前端小练习——星辰宇宙（JS没有上限！！！）

秋刀鱼不做梦2024-11-05 10:24

前言：在刚开始学习前端的时候，我们会学习到前端三件套中的JavaScript，可能那时候读者没有觉得JavaScript这个语言有多么的牛逼，本篇文章将会使用一个炫酷的案例来刷新你对JavaScript这个语言的认知与理解。

✨✨✨这里是秋刀鱼不做梦的BLOG

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先让我们看一下最终的结果：

在开始讲解这个炫酷的案例之前，先让我们了解一下本案例所需的前置知识：

  1. Three.js：一个用于创建和显示3D图形的JavaScript库。代码中导入了Three.js的核心库和轨道控制库（OrbitControls），用于处理3D场景的创建和相机控制。

  2. WebGL：用于在网页中绘制3D图形的底层API。Three.js封装了WebGL，使得3D渲染变得更简单。

  3. 模块化 JavaScript：使用 ES6 的模块导入语法 (import) 引入外部库，使代码结构更加清晰。

  4. 着色器编程：自定义顶点和片段着色器，通过 onBeforeCompile 方法替换默认着色器，控制点的大小、颜色和运动效果。

  5. 缓冲几何体：使用 BufferGeometry 来管理大量点的性能，提升渲染效率。

  6. 动画循环：利用 setAnimationLoop 实现流畅的渲染动画，每帧更新控制器状态和场景渲染。

  7. 响应式设计：通过 resize 事件监听器，动态调整相机和渲染器的尺寸，以适应浏览器窗口的变化。

------在文章的最后，我们给出了实现这个案例的全部代码，读者可以直接复制后在自己的编译器上执行一下！！！

那么现在正式开始我们的讲解：

目录

1.导入库和清理控制台

2.创建场景和相机

3.创建渲染器

[4. 处理窗口大小变化](#4. 处理窗口大小变化)

[5. 控制器设置](#5. 控制器设置)

[6. 创建全局uniform变量和点的属性](#6. 创建全局uniform变量和点的属性)

[7. 创建点的顶点数组](#7. 创建点的顶点数组)

[8. 添加围绕的点](#8. 添加围绕的点)

[9. 创建几何体和材质](#9. 创建几何体和材质)

[10. 创建点云并添加到场景](#10. 创建点云并添加到场景)

[11. 渲染循环](#11. 渲染循环)

------全部代码

1.导入库和清理控制台

开始我们要先导入库和清理控制台：

javascript 复制代码 
import * as THREE from "https://cdn.skypack.dev/three@0.136.0"; // 导入三维模型库
import { OrbitControls } from "https://cdn.skypack.dev/three@0.136.0/examples/jsm/controls/OrbitControls"; // 导入轨道控制库
console.clear(); // 清除控制台

注释：这部分代码导入了Three.js库及其轨道控制功能，并清理了控制台，以便后续输出信息更清晰。

**2.**创建场景和相机

在导入库和清理控制台后，我们就需要创建场景和相机：

javascript 复制代码 
let scene = new THREE.Scene(); // 创建场景
scene.background = new THREE.Color(0x160016); // 设置场景背景颜色

let camera = new THREE.PerspectiveCamera(60, innerWidth / innerHeight, 1, 1000); // 创建相机
camera.position.set(0, 4, 21); // 设置相机位置

注释：这部分代码创建了一个场景和一个透视相机，设置了相机的位置和背景颜色，为后续的渲染准备基础环境。

3.创建渲染器

其后我们需要为其创建一个渲染器：

javascript 复制代码 
let renderer = new THREE.WebGLRenderer(); // 创建渲染器
renderer.setSize(innerWidth, innerHeight); // 设置渲染器大小
document.body.appendChild(renderer.domElement); // 把渲染器加入到页面中

注释：这里创建了一个WebGL渲染器，并设置其大小为窗口的宽高，最后将渲染器的DOM元素添加到网页中，以显示渲染结果。

4. 处理窗口大小变化

在创建完渲染器之后，我们需要对后续的窗口的大小的变化进行处理：

javascript 复制代码 
window.addEventListener("resize", event => {
    camera.aspect = innerWidth / innerHeight; // 更新相机的长宽比
    camera.updateProjectionMatrix(); // 更新相机的投影矩阵
    renderer.setSize(innerWidth, innerHeight); // 设置渲染器大小
});

