使用Three.js实现炫酷的赛博朋克风格3D数字地球大屏

背景 近期工作有涉及到数字大屏的需求,于是利用业余时间,结合 Three.js 和 CSS实现赛博朋克2077风格视觉效果 实现炫酷 3D 数字地球大屏页面。页面使用 React + Three.js + Echarts + stylus 技术栈,本文涉及到的主要知识点包括:THREE.Spherical 球体坐标系的应用、Shader 结合 TWEEN 实现飞线和冲击波动画效果、dat.GUI 调试工具库的使用、clip-path 创建不规则图形、Echarts 的基本使用方法、radial-gradient 创建雷达图形及动画、GlitchPass 添加故障风格后期、Raycaster 网格点击事件等。
效果
如下图 所示,页面主要头部、两侧卡片、底部仪表盘以及主体 3D 地球 构成,地球外围有 飞线 动画和 冲击波 动画效果 ,通过 鼠标可以旋转和放大地球。点击第一张卡片的 START ? 按钮会给页面添加故障风格后期 ?,双击地球会弹出随机提示语弹窗。

实现
资源引入
引入开发必备的资源,其中除了基础的 React 和样式表之外,dat.gui 用于动态控制页面参数,其他剩余的主要分为两部分:Three.js相关, OrbitControls 用于镜头轨道控制、TWEEN 用于补间动画控制、mergeBufferGeometries 用户合并模型、EffectComposer RenderPass GlitchPass 用于生成后期故障效果动画、 lineFragmentShader 是飞线的 Shader、Echarts相关按需引入需要的组件,最后使用 echarts.use 使其生效。

import './index.styl'; import React from 'react'; import * as dat from 'dat.gui'; // three.js 相关 import * as THREE from 'three'; import { OrbitControls } from 'three/examples/jsm/controls/OrbitControls'; import { TWEEN } from 'three/examples/jsm/libs/tween.module.min.js'; import { mergeBufferGeometries } from 'three/examples/jsm/utils/BufferGeometryUtils'; import { EffectComposer } from 'three/examples/jsm/postprocessing/EffectComposer.js'; import { RenderPass } from 'three/examples/jsm/postprocessing/RenderPass.js'; import { GlitchPass } from 'three/examples/jsm/postprocessing/GlitchPass.js'; import lineFragmentShader from '@/containers/EarthDigital/shaders/line/fragment.glsl'; // echarts 相关 import * as echarts from 'echarts/core'; import { BarChart /*...*/ } from 'echarts/charts'; import { GridComponent /*...*/ } from 'echarts/components'; import { LabelLayout /*...*/ } from 'echarts/features'; import { CanvasRenderer } from 'echarts/renderers'; echarts.use([BarChart, GridComponent, /* ...*/ ]);

页面结构
页面主要结构如以下代码所示,.webgl 用于渲染 3D 数字地球;.header 是页面顶部,里面包括时间、日期、星际坐标、Cyberpunk 2077 Logo、本人 Github 仓库地址等;.aside 是左右两侧的图表展示区域;.footer 是底部的仪表盘,展示一些雷达动画和文本信息;如果仔细观察,可以看出背景有噪点效果,.bg 就是用于生成噪点背景效果。

场景初始化
定义一些全局变量和参数,初始化场景、相机、镜头轨道控制器、页面缩放监听、添加页面重绘更新动画等进行场景初始化。
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({ canvas: document.querySelector('canvas.webgl'), antialias: true, alpha: true }); renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight); renderer.setPixelRatio(Math.min(window.devicePixelRatio, 2)); // 创建场景 const scene = new THREE.Scene(); // 创建相机 const camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, window.innerWidth / window.innerHeight, .01, 50); camera.position.set(0, 0, 15.5); // 添加镜头轨道控制器 const controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement); controls.enableDamping = true; controls.enablePan = false; // 页面缩放监听并重新更新场景和相机 window.addEventListener('resize', () => { camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight; camera.updateProjectionMatrix(); renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight ); }, false); // 页面重绘动画 renderer.setAnimationLoop( _ => { TWEEN.update(); earth.rotation.y += 0.001; renderer.render(scene, camera); });

