Three.js 自定义着色器（Custom Shaders）

一、引言

在 Three.js 中，自定义着色器（Custom Shaders）是一项强大且灵活的功能，它允许开发者完全掌控图形渲染过程，实现诸如炫酷的特效、独特的材质外观等复杂视觉效果。通过自定义着色器，你可以突破 Three.js 内置材质的限制，按照自己的需求精确控制顶点和片元的处理逻辑，为场景增添独一无二的视觉体验。接下来，我们将逐步深入了解如何在 Three.js 中创建和使用自定义着色器。

二、准备工作

在开始编写自定义着色器之前，确保你已经引入了 Three.js 库。可以通过在 HTML 文件中添加以下代码引入：

xml 复制代码

<script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/three.js/r128/three.min.js"></script>

同时，创建一个基本的 Three.js 场景结构，包括场景、相机和渲染器。以下是一个简单的示例代码：

ini 复制代码

// 创建场景
const scene = new THREE.Scene();
// 创建相机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
camera.position.z = 5;
// 创建渲染器
const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

三、自定义着色器基础概念

3.1 着色器类型

在 Three.js 中，自定义着色器主要涉及两种类型的着色器：顶点着色器（Vertex Shader）和片元着色器（Fragment Shader）。顶点着色器负责处理几何体的顶点数据，例如变换顶点的位置、计算顶点的颜色等；片元着色器则用于计算每个像素（片元）的最终颜色，包括处理光照、纹理等效果。

3.2 着色器语言

Three.js 中的自定义着色器使用 GLSL（OpenGL Shading Language）编写。GLSL 是一种专门用于图形渲染的编程语言，语法与 C 语言类似。顶点着色器和片元着色器分别在不同的 GLSL 文件中编写，或者在 JavaScript 代码中以字符串的形式定义。

四、创建自定义材质

在 Three.js 中，要使用自定义着色器，需要创建一个ShaderMaterial对象。ShaderMaterial允许我们将顶点着色器和片元着色器与材质属性相结合。以下是创建一个简单ShaderMaterial的步骤：

4.1 定义顶点着色器

顶点着色器的主要任务是对顶点进行变换和传递数据到片元着色器。以下是一个简单的顶点着色器示例，它只是将顶点的位置进行了简单的传递：

ini 复制代码

const vertexShader = `
    attribute vec3 position;
    void main() {
        gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
    }
`;

在这段代码中，attribute声明了一个名为position的顶点属性，用于存储顶点的三维位置。在main函数中，gl_Position是一个内置变量，用于指定顶点在裁剪空间中的最终位置。通过将顶点位置乘以projectionMatrix（投影矩阵）和modelViewMatrix（模型视图矩阵），我们将顶点从局部空间变换到裁剪空间。

4.2 定义片元着色器

片元着色器负责计算每个片元的最终颜色。以下是一个简单的片元着色器示例，它将所有片元设置为红色：

ini 复制代码

const fragmentShader = `
    void main() {
        gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    }
`;

在这段代码中，gl_FragColor是一个内置变量，用于指定片元的最终颜色。vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0)表示红色（RGBA 格式，其中 R 为 1.0，G 为 0.0，B 为 0.0，A 为 1.0 即不透明）。

4.3 创建 ShaderMaterial

有了顶点着色器和片元着色器后，我们可以创建ShaderMaterial对象，并将它们应用到几何体上。以下是完整的代码示例：

ini 复制代码

// 定义顶点着色器
const vertexShader = `
    attribute vec3 position;
    void main() {
        gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
    }
`;
// 定义片元着色器
const fragmentShader = `
    void main() {
        gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    }
`;
// 创建ShaderMaterial
const material = new THREE.ShaderMaterial({
    vertexShader: vertexShader,
    fragmentShader: fragmentShader
});
// 创建几何体
const geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1);
// 创建Mesh
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);
// 渲染循环
function animate() {
    requestAnimationFrame(animate);
    renderer.render(scene, camera);
}
animate();

在上述代码中，我们首先定义了顶点着色器和片元着色器，然后使用它们创建了一个ShaderMaterial对象。接着，创建了一个立方体几何体，并将ShaderMaterial应用到几何体上，最后将立方体添加到场景中并开始渲染循环。

五、传递自定义属性

在实际应用中，我们常常需要向着色器传递自定义的属性或参数，以实现更丰富的效果。以下是如何向自定义着色器传递一个简单的颜色属性的示例：

5.1 修改顶点着色器

我们在顶点着色器中添加一个新的uniform变量来接收颜色值：

ini 复制代码

const vertexShader = `
    attribute vec3 position;
    uniform vec3 customColor;
    void main() {
        gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
    }
`;