注释：这一部分代码监听窗口的大小变化，动态调整相机的长宽比和渲染器的大小，确保在窗口大小变化时，场景仍能正确显示。

5. 控制器设置

处理完窗口大小的变化之后，我们就需要对控制器进行设置了！

java 复制代码 
let controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement); // 创建控制器
controls.enableDamping = true; // 开启阻尼效果
controls.enablePan; // 禁用平移（此行未完成）

注释：这部分代码创建了一个轨道控制器，允许用户通过鼠标控制相机旋转和缩放，增强用户交互体验。注意，这里 enablePan 需要完整设置。

6. 创建全局uniform变量和点的属性

接下来让哦我们对全局的uniform变量和点的属性进行设置：

javascript 复制代码 
let gu = {
    time: { value: 0 }
}; // 创建全局uniform变量

let sizes = []; // 点的大小数组
let shift = []; // 点的移动数组

let pushShift = () => { // 创建移动函数
    shift.push(
        Math.random() * Math.PI,
        Math.random() * Math.PI * 2,
        (Math.random() * 0.9 + 0.1) * Math.PI * 0.1,
        Math.random() * 0.9 + 0.1
    ); // 随机生成位置信息
};

注释：定义了一个全局uniform变量 gu 用于时间控制，并初始化了两个数组 sizes 和 shift 用于存储点的大小和位置信息。同时，定义了一个函数 pushShift，用于生成随机的位移数据。

7. 创建点的顶点数组

接下来让我们创建点的顶点数组：

javascript 复制代码 
let pts = new Array(50000).fill().map(p => {
    sizes.push(Math.random() * 1.5 + 0.5); // 添加随机大小
    pushShift(); // 添加位置信息
    return new THREE.Vector3().randomDirection().multiplyScalar(Math.random() * 0.5 + 9.5); // 返回随机方向的点
});

注释：这里创建了一个包含5万个点的数组 pts，每个点都有随机的大小和方向。通过 randomDirection() 方法生成随机方向的向量，模拟球体内的点。

8. 添加围绕的点

创建完点的顶点数组之后，让我们添加其围绕的点：

javascript 复制代码 
for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    let r = 10, R = 40; // 定义内外半径
    let rand = Math.pow(Math.random(), 1.5); // 生成随机数
    let radius = Math.sqrt(R * R * rand + (1 - rand) * r * r); // 计算随机半径
    pts.push(new THREE.Vector3().setFromCylindricalCoords(radius, Math.random() * 2 * Math.PI, (Math.random() - 0.5) * 2)); // 生成点
    sizes.push(Math.random() * 1.5 + 0.5); // 添加随机大小
    pushShift(); // 添加位置信息
}

注释：这部分代码在已有的点基础上，再添加10万个点。使用极坐标系生成点，使其在一定范围内均匀分布，丰富了场景中的点的数量和分布。

9. 创建几何体和材质

接下来让我们设置一下几何体和其材质样式：

javascript 复制代码 
let g = new THREE.BufferGeometry().setFromPoints(pts); // 创建几何体
g.setAttribute("sizes", new THREE.Float32BufferAttribute(sizes, 1)); // 设置sizes属性
g.setAttribute("shift", new THREE.Float32BufferAttribute(shift, 4)); // 设置shift属性

let m = new THREE.PointsMaterial({ // 创建点材质
    size: 0.125, // 点的大小
    transparent: true, // 透明材质
    depthTest: false, // 禁用深度测试
    blending: THREE.AdditiveBlending, // 添加混合模式
    onBeforeCompile: shader => { // 自定义着色器
        shader.uniforms.time = gu.time; // 设置uniform变量
        shader.vertexShader = `
            uniform float time;
            attribute float sizes;
            attribute vec4 shift;
            varying vec3 vColor;
            ${shader.vertexShader}
        `; // 修改顶点着色器

