嘟先生学WebGL
嘟嘟MD
2021-06-24

Threejs实现酷炫3D地球

# 前言

ezgif.com-gif-maker

在线预览效果：https://joy1412.cn/online/ (opens new window)

本篇介绍一下如何用Threejs实现一个酷炫的3D地球特效，使用到的技能点如下：

  • 星空动态背景
  • 地球模型
  • 大气层光圈
  • 卫星环绕特效
  • 经纬度坐标转成3D空间坐标
  • 标注以及标注扩散光圈
  • 光柱特效
  • 飞线特效
  • geojson数据生成中国描边以及动态流光效果

# 正文

这里一个个介绍使用到的技术，首先先搭建初始化界面，把渲染器，相机以及基本的光照设置好。

不懂的可以参考这个页面的模板。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
	<title>three.js webgl - mirror</title>
	<meta charset="utf-8">
	<meta name="viewport" content="width=device-width, user-scalable=no, minimum-scale=1.0, maximum-scale=1.0">
	<link type="text/css" rel="stylesheet" href="main.css">
	<style>
		html, body {
			height: 100%;
			width: 100%;
		}
	</style>
</head>
<body>
<div id="container" style="width:100%;height:100vh;position:relative; overflow: hidden;"></div>
</div>
<script type="module">
	import * as THREE from '../build/three.module.js';
	import { OrbitControls } from './jsm/controls/OrbitControls.js';
	let renderer, camera, scene, light, controls;
	const Dom = document.querySelector( '#container' );
	const width = Dom.clientWidth, height = Dom.clientHeight;
	/**
	 * @description 初始化渲染场景
	 */
	function initRenderer() {
		renderer = new THREE.WebGLRenderer( { antialias: true, alpha: true } );
		renderer.setPixelRatio( window.devicePixelRatio );
		renderer.setSize( width, height );
		const containerDom = document.querySelector( '#container' );
		containerDom.appendChild( renderer.domElement );
	}
	/**
	 * @description 初始化相机
	 */
	function initCamera() {
		camera = new THREE.PerspectiveCamera( 45, width / height, 1, 10000 );
		camera.position.set( 5, - 20, 200 );
		camera.lookAt( 0, 3, 0 );
		window.camera = camera;
	}
	/**
	 * @description 初始化场景
	 */
	function initScene() {
		scene = new THREE.Scene();
		scene.background = new THREE.Color( 0x020924 );
		scene.fog = new THREE.Fog( 0x020924, 200, 1000 );
		window.scene = scene;
	}
	/**
	 * 初始化用户交互
	 **/
	function initControls() {
		controls = new OrbitControls( camera, renderer.domElement );
		controls.enableDamping = true;
		controls.enableZoom = true;
		controls.autoRotate = false;
		controls.autoRotateSpeed = 2;
		controls.enablePan = true;
	}
	/**
	 * @description 初始化光
	 */
	function initLight() {
		const ambientLight = new THREE.AmbientLight( 0xcccccc, 1.1 );
		scene.add( ambientLight );
		var directionalLight = new THREE.DirectionalLight( 0xffffff, 0.2 );
		directionalLight.position.set( 1, 0.1, 0 ).normalize();
		var directionalLight2 = new THREE.DirectionalLight( 0xff2ffff, 0.2 );
		directionalLight2.position.set( 1, 0.1, 0.1 ).normalize();
		scene.add( directionalLight );
		scene.add( directionalLight2 );
		var hemiLight = new THREE.HemisphereLight( 0xffffff, 0x444444, 0.2 );
		hemiLight.position.set( 0, 1, 0 );
		scene.add( hemiLight );
		var directionalLight = new THREE.DirectionalLight( 0xffffff );
		directionalLight.position.set( 1, 500, - 20 );
		directionalLight.castShadow = true;
		directionalLight.shadow.camera.top = 18;
		directionalLight.shadow.camera.bottom = - 10;
		directionalLight.shadow.camera.left = - 52;
		directionalLight.shadow.camera.right = 12;
		scene.add(directionalLight);
	}
	/**
	 * 窗口变动
	 **/
	function onWindowResize() {
		camera.aspect = innerWidth / innerHeight;
		camera.updateProjectionMatrix();
		renderer.setSize( innerWidth, innerHeight );
		renders();
	}

	/**
	 * @description 渲染
	 */
	function renders() {
		renderer.clear();
		renderer.render( scene, camera );
	}

