React+Three.js实现3D场景压力/温度/密度分布可视化

本文介绍了一个基于React和Three.js的3D压力可视化解决方案，该方案能够：

加载并渲染3D压力模型数据

提供动态颜色映射功能，支持多种颜色方案：彩虹-rainbow,冷暖-cooltowarm,黑体-blackbody,灰度-grayscale

实现固定位置的颜色图例显示

通过GUI界面实现交互式控制

这个解决方案特别适用于工程仿真、科学计算可视化、医疗成像等需要展示3D压力/温度/密度分布的场景。

本文参考threejs官网的例子进行了react重构

three.js examples

几何模型数据分析

首先，下载threejs的源码，找到该例子中需要的模型文件
分析模型数据，可以看到模型是BufferGeometry类型的，有两个属性position位置信息，pressure压力信息

展开position可以看到具体位置属性的参数，itemSize=3表示，每三个表示一个顶点的xyz坐标。

展开pressure可以看到itemSize=1，每一个数值对应一个顶点的压力值

我们现在要做的两件事，首先，根据这个位置信息将几何绘制出来，通过THREE.BufferGeometryLoader()完成；其次，根据每个顶点的压力值，绘制该顶点的颜色。

第一个很容易。

加载几何

javascript 复制代码

export const Model3D = () => {
  const meshRef = useRef<THREE.Mesh>(null)
  const [geometry, setGeometry] = useState<PressureGeometry | null>(null)

  useEffect(() => {
    const loader = new THREE.BufferGeometryLoader()
    loader.load('models/json/pressure.json', (geometry) => {
    const geometry2 = geometry as unknown as PressureGeometry
    geometry.center();      // 确保模型居中
    geometry.computeVertexNormals(); // 计算法线以正确显示光照

      const colors = []
      for (let i = 0, n = geometry.attributes.position.count; i < n; ++i) {
        colors.push(1, 1, 1)
      }

      geometry.setAttribute(
        'color',
        new THREE.Float32BufferAttribute(colors, 3),
      )
      setGeometry(geometry2)
    })
  }, [])


  if (!geometry) return null

  return (
    <mesh ref={meshRef} geometry={geometry}>
      <meshLambertMaterial
        side={THREE.DoubleSide}
        color={0xf5f5f5}
        vertexColors={true}
      />
    </mesh>
  )
}

1. `geometry.center()`：几何体居中

将几何体的顶点坐标 重新计算，使其中心点移动到坐标系原点 (0, 0, 0)。

默认情况下，加载的 3D 模型可能不在场景中心，导致旋转/缩放时出现偏移问题。

底层原理

计算几何体的包围盒（BoundingBox） ，获取 min 和 max 坐标。

计算几何体的中心点：

javascript 复制代码

const centerX = (min.x + max.x) / 2;
const centerY = (min.y + max.y) / 2;
const centerZ = (min.z + max.z) / 2;

将所有顶点坐标减去中心点值，使模型中心对齐到 (0, 0, 0)。

适用场景

加载外部 3D 模型（如 .json、.gltf）时，确保模型位于场景中心。

避免因模型偏移导致的相机对焦问题或交互异常。

2. `geometry.computeVertexNormals()`：计算顶点法线

自动计算每个顶点的法线向量（用于光照计算）。

如果几何体没有法线数据，或修改了顶点位置后未更新法线，模型的光照会显示不正确（如全黑或闪烁）。

底层原理

遍历所有三角形面（faces 或 index 缓冲数据）。

对每个三角形，计算其面法线（垂直于三角形平面的向量）。

对共享同一顶点的所有面法线取加权平均 ，得到该顶点的平滑法线。

为什么需要？

Three.js 的光照（如 MeshLambertMaterial、MeshPhongMaterial）依赖法线数据。

如果未提供法线，模型会失去立体感（如下图对比）：
✅ 有法线 → 平滑光照

❌ 无法线 → 平坦或异常着色

思考：如何绘制顶点颜色？

如何绘制顶点颜色呢？

如果我们想绘制一个彩虹色[红，黄，**，绿，蓝]，并且指定一个数值区间[min,max]，然后将颜色在指定区间内进行均匀采样，那么对于给定的数值，我们就能得到对应的颜色值。这个如何实现呢？