        // 更新点的大小、颜色和移动逻辑
        shader.vertexShader = shader.vertexShader
            .replace(`gl_PointSize = size;`, `gl_PointSize = size * sizes;`)
            .replace(`#include <color_vertex>`, `#include <color_vertex> float d = length(abs(position)/vec3(40.,10.,40)); d=clamp(d,0.,1.); vColor = mix(vec3(227.,155.,0.),vec3(100.,50.,255.),d)/255.;`)
            .replace(`#include <begin_vertex>`, `#include <begin_vertex> float t = time; float moveT = mod(shift.x + shift.z * t,PI2); float moveS = mod(shift.y + shift.z * t,PI2); transformed += vec3(cos(moveS) * sin(moveT), cos(moveT), sin(moveS) * sin(moveT)) * shift.w;`);
        
        // 修改片元着色器
        shader.fragmentShader = `
            varying vec3 vColor;
            ${shader.fragmentShader}
        `.replace(`#include <clipping_planes_fragment>`, `#include <clipping_planes_fragment> float d = length(gl_PointCoord.xy - 0.5);`)
          .replace(`vec4 diffuseColor = vec4( diffuse, opacity );`, `vec4 diffuseColor = vec4( vColor, smoothstep(0.5, 0.1, d));`);
    }
});

注释：在这部分代码中，创建了一个缓冲几何体并设置了点的大小和移动信息。还定义了一个点材质，使用自定义着色器来控制点的大小、颜色和移动效果，提供了动态的视觉效果。

10. 创建点云并添加到场景

接下来让我们创建点云并添加到场景：

javascript 复制代码 
let p = new THREE.Points(g, m); // 创建点云
p.rotation.order = "ZYX"; // 设置旋转顺序
p.rotation.z = 0.2; // 设置初始旋转角度
scene.add(p); // 将点云添加到场景中

注释：这里将创建的几何体和材质结合成一个点云对象，并设置其旋转顺序和初始旋转角度，最后将其添加到场景中以进行渲染。

11. 渲染循环

最后让我们渲染一下环境：

javascript 复制代码 
let clock = new THREE.Clock(); // 创建时钟对象
renderer.setAnimationLoop(() => { // 设置渲染循环
    controls.update(); // 更新控制器
    let t = clock.getElapsedTime() * 0.5; // 获取流逝时间
    gu.time.value = t * Math.PI; // 更新时间
    p.rotation.y = t * 0.05; // 更新点云的旋转角度
    renderer.render(scene, camera); // 渲染场景和相机
});

注释：最后，这段代码设置了渲染循环，利用时钟对象控制动画的时间，并不断更新控制器和点云的旋转，最终渲染场景。

通过上述的分层讲解之后，我们就大致的了解每一步都是如何操作并且为什么这么操作的了，为了使读者能更好的理解上述流程，这里我们在进行总结一下：

  1. 导入库：

    • 使用Three.js库和OrbitControls模块，准备进行三维场景的创建和交互。

  2. 场景和相机设置：

    • 创建一个三维场景并设置背景颜色。

    • 创建透视相机，设定相机的位置，准备从特定角度观察场景。

  3. 渲染器初始化：

    • 创建WebGL渲染器，设置其大小与窗口相同，并将其添加到网页中以显示内容。

  4. 窗口大小自适应：

    • 添加事件监听器，以确保在窗口大小变化时，自动调整相机的长宽比和渲染器的大小，保持渲染效果。

  5. 控制器设置：

    • 创建轨道控制器，允许用户通过鼠标控制相机的旋转和缩放，增强用户交互体验。

  6. 全局变量和点属性初始化：

    • 定义用于控制动画的全局变量和点的大小、位移数组，准备生成点的运动效果。

  7. 点的生成：

    • 生成大量随机位置的点，包括中心球体内的点和周围分布的点，以增加视觉复杂度。

  8. 几何体和材质设置：

    • 创建缓冲几何体，设置点的大小和位移信息。

    • 定义点的材质，使用自定义着色器来控制点的大小、颜色和移动效果。

  9. 点云创建和添加到场景：

    • 将几何体和材质组合成点云对象，并设置初始旋转，最后将其添加到场景中以进行渲染。

  10. 渲染循环：

    • 使用时钟对象进行动画控制，在每一帧中更新控制器、点云的旋转和动画时间，并渲染场景。

------至此，我们就讲解完了上述案例的所以步骤了！！！

------全部代码

最后在让我们看一下最终的效果，（JavaScript没有极限！！！）

html 复制代码 
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">

<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>秋刀鱼不做梦</title>
    <style>
        body {
            overflow: hidden;
            margin: 0;
        }
    </style>
</head>