这里的uniform变量customColor用于存储从 JavaScript 代码传递过来的颜色值。uniform变量在同一帧内对于所有顶点和片元都是相同的。

5.2 修改片元着色器

在片元着色器中使用这个uniform变量来设置片元颜色：

ini 复制代码

const fragmentShader = `
    uniform vec3 customColor;
    void main() {
        gl_FragColor = vec4(customColor, 1.0);
    }
`;

5.3 在 JavaScript 中传递属性值

在创建ShaderMaterial时，通过uniforms属性传递颜色值：

ini 复制代码

// 定义顶点着色器
const vertexShader = `
    attribute vec3 position;
    uniform vec3 customColor;
    void main() {
        gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
    }
`;
// 定义片元着色器
const fragmentShader = `
    uniform vec3 customColor;
    void main() {
        gl_FragColor = vec4(customColor, 1.0);
    }
`;
// 创建ShaderMaterial并传递颜色属性
const material = new THREE.ShaderMaterial({
    vertexShader: vertexShader,
    fragmentShader: fragmentShader,
    uniforms: {
        customColor: { value: new THREE.Vector3(0.0, 1.0, 0.0) }
    }
});
// 创建几何体
const geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1);
// 创建Mesh
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);
// 渲染循环
function animate() {
    requestAnimationFrame(animate);
    renderer.render(scene, camera);
}
animate();

在上述代码中，我们在ShaderMaterial的uniforms属性中定义了customColor变量，并设置其初始值为绿色（0.0, 1.0, 0.0）。这样，立方体就会显示为绿色。

六、处理纹理

除了颜色属性，我们还可以在自定义着色器中使用纹理来实现更复杂的材质效果。以下是一个在自定义着色器中使用纹理的示例：

6.1 加载纹理

首先，我们需要加载一个纹理图片。在 Three.js 中，可以使用TextureLoader来加载纹理：

ini 复制代码

const textureLoader = new THREE.TextureLoader();
const texture = textureLoader.load('texture.jpg');

这里假设texture.jpg是你要加载的纹理图片，你需要将其替换为实际的图片路径。

6.2 修改顶点着色器

在顶点着色器中，我们需要传递纹理坐标（uv）到片元着色器。通常，几何体已经包含了纹理坐标属性，我们只需要将其传递下去：

ini 复制代码

const vertexShader = `
    attribute vec3 position;
    attribute vec2 uv;
    varying vec2 vUv;
    void main() {
        gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
        vUv = uv;
    }
`;

这里使用varying变量vUv来传递纹理坐标。varying变量会在顶点之间进行插值，并传递到片元着色器。

6.3 修改片元着色器

在片元着色器中，使用传递过来的纹理坐标对纹理进行采样，以获取片元的颜色：

ini 复制代码

const fragmentShader = `
    uniform sampler2D texture;
    varying vec2 vUv;
    void main() {
        gl_FragColor = texture2D(texture, vUv);
    }
`;

这里的sampler2D是 GLSL 中用于表示二维纹理的类型。texture2D函数用于对纹理进行采样，根据纹理坐标vUv获取纹理上对应位置的颜色值，并将其设置为片元的最终颜色。

6.4 创建 ShaderMaterial

在创建ShaderMaterial时，将纹理传递给uniforms属性：

ini 复制代码

// 定义顶点着色器
const vertexShader = `
    attribute vec3 position;
    attribute vec2 uv;
    varying vec2 vUv;
    void main() {
        gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
        vUv = uv;
    }
`;
// 定义片元着色器
const fragmentShader = `
    uniform sampler2D texture;
    varying vec2 vUv;
    void main() {
        gl_FragColor = texture2D(texture, vUv);
    }
`;
// 加载纹理
const textureLoader = new THREE.TextureLoader();
const texture = textureLoader.load('texture.jpg');
// 创建ShaderMaterial
const material = new THREE.ShaderMaterial({
    vertexShader: vertexShader,
    fragmentShader: fragmentShader,
    uniforms: {
        texture: { value: texture }
    }
});
// 创建几何体
const geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1);
// 创建Mesh
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);
// 渲染循环
function animate() {
    requestAnimationFrame(animate);
    renderer.render(scene, camera);
}
animate();

通过以上步骤，我们就可以在自定义着色器中使用纹理，为几何体赋予更丰富的外观。

七、结语

通过本文的学习，你已经了解了 Three.js 中自定义着色器的基本概念、创建方法以及如何传递自定义属性和使用纹理。自定义着色器是一个非常强大的工具，它为我们在 Three.js 中实现各种复杂的视觉效果提供了无限可能。随着学习的深入，你可以尝试结合数学运算、光照模型等知识，创作出更加绚丽的特效和独特的材质。在实践过程中，不断探索和尝试，相信你会在 Three.js 的图形渲染世界中创造出令人惊叹的作品。

上述内容从基础到进阶展示了 Three.js 自定义着色器用法。若你想深入学习特定效果实现或优化，欢迎随时和我说说需求。