颜色映射

在 3D 科学可视化（如压力、温度、密度分布）中，颜色映射（Color Mapping） 是关键步骤，它通过将数值数据映射到颜色，直观地表达数据的分布和变化趋势。

1. 数值到颜色的映射原理

（1）数据归一化（Normalization）

由于数值范围可能很大（如压力 0~2000Pa），而颜色查找表（LUT）通常使用 **0~1 范围**，因此需要先归一化：

javascript 复制代码

normalizedValue =(value-minValue)/(maxValue - minValue)

例如：

压力范围 [0, 2000]，当前值 800

归一化后：(800 - 0) / (2000 - 0) = 0.4

（2）颜色查找（Color Lookup）

归一化后的值（0~1）通过 颜色查找表（LUT） 找到对应的 RGB 颜色：

LUT 存储了一系列颜色渐变 （如 rainbow、cooltowarm、grayscale）。

例如，0.4 可能对应 rgb(100, 200, 50)。

2. Three.js 的 `Lut` 类

Three.js 提供了 Lut（Lookup Table） 工具类（位于 three/examples/jsm/math/Lut.js），用于数值到颜色的映射。

（1）基本用法

javascript 复制代码

import { Lut } from 'three/examples/jsm/math/Lut.js';

// 初始化 LUT
const lut = new Lut();

// 设置颜色映射方案（内置多种预设）
lut.setColorMap("rainbow"); // "cooltowarm", "blackbody", "grayscale"...

// 设置数值范围
lut.setMin(0);   // 最小值
lut.setMax(2000); // 最大值

// 获取颜色
const color = lut.getColor(800); // 返回 THREE.Color 对象
console.log(color.r, color.g, color.b); // 例如: (0.2, 0.8, 0.5)

（2）内置颜色映射方案

名称	效果	适用场景
`rainbow`	彩虹色（红→紫）	通用科学可视化
`cooltowarm`	冷色（蓝）→暖色（红）	温度场、正负值
`blackbody`	黑体辐射（黑→红→黄→白）	高温场、热力学
`grayscale`	灰度（黑→白）	简单数据对比

（3）自定义颜色映射

可以手动定义渐变颜色：

javascript 复制代码

lut.setColorMap("custom", [
  new THREE.Color(0x0000ff), // 蓝（最小值）
  new THREE.Color(0x00ff00), // 绿（中间值）
  new THREE.Color(0xff0000), // 红（最大值）
]);

3. 在 React + Three.js 中的实际应用

如本文将使用Lut 用于动态更新 3D 模型的顶点颜色：

javascript 复制代码

useEffect(() => {
  if (!geometry) return;

  const lut = lutRef.current;
  lut.setColorMap(colorMap); // 设置颜色方案（如 "rainbow"）
  lut.setMax(2000); // 最大值
  lut.setMin(0);    // 最小值

  const pressures = geometry.attributes.pressure.array;
  const colors = geometry.attributes.color;

  for (let i = 0; i < pressures.length; i++) {
    const value = pressures[i];
    const color = lut.getColor(value); // 获取颜色
    colors.setXYZ(i, color.r, color.g, color.b); // 设置顶点颜色
  }

  colors.needsUpdate = true; // 通知 Three.js 更新颜色
}, [colorMap, geometry]);

关键点

lut.getColor(value) 自动归一化并返回 THREE.Color。

colors.setXYZ() 修改顶点颜色属性。

needsUpdate = true 确保 GPU 缓冲区更新。

4. 颜色映射的应用场景

场景	数据类型	典型颜色方案
工程仿真	结构应力、流体压力	`cooltowarm`（区分高低压）
科学计算	温度场、密度场	`blackbody`（高温可视化）
医疗成像	CT/MRI 数据	`grayscale`（传统医学影像）

绘制固定色卡ColorMap

在我们场景中ColorMap不会跟着模型一起移动，而是固定在页面的左侧，这是如何做到的呢？
这里使用的是独立渲染Scene，与渲染模型的主Scene分离，并且对ColorMap使用正交相机而不是透视相机

正交相机的作用

在 Three.js 中，正交相机（OrthographicCamera）与透视相机（PerspectiveCamera）不同，它不会根据物体距离相机的远近来缩放物体，所有物体无论远近看起来大小都一样。在本文的代码中，正交相机的作用是：