<body>
    <script type="module">
        // 导入三维模型库
        import * as THREE from "https://cdn.skypack.dev/three@0.136.0";
        // 导入轨道控制库
        import { OrbitControls } from "https://cdn.skypack.dev/three@0.136.0/examples/jsm/controls/OrbitControls";
        // 清除控制台
        console.clear()
        // 创建场景
        let scene = new THREE.Scene()
        // 设置场景背景颜色
        scene.background = new THREE.Color(0x160016)

        // 创建相机
        let camera = new THREE.PerspectiveCamera(60, innerWidth / innerHeight, 1, 1000)
        // 设置相机位置
        camera.position.set(0, 4, 21)

        // 创建渲染器
        let renderer = new THREE.WebGLRenderer()
        // 设置渲染器大小
        renderer.setSize(innerWidth, innerHeight)
        // 把渲染器加入到页面中
        document.body.appendChild(renderer.domElement)
        // 监听窗口大小变化事件
        window.addEventListener("resize", event => {
            camera.aspect = innerWidth / innerHeight
            camera.updateProjectionMatrix()
            renderer.setSize(innerWidth, innerHeight)
        })

        // 创建控制器
        let controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement)
        // 开启阻尼效果
        controls.enableDamping = true
        // 禁用面板
        controls.enablePan
        // 创建全局uniform
        let gu = {
            time: { value: 0 }
        }
        // 创建点的大小数组和移动数组
        let sizes = []
        let shift = []

        // 创建移动函数
        let pushShift = () => {
            shift.push(
                Math.random() * Math.PI,
                Math.random() * Math.PI * 2,
                (Math.random() * 0.9 + 0.1) * Math.PI * 0.1,
                Math.random() * 0.9 + 0.1
            )
        }

        // 创建点的顶点数组（中间的球体）
        // 创建一个长度为5万的数组pts并y用Array.prototype.map()方法遍历数组并对每个元素进行操作
        let pts = new Array(50000).fill().map(p => {
            // 每次遍历中，会向sizes数组中添加一个随机大小
            sizes.push(Math.random() * 1.5 + 0.5)
            // 调用pushShift()函数添加位置信息，并返回一个随机方向的THREE.Vector对象
            pushShift()
            return new THREE.Vector3().randomDirection().multiplyScalar(Math.random() * 0.5 + 9.5)
            //
        })

        // 添加更多的点（旁边围绕的）
        // 先循环生成十万个点
        // 每次循环中生成一个随机数rand，再生成一个随机半径radius