	/**
	 * 更新
	 **/
	function animate() {
		window.requestAnimationFrame( () => {
			if (controls) controls.update();
			renders();
			animate();
		} );
	}

	window.onload = () => {
		initRenderer();
		initCamera();
		initScene();
		initLight();
		initControls();
		animate();
        window.addEventListener('resize', onWindowResize, false);
	};
</script>  
</body>
</html>
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# 动态星空背景介绍

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作为地球的背景，用动态星空的方式显得更加酷炫，使用原型贴图让原本方形的点模拟球形，再加上动态设置颜色以及设置旋转偏移，更好的模拟星空效果。

  • 随机生成10000个坐标点，设置不同的颜色
const positions = [];
const colors = [];
const geometry = new THREE.BufferGeometry();
for (var i = 0; i < 10000; i ++) {
  var vertex = new THREE.Vector3();
  vertex.x = Math.random() * 2 - 1;
  vertex.y = Math.random() * 2 - 1;
  vertex.z = Math.random() * 2 - 1;
  positions.push( vertex.x, vertex.y, vertex.z );
  var color = new THREE.Color();
  color.setHSL( Math.random() * 0.2 + 0.5, 0.55, Math.random() * 0.25 + 0.55 );
  colors.push( color.r, color.g, color.b );
}
geometry.setAttribute( 'position', new THREE.Float32BufferAttribute( positions, 3 ) );
geometry.setAttribute( 'color', new THREE.Float32BufferAttribute( colors, 3 ) );
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分别把生成的Vector3和Color放入数组，然后添加到geometry中，这样星空几何体有了。 Color里面setHSL可以设置颜色和饱和度，这里通过random来随机颜色。

  • 使用 ParticleBasicMaterial 生成材质

ParticleBasicMaterial 基础粒子材质用来搭配例子系统，这里我们可以设置粒子的大小，贴图，透明度等设置详细如下：

var starsMaterial = new THREE.ParticleBasicMaterial( {
  map: texture,
  size: 1,
  transparent: true,
  opacity: 1,
  vertexColors: true, //true：且该几何体的colors属性有值，则该粒子会舍弃第一个属性--color，而应用该几何体的colors属性的颜色
  blending: THREE.AdditiveBlending,
  sizeAttenuation: true
} );
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  • 使用 ParticleSystem 生成模型

这里使用ParticleSystem这个粒子系统，是为了提供性能，如果用精灵Particle动态随机生成10000个的话，帧率肯定收到影响，这里ParticleSystem的话，等于只有一个Mesh，能大大提高性能。

把上面生成的几何体geometry 以及材质ParticleBasicMaterial来生成一个ParticleSystem，如下：

let stars = new THREE.ParticleSystem( geometry, starsMaterial );
stars.scale.set( 300, 300, 300 );
scene.add( stars );
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# 地球模型

地球模型比较简单，直接贴图+一个球搞定

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function initEarth() {
  globeTextureLoader.load( './imgs/diqiu2/earth2.jpg', function ( texture ) {
    var globeGgeometry = new THREE.SphereGeometry( radius, 100, 100 );
    var globeMaterial = new THREE.MeshStandardMaterial( { map: texture } );
    var globeMesh = new THREE.Mesh( globeGgeometry, globeMaterial );
    group.rotation.set( 0.5, 2.9, 0.1 );
    group.add( globeMesh );
	  scene.add( group );
  } );
}
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# 大气层光圈

大气层光圈这里也是用贴图实现，如下面这张。

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代码如下

var texture = globeTextureLoader.load( './imgs/diqiu2/earth_aperture.png' );
		var spriteMaterial = new THREE.SpriteMaterial( {
			map: texture,
			transparent: true,
			opacity: 0.5,
			depthWrite: false
		} );
		var sprite = new THREE.Sprite( spriteMaterial );
		sprite.scale.set( radius * 3, radius * 3, 1 );
		group.add( sprite );
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# 卫星环绕特效

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这里用到一个 Mesh 和一个 Poinst 结合，分别用来实现外圈的环形和两个小卫星

