\
      \
      vec3 lonEveryVec = normalize(vec3(vPos.x, 0.0, vPos.z));\
      vec3 lonBaseVec = vec3(0.0, 0.0, 1.0);\
      float lonAngle = asin(dot(lonBaseVec, lonEveryVec));\
      vec3 lonColor = vec3(step(0.5, fract(degrees(lonAngle) / lonBeta)));\
      vec3 color = abs(latColor - lonColor);\
      gl_FragColor = vec4(color, 1.0);\
    }\
  ';