固定 UI 元素的位置：通过正交相机渲染的元素会固定在屏幕上的某个位置，不会随着主相机的移动而移动，非常适合实现 HUD (平视显示器)、UI 面板等固定元素。

独立的渲染空间：正交相机创建了一个独立的 2D 渲染空间，坐标系统从 - 1 到 1，便于精确控制 UI 元素的位置和大小。

彩色图例的绘制过程

彩色图例的绘制主要通过以下步骤实现：

创建颜色映射纹理：

javascript 复制代码

useEffect(() => {
  const lut = new Lut()
  lut.setColorMap(colorMap)
  lut.setMax(2000)
  lut.setMin(0)

  const canvas = lut.createCanvas()
  const newTexture = new THREE.CanvasTexture(canvas)
  newTexture.colorSpace = THREE.SRGBColorSpace
  setTexture(newTexture)

  return () => newTexture.dispose()
}, [colorMap])

这部分代码使用Lut(Lookup Table) 类创建一个颜色映射表，并将其转换为 Canvas 纹理。

创建 Sprite 元素：
javascript 复制代码
```
return (
  <sprite ref={spriteRef} scale={[0.125, 1, 1]}>
    <spriteMaterial map={texture} />
  </sprite>
)
```
Sprite 是 Three.js 中始终面向相机的 2D 元素，非常适合用于 UI 显示。这里将前面创建的颜色映射纹理应用到 Sprite 上。
使用正交相机渲染：
javascript 复制代码
```
const orthoCamera = new THREE.OrthographicCamera(-1, 1, 1, -1, 1, 2)
orthoCamera.position.set(0.5, 0, 1)

const tempScene = new THREE.Scene()
if (spriteRef.current) {
  tempScene.add(spriteRef.current)
}

gl.render(tempScene, orthoCamera)
```
这部分代码创建了一个临时场景，只包含图例 Sprite 元素，并使用正交相机进行渲染。由于正交相机的特性，无论主相机如何移动，图例都会固定在屏幕上的相同位置。

图例不随模型移动的原理

图例不随模型移动的关键在于：

独立的渲染流程 ：代码中通过useFrame钩子手动控制渲染过程，先渲染主场景，再单独渲染图例：

javascript 复制代码

gl.render(scene, camera)       // 渲染主场景（使用透视相机）
gl.render(tempScene, orthoCamera)  // 渲染图例（使用正交相机）

分离的场景管理 ：图例被添加到一个临时场景tempScene中，与主场景scene分离，避免受到主场景中相机控制和模型变换的影响。
固定的正交相机设置：正交相机的位置和投影参数被固定设置：
javascript 复制代码
```
const orthoCamera = new THREE.OrthographicCamera(-1, 1, 1, -1, 1, 2)
orthoCamera.position.set(0.5, 0, 1)
```
这种设置使得图例在屏幕上的位置不会随着主相机的移动而改变，始终保持在固定位置。

固定图例代码

javascript 复制代码

export const FixedLegend = () => {
  const { gl } = useThree()
  const spriteRef = useRef<THREE.Sprite>(null)
  const { colorMap } = useContext(ColorMapText) as ColorMapTextType
  const [texture, setTexture] = useState<THREE.CanvasTexture | null>(null)

  // 创建和更新颜色图例纹理
  useEffect(() => {
    const lut = new Lut()
    lut.setColorMap(colorMap)
    lut.setMax(2000)
    lut.setMin(0)

    const canvas = lut.createCanvas()
    const newTexture = new THREE.CanvasTexture(canvas)
    newTexture.colorSpace = THREE.SRGBColorSpace
    setTexture(newTexture)

    return () => newTexture.dispose()
  }, [colorMap])

  // 使用useFrame控制渲染过程
  useFrame(() => {
    // 清除自动清除标志，我们将手动控制清除
    gl.autoClear = false
    // 渲染图例（使用正交相机）
    const orthoCamera = new THREE.OrthographicCamera(-1, 1, 1, -1, 1, 2)
    orthoCamera.position.set(0.5, 0, 1)
    
    // 创建一个临时场景只包含图例
    const tempScene = new THREE.Scene()
    if (spriteRef.current) {
      tempScene.add(spriteRef.current)
    }
    
    gl.render(tempScene, orthoCamera)
  })

  if (!texture) return null

  return (
    <sprite ref={spriteRef} scale={[0.125, 1, 1]}>
      <spriteMaterial map={texture} />
    </sprite>
  )
}