光环用 PlaneGeometry 矩形平面即可，加上贴图

globeTextureLoader.load( './imgs/diqiu2/halo.png', function ( texture ) {
			var geometry = new THREE.PlaneGeometry( 14, 14 );
			var material = new THREE.MeshLambertMaterial( {
				map: texture, 
				transparent: true,
				side: THREE.DoubleSide, 
				depthWrite: false
			} );
			var mesh = new THREE.Mesh( geometry, material );
			groupHalo.add( mesh );
		} );
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两个环绕的卫星直接使用Points即可，设置两个坐标，用来展示这2个小卫星

 globeTextureLoader.load( './imgs/diqiu2/smallEarth.png', function ( texture ) {
			var p1 = new THREE.Vector3( - 7, 0, 0 );
			var p2 = new THREE.Vector3( 7, 0, 0 );
			const points = [ p1,p2];
			const geometry = new THREE.BufferGeometry().setFromPoints( points );
			var material = new THREE.PointsMaterial( {
				map: texture,
				transparent: true,
				side: THREE.DoubleSide, 
				size: 1, 
				depthWrite: false
			} );
			var earthPoints = new THREE.Points( geometry, material );
			groupHalo.add( earthPoints );
		} );
		groupHalo.rotation.set( 1.9, 0.5, 1 );
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# 经纬度转标转成3D空间坐标

上面已经实现了最基本的效果，接下来需要在地球上添加一下特效，比如标注、光柱、光圈等。

但是会存在一个问题，要定义地球上的一点，用经纬度是常用的办法，但是经纬度又不适合在Threejs上面使用，所以这里就需要先做一步转换工作，把经纬度坐标转换成xyz空间坐标。

这边直接提供两种转换方法：

  • 方法一:js方法转换
/**
*lng:经度
*lat:维度
*radius:地球半径
*/
function lglt2xyz(lng, lat, radius) {
  const phi = (180 + lng) * (Math.PI / 180)
  const theta = (90 - lat) * (Math.PI / 180)
  return {
    x: -radius * Math.sin(theta) * Math.cos(phi),
    y: radius * Math.cos(theta),
    z: radius * Math.sin(theta) * Math.sin(phi),
  }
}
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  • 方法二:threejs自带

    /**
*lng:经度
*lat:维度
*radius:地球半径
*/
lglt2xyz(lng, lat, radius) {
  const theta = (90 + lng) * (Math.PI / 180)
  const phi = (90 - lat) * (Math.PI / 180)
  return (new THREE.Vector3()).setFromSpherical(new THREE.Spherical(radius, phi, theta))
}
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# 标注以及标注扩散光圈

要实现标注功能很简单，直接一个平面加贴图即可

这里唯一要注意的就是，再球面上的物体，需要设置好角度，不然你会发现效果会和你预想的不一样

具体参考下面方法，

 function createPointMesh( pos, texture ) {
		var material = new THREE.MeshBasicMaterial( {
			map: texture,
			transparent: true, //使用背景透明的png贴图，注意开启透明计算
			// side: THREE.DoubleSide, //双面可见
			depthWrite: false, //禁止写入深度缓冲区数据
		} );
		var mesh = new THREE.Mesh( planGeometry, material );
		var size = radius * 0.04;//矩形平面Mesh的尺寸
		mesh.scale.set( size, size, size );//设置mesh大小
		//设置mesh位置
		mesh.position.set( pos.x, pos.y, pos.z );
		// mesh在球面上的法线方向(球心和球面坐标构成的方向向量)
		var coordVec3 = new THREE.Vector3( pos.x, pos.y, pos.z ).normalize();
		// mesh默认在XOY平面上，法线方向沿着z轴new THREE.Vector3(0, 0, 1)
		var meshNormal = new THREE.Vector3( 0, 0, 1 );
		// 四元数属性.quaternion表示mesh的角度状态
		//.setFromUnitVectors();计算两个向量之间构成的四元数值
		mesh.quaternion.setFromUnitVectors( meshNormal, coordVec3 );
		return mesh;
	}
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光圈的话，贴图用一张有渐变效果的png图

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然后也是贴在 PlaneBufferGeometry 上，和上面标注的效果实现一样，最后要在渲染函数 animate 里面动态的修改尺寸和透明度即可。