        for (let i = 0; i < 100000; i++) {
            let r = 10, R = 40;
            let rand = Math.pow(Math.random(), 1.5);
            let radius = Math.sqrt(R * R * rand + (1 - rand) * r * r);
            // 使用new THREE.Vector3().setFromCylindricalCoords()生成一个点。
            pts.push(new THREE.Vector3().setFromCylindricalCoords(radius, Math.random() * 2 * Math.PI, (Math.random() - 0.5) * 2));
            sizes.push(Math.random() * 1.5 + 0.5);
            pushShift();
        }
        // 生成一个点g，同时将点的大小和位置信息添加到sizes和shift数组中
        let g = new THREE.BufferGeometry().setFromPoints(pts)
        // 创建了一个缓冲几何体并设置sizes和shift属性
        // 注意这里的F要大写Float32BufferAttribute
        g.setAttribute("sizes", new THREE.Float32BufferAttribute(sizes, 1))
        g.setAttribute("shift", new THREE.Float32BufferAttribute(shift, 4))
        // 创建点材质
        let m = new THREE.PointsMaterial({
            // 表示点的大小
            size: 0.125,
            // 设置材质为透明
            transparent: true,
            // 表示禁用深度测试，使点可以叠加
            depthTest: false,
            // 使用假发混合模式
            blending: THREE.AdditiveBlending,
            // 在材质编译之前修改颜色器，在这里，它用来替换顶点着色器和片元着色器，添加uniform
            // 和attribute，以鸡自定义颜色和移动
            onBeforeCompile: shader => {
                shader.uniforms.time = gu.time
                // 首先，它为着色器设置了一个uniform变量time，该变量是在点材质中定义的，用来追踪时间
                // 然后它定义了两个attribute变量sizes和shift，这两个变量是在缓冲几何体中定义的，用来控制点的大小和移动
                // 最后使用replace方法来替换顶点着色器中的代码
                shader.vertexShader = `
                uniform float time;
                attribute float sizes;
                attribute vec4 shift;
                varying vec3 vColor;
                ${shader.vertexShader}
                `
                    // 注意上面的 ` 不要漏掉了
                    // 使用replace来替换着色器中的代码
                    // 更新点的大小
                    .replace(
                        `gl_PointSize = size;`,
                        `gl_PointSize = size * sizes;`
                    )
                    // 更新点的颜色
                    .replace(
                        `#include <color_vertex>`,
                        `#include <color_vertex>
                    float d = length(abs(position)/vec3(40.,10.,40));
                    d=clamp(d,0.,1.);
                    vColor = mix(vec3(227.,155.,0.),vec3(100.,50.,255.),d)/255.;`
                    )
                    // 记得加上分号
                    // 更新点的移动
                    .replace(
                        `#include <begin_vertex>`,
                        `#include <begin_vertex>
                            float t = time;
                            float moveT = mod(shift.x + shift.z * t,PI2);
                            float moveS = mod(shift.y + shift.z * t,PI2);
                            transformed += vec3(cos(moveS) * sin(moveT),cos(moveT),sin(moveS)*sin(moveT)) * shift.w;
                            `
                    )
                // 修改片元着色器，用来让点的边缘更加圆滑

                // 首先，定义一个varying变量vColor，这个变量是在顶点着色器中定义的，用来传递点的颜色到片段着色器
                // 然后使用replace方法来替换片段着色器的代码
                shader.fragmentShader = `
                    varying vec3 vColor;
                    ${shader.fragmentShader}
                `.replace(
                    `#include <clipping_planes_fragment>`,
                    `#include <clipping_planes_fragment>
                        float d = length(gl_PointCoord.xy - 0.5);
                    `
                ).replace(
                    // 记得加上空格
                    `vec4 diffuseColor = vec4( diffuse, opacity );`,
                    `vec4 diffuseColor = vec4( vColor, smoothstep(0.5, 0.1, d)/* * 0.5+0.5*/);`
                );
            }

        })
        // 创建点云并将其添加到场景中，并设置渲染循环
        let p = new THREE.Points(g, m)
        // 旋转顺序为"ZYX"
        p.rotation.order = "ZYX"
        // 旋转角度 0.2
        p.rotation.z = 0.2
        // 把对象（p）添加到场景（scene）中
        scene.add(p)
        // 创建一个时钟对象clock
        let clock = new THREE.Clock()
        // 渲染循环，每次循环中会更新控制器，更新p的旋转角度，更新时间
        renderer.setAnimationLoop(() => {
            // 更新控制器
            controls.update()
            // 获取时钟对象（clock）的已经流逝的时间（t）并将他乘0.5
            // 先把时钟关了
            let t = clock.getElapsedTime() * 0.5
            // 将gu.time.value 设置为t*Math.PI
            gu.time.value = t * Math.PI
            // 将对象（p）的旋转角度y设置为t*0.05
            p.rotation.y = t * 0.05
            // 渲染场景（scene）和相机（camera）
            renderer.render(scene, camera)
        })
    </script>
</body>

</html>

以上就是本篇文章的全部内容了！！！

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