GUI切换colorMap

这里快速说一下，通过这个方法const gui = new GUI()可以快速创建一个位于右上角的可视化操作面板，通过配置相关参数，可以动态控制threejs中的参数

javascript 复制代码

export const ColorMapGUI = () => {
const { setColorMap} = useContext(ColorMapText) as ColorMapTextType
  const guiRef = useRef<GUI | null>(null)

  useEffect(() => {
    const gui = new GUI()
    guiRef.current = gui

    const params = {
      colorMap: 'rainbow',
    }

    gui
      .add(params, 'colorMap', [
        'rainbow',
        'cooltowarm',
        'blackbody',
        'grayscale',
      ])
      .onChange((value: string) => {
        setColorMap(value)
      })


    return () => {
      if (guiRef.current) {
        guiRef.current.destroy()
      }
    }

  }, [])


  return (
    <>
    </>
  )
}

完整代码

Model3D组件：负责加载 3D 模型并处理顶点颜色映射。它使用 useEffect 钩子来加载模型数据，并在颜色映射变化时更新顶点颜色。

FixedLegend组件：创建颜色条 UI，显示当前使用的颜色映射。它使用正交相机单独渲染，确保在场景中始终可见。

ColorMapGUI：切换colorMap类型

ColorMapProvider：提供共享colorMap数据

javascript 复制代码

import { useRef, useState, useEffect, createContext, useContext, type ReactNode } from 'react'
import {  useFrame, useThree } from '@react-three/fiber'
import * as THREE from 'three'
import { Lut } from 'three/examples/jsm/math/Lut.js'
import { GUI } from 'three/examples/jsm/libs/lil-gui.module.min.js'

interface PressureGeometry extends THREE.BufferGeometry {
  attributes: {
    position: THREE.BufferAttribute
    normal?: THREE.BufferAttribute
    pressure: THREE.BufferAttribute
    color: THREE.BufferAttribute
  }
}

export const Model3D = () => {
  const meshRef = useRef<THREE.Mesh>(null)
  const [geometry, setGeometry] = useState<PressureGeometry | null>(null)

  const { colorMap } = useContext(ColorMapText) as ColorMapTextType

  const lutRef = useRef<Lut>(new Lut())

  useEffect(() => {
    const loader = new THREE.BufferGeometryLoader()
    loader.load('models/json/pressure.json', (geometry) => {
    const geometry2 = geometry as unknown as PressureGeometry
  geometry.center();      // 确保模型居中
  geometry.computeVertexNormals(); // 计算法线以正确显示光照

      const colors = []
      for (let i = 0, n = geometry.attributes.position.count; i < n; ++i) {
        colors.push(1, 1, 1)
      }

      geometry.setAttribute(
        'color',
        new THREE.Float32BufferAttribute(colors, 3),
      )
      setGeometry(geometry2)
    })
  }, [])

  useEffect(() => {
    if (!geometry) return

    const lut = lutRef.current
    lut.setColorMap(colorMap)
    lut.setMax(2000)
    lut.setMin(0)

    const pressures = geometry.attributes.pressure
    const colors = geometry.attributes.color
    const color = new THREE.Color()

    for (let i = 0; i < pressures.array.length; i++) {
      const colorValue = pressures.array[i]
      color.copy(lut.getColor(colorValue)).convertSRGBToLinear()
      colors.setXYZ(i, color.r, color.g, color.b)
    }

    colors.needsUpdate = true
  }, [colorMap, geometry])

  if (!geometry) return null

  return (
    <mesh ref={meshRef} geometry={geometry}>
      <meshLambertMaterial
        side={THREE.DoubleSide}
        color={0xf5f5f5}
        vertexColors={true}
      />
    </mesh>
  )
}


export const FixedLegend = () => {
  const { gl } = useThree()
  const spriteRef = useRef<THREE.Sprite>(null)
  const { colorMap } = useContext(ColorMapText) as ColorMapTextType
  const [texture, setTexture] = useState<THREE.CanvasTexture | null>(null)

  // 创建和更新颜色图例纹理
  useEffect(() => {
    const lut = new Lut()
    lut.setColorMap(colorMap)
    lut.setMax(2000)
    lut.setMin(0)

    const canvas = lut.createCanvas()
    const newTexture = new THREE.CanvasTexture(canvas)
    newTexture.colorSpace = THREE.SRGBColorSpace
    setTexture(newTexture)

    return () => newTexture.dispose()
  }, [colorMap])