动画效果参考如下代码,WaveMeshArr是所有光圈mesh的数组集合。

if (WaveMeshArr.length) {
    WaveMeshArr.forEach( function ( mesh ) {
        mesh._s += 0.007;
        mesh.scale.set( mesh.size * mesh._s, mesh.size * mesh._s, mesh.size * mesh._s );
        if (mesh._s <= 1.5) {
           //mesh._s=1，透明度=0 mesh._s=1.5，透明度=1
          mesh.material.opacity = ( mesh._s - 1 ) * 2;
        } else if (mesh._s > 1.5 && mesh._s <= 2) {
           //mesh._s=1.5，透明度=1 mesh._s=2，透明度=0
           mesh.material.opacity = 1 - ( mesh._s - 1.5 ) * 2;
        } else {
           mesh._s = 1.0;
       }
    } );
 }
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# 光柱特效

你如果想在Three.js创建一个光柱效果，可以通过Three.js的矩形平面几何体PlaneGeometry创建一个网格模型，然后把一个背景透明的.png格式图片作为矩形网格模型的纹理贴图。

var plane = new THREE.PlaneGeometry(50,200)
var material = new THREE.MeshPhongMaterial({
  //设置矩形网格模型的纹理贴图(光柱特效)
    map: textureLoader.load('光柱.png'),
    // 双面显示
    side: THREE.DoubleSide,
    // 开启透明效果，否则颜色贴图map的透明不起作用
    transparent: true,
});
var mesh = new THREE.Mesh(plane, material);
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为了增强立体效果，可以创建两个矩形网格模型然后90度交叉即可

// 矩形网格1
var mesh1 = new THREE.Mesh(plane, material);
// 克隆网格模型mesh1，并旋转90度
var mesh2 = mesh1.clone().rotateY(Math.PI/2)
var groupMesh= new THREE.Group()
groupMesh.add(mesh1,mesh2);
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最终实现效果如下

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# 飞线特效

飞线这里分两块介绍，一个是绘制三维三次贝赛尔曲线，另一个是飞线上模拟物体移动。

  • 飞线 上面介绍标注的时候，就已经知道了不同位置的坐标了，这里封装了一个方法，传入2个坐标就可以生成一条贝赛尔曲线。

    目前取第一个坐标点作为飞线的起始点，比如你选择北京作为原始点，那飞线特效就是从北京飞往各个地方。

    线条的话，我这里使用Line2，因为这个支持设置线条的宽度。

    核心代码如下：

    function addLines( v0, v3 ) {
		// 夹角
		var angle = ( v0.angleTo( v3 ) * 1.8 ) / Math.PI / 0.1; // 0 ~ Math.PI
		var aLen = angle * 0.4, hLen = angle * angle * 12;
		var p0 = new THREE.Vector3( 0, 0, 0 );
		// 法线向量
		var rayLine = new THREE.Ray( p0, getVCenter( v0.clone(), v3.clone() ) );
		// 顶点坐标
		var vtop = rayLine.at( hLen / rayLine.at( 1 ).distanceTo( p0 ) );
		// 控制点坐标
		var v1 = getLenVcetor( v0.clone(), vtop, aLen );
		var v2 = getLenVcetor( v3.clone(), vtop, aLen );
		// 绘制三维三次贝赛尔曲线
		var curve = new THREE.CubicBezierCurve3( v0, v1, v2, v3 );
		var geometry = new LineGeometry();
		var points = curve.getPoints( 50 );
		var positions = [];
		var colors = [];
		var color = new THREE.Color();

		/**
		 * HSL中使用渐变
		 * h — hue value between 0.0 and 1.0
		 * s — 饱和度 between 0.0 and 1.0
		 * l — 亮度 between 0.0 and 1.0
		 */
		for (var j = 0; j < points.length; j ++) {
			// color.setHSL( .31666+j*0.005,0.7, 0.7); //绿色
			color.setHSL( .81666+j,0.88, 0.715+j*0.0025); //粉色
			colors.push( color.r, color.g, color.b );
			positions.push( points[j].x, points[j].y, points[j].z );
		}
		geometry.setPositions( positions );
		geometry.setColors( colors );
		var matLine = new LineMaterial( {
			linewidth: 0.0006,
			vertexColors: true,
			dashed: false
		} );

		return {
			curve: curve,
			lineMesh: new Line2( geometry, matLine )
		};
}
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  • 物体移动特效

物体移动就是从飞线的起始点，飞到物体的终点。

把上面飞线生成的曲线curve，添加到数组里面。

然后循环这个数组，每个数组配套生成一个几何球体，用来当做移动的载体，再把这个球体放入一个数组。

关键来了，循环这个球体数组，把上面curve这条线段再等分100份，然后让球体坐标分别设置为上面等分100份的坐标即可，这样就可以看到球体开始循环移动了。

核心代码如下：

for (let i = 0; i < animateDots.length; i ++) {
  const aGeo = new THREE.SphereGeometry( 0.03, 0.03, 0.03 );
  const aMater = new THREE.MeshPhongMaterial( { color: '#F8D764' } );
  const aMesh = new THREE.Mesh( aGeo, aMater );
  aGroup.add( aMesh );
  }
	var vIndex = 0;
  function animateLine() {
	  aGroup.children.forEach( ( elem, index ) => {
  	const v = animateDots[index][vIndex];
	  elem.position.set( v.x, v.y, v.z );
  });
  vIndex ++;
  if (vIndex > 100) {
	  vIndex = 0;
  }
  setTimeout( animateLine, 20 );
 }
 group.add( aGroup );
 animateLine();
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# geojson数据生成中国描边以及动态流光效果

这块其实可以单独拿出来介绍，根据geojson数据生成地图用的，不过复杂的是用来做拉升，生成几何体模型用的，这边只是简单的给地图画线条。

另外就是用到的一个线条流光的shader特效，这里分开来介绍。

geojson数据可以去这个网站下载：https://datav.aliyun.com/tools/atlas/index.html

  • 根据geojson数据画线条 上面已经有过划线的经验了，所以这块做起来也很方便，只要就是2个地方要注意 1：加载读取geojson数据，循环后把经纬度转化成空间xyz坐标

    2：根据这些坐标，使用Line生成线条即可。

    核心代码：

    function initMap( chinaJson ) {
		// 遍历省份构建模型
		chinaJson.features.forEach( elem => {
			// 新建一个省份容器：用来存放省份对应的模型和轮廓线
			const province = new THREE.Object3D();
			const coordinates = elem.geometry.coordinates;
			coordinates.forEach( multiPolygon => {
				multiPolygon.forEach( polygon => {
					const lineMaterial = new THREE.LineBasicMaterial( { color: 0XF19553 } ); //0x3BFA9E
					const positions = [];
					const linGeometry = new THREE.BufferGeometry();
					for (let i = 0; i < polygon.length; i ++) {
						var pos = lglt2xyz( polygon[i][0], polygon[i][1] );
						positions.push( pos.x, pos.y, pos.z );
					}
					linGeometry.setAttribute( 'position', new THREE.Float32BufferAttribute( positions, 3 ) );
					const line = new THREE.Line( linGeometry, lineMaterial );
					province.add( line );
				} );
			} );
			map.add( province );
		} );
		group.add( map );
	}
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  • 根据geojson设置流光效果 画完中国的描边后，我们还可以让中国的外边框轮廓有动态流光效果，这里还是需要下载中国外边框的geojson数据，用上面那个地址即可，把包含子区域的选项去掉打钩就行。

这里和上面生成的方法不一样，上面最终生成的是Line，而这里最终生成的是Points，然后通过shader处理生成跑动的流光效果。

核心shader写法如下

uniforms:

const singleUniforms = {
			u_time: uniforms2.u_time,
			number: { type: 'f', value: number },
			speed: { type: 'f', value: speed },
			length: { type: 'f', value: length },
			size: { type: 'f', value: size },
			color: { type: 'v3', value: color }
};
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顶点着色器和片元着色器：

<script id="vertexShader2" type="x-shader/x-vertex">
	varying vec2 vUv;
    attribute float percent;
    uniform float u_time;
    uniform float number;
    uniform float speed;
    uniform float length;
    varying float opacity;
    uniform float size;
    void main()
    {
        vUv = uv;
        vec4 mvPosition = modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
        float l = clamp(1.0-length,0.0,1.0);
        gl_PointSize = clamp(fract(percent*number + l - u_time*number*speed)-l ,0.0,1.) * size * (1./length);
        opacity = gl_PointSize/size;
        gl_Position = projectionMatrix * mvPosition;
    }
</script>
<script id="fragmentShader2" type="x-shader/x-vertex">
	#ifdef GL_ES
    precision mediump float;
    #endif
    varying float opacity;
    uniform vec3 color;
    void main(){
        if(opacity <=0.2){
            discard;
        }
        gl_FragColor = vec4(color,1.0);
    }
</script>
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效果如下：

ezgif.com-gif-maker (1)

# 总结

以上就是这篇3D地球的技术拆解，把每个技术点都掌握了，后期就能配合开发出更多的特效了。

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