  // 使用useFrame控制渲染过程
  useFrame(() => {
    // 清除自动清除标志，我们将手动控制清除
    gl.autoClear = false
    // 渲染图例（使用正交相机）
    const orthoCamera = new THREE.OrthographicCamera(-1, 1, 1, -1, 1, 2)
    orthoCamera.position.set(0.5, 0, 1)
    
    // 创建一个临时场景只包含图例
    const tempScene = new THREE.Scene()
    if (spriteRef.current) {
      tempScene.add(spriteRef.current)
    }
    
    gl.render(tempScene, orthoCamera)
  })

  if (!texture) return null

  return (
    <sprite ref={spriteRef} scale={[0.125, 1, 1]}>
      <spriteMaterial map={texture} />
    </sprite>
  )
}
export const ColorMapGUI = () => {
const { setColorMap} = useContext(ColorMapText) as ColorMapTextType
  const guiRef = useRef<GUI | null>(null)

  useEffect(() => {
    const gui = new GUI()
    guiRef.current = gui

    const params = {
      colorMap: 'rainbow',
    }

    gui
      .add(params, 'colorMap', [
        'rainbow',
        'cooltowarm',
        'blackbody',
        'grayscale',
      ])
      .onChange((value: string) => {
        setColorMap(value)
      })


    return () => {
      if (guiRef.current) {
        guiRef.current.destroy()
      }
    }

  }, [])


  return (
    <>
    </>
  )
}
type ColorMapTextType = {
    colorMap: string,
    setColorMap: (value: string) => void,
}
const ColorMapText = createContext<ColorMapTextType|undefined>(undefined)

export const ColorMapProvider = ({ children }: { children: ReactNode }) => {
  const [colorMap, setColorMap] = useState<string>('rainbow')
  const value={
    colorMap,
    setColorMap,
  }
  return (
    <ColorMapText.Provider value={value}>
      {children}
    </ColorMapText.Provider>
  )
}

提供Canvas、光源、并加载模型和图例组件

javascript 复制代码

import { OrbitControls } from '@react-three/drei'
import { Canvas } from '@react-three/fiber'
import { ColorMapGUI, FixedLegend, ColorMapProvider, Model3D } from './ColorMap'

export const ThreeJsExample = () => {
  return (
    <ColorMapProvider>
      <div style={{ width: '100vw', height: '100vh' }}>
        <Canvas
          camera={{ position: [0, 0, 10], fov: 60 }}
          gl={{ antialias: true }}
        >
          <ambientLight intensity={0.5} />
          <directionalLight position={[0, 0, 1]} intensity={3} />
          <pointLight position={[3, 0, 0]} />
          <Model3D />
          <FixedLegend />

          <ColorMapGUI />
          <OrbitControls />
        </Canvas>
      </div>
    </ColorMapProvider>
  )
}

总结

这个项目展示了如何结合React-Three-Fiber和Three.js创建专业的科学可视化应用。关键点包括：

正确处理自定义几何属性

实现不随场景旋转的固定UI元素

构建灵活的颜色映射系统

优化渲染性能

这种模式可以扩展到其他科学可视化场景，如温度场、流速场等的可视化。

React+Three.js实现3D场景压力/温度/密度分布可视化

几何模型数据分析

加载几何

1. geometry.center()：几何体居中

底层原理

适用场景

2. geometry.computeVertexNormals()：计算顶点法线

底层原理

为什么需要？

思考：如何绘制顶点颜色？

颜色映射

1. 数值到颜色的映射原理

（1）数据归一化（Normalization）

（2）颜色查找（Color Lookup）

2. Three.js 的 Lut 类

（1）基本用法

（2）内置颜色映射方案

（3）自定义颜色映射

3. 在 React + Three.js 中的实际应用

关键点

4. 颜色映射的应用场景

绘制固定色卡ColorMap

正交相机的作用

彩色图例的绘制过程

图例不随模型移动的原理

固定图例代码

GUI切换colorMap

完整代码

总结

1. `geometry.center()`：几何体居中

2. `geometry.computeVertexNormals()`：计算顶点法线

2. Three.js 的 `Lut` 类