【使用Three.js实现炫酷的赛博朋克风格3D数字地球大屏】 创建点状地球
具体思路是使用 THREE.Spherical 创建一个球体坐标系 ?,然后创建 10000 个平面网格圆点,将它们的空间坐标转换成球坐标,并使用 mergeBufferGeometries 将它们合并为一个网格。然后使用一张如下图所示的地图图片作为材质,在 shader 中根据材质图片的颜色分布调整圆点的大小和透明度,根据传入的参数调整圆点的颜色和大小比例。然后创建一个球体 SphereGeometry,使用生成的着色器材质,并将它添加到场景中。到此,一个点状地球 模型就完成了,具体实现如下。
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// 创建球类坐标 let sph = new THREE.Spherical(); let dummyObj = new THREE.Object3D(); let p = new THREE.Vector3(); let geoms = [], rad = 5, r = 0; let dlong = Math.PI * (3 - Math.sqrt(5)); let dz = 2 / counter; let long = 0; let z = 1 - dz / 2; let params = { colors: { base: '#f9f002', gradInner: '#8ae66e', gradOuter: '#03c03c' }, reset: () => { controls.reset() } } let uniforms = { impacts: { value: impacts }, // 陆地色块大小 maxSize: { value: .04 }, // 海洋色块大小 minSize: { value: .025 }, // 冲击波高度 waveHeight: { value: .1 }, // 冲击波范围 scaling: { value: 1 }, // 冲击波径向渐变内侧颜色 gradInner: { value: new THREE.Color(params.colors.gradInner) }, // 冲击波径向渐变外侧颜色 gradOuter: { value: new THREE.Color(params.colors.gradOuter) } } // 创建10000个平面圆点网格并将其定位到球坐标 for (let i = 0; i < 10000; i++) { r = Math.sqrt(1 - z * z); p.set( Math.cos(long) * r, z, -Math.sin(long) * r).multiplyScalar(rad); z = z - dz; long = long + dlong; sph.setFromVector3(p); dummyObj.lookAt(p); dummyObj.updateMatrix(); let g =new THREE.PlaneGeometry(1, 1); g.applyMatrix4(dummyObj.matrix); g.translate(p.x, p.y, p.z); let centers = [p.x, p.y, p.z, p.x, p.y, p.z, p.x, p.y, p.z, p.x, p.y, p.z]; let uv = new THREE.Vector2((sph.theta + Math.PI) / (Math.PI * 2), 1. - sph.phi / Math.PI); let uvs = [uv.x, uv.y, uv.x, uv.y, uv.x, uv.y, uv.x, uv.y]; g.setAttribute('center', new THREE.Float32BufferAttribute(centers, 3)); g.setAttribute('baseUv', new THREE.Float32BufferAttribute(uvs, 2)); geoms.push(g); } // 将多个网格合并为一个网格 let g = mergeBufferGeometries(geoms); let m = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: new THREE.Color(params.colors.base), onBeforeCompile: shader => { shader.uniforms.impacts = uniforms.impacts; shader.uniforms.maxSize = uniforms.maxSize; shader.uniforms.minSize = uniforms.minSize; shader.uniforms.waveHeight = uniforms.waveHeight; shader.uniforms.scaling = uniforms.scaling; shader.uniforms.gradInner = uniforms.gradInner; shader.uniforms.gradOuter = uniforms.gradOuter; // 将地球图片作为参数传递给shader shader.uniforms.tex = { value: new THREE.TextureLoader().load(imgData) }; shader.vertexShader = vertexShader; shader.fragmentShader = fragmentShader; ); } }); // 创建球体 const earth = new THREE.Mesh(g, m); earth.rotation.y = Math.PI; earth.add(new THREE.Mesh(new THREE.SphereGeometry(4.9995, 72, 36), new THREE.MeshBasicMaterial({ color: new THREE.Color(0x000000) }))); earth.position.set(0, -.4, 0); scene.add(earth);

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添加调试工具
为了实时调整球体的样式和后续飞线和冲击波的参数调整,可以使用工具库 dat.GUI。它可以创建一个表单添加到页面,通过调整表单上面的参数、滑块和数值等方式绑定页面参数,参数值更改后可以实时更新画面,这样就不用一边到编辑器调整代码一边到浏览器查看效果了。基本用法如下,本例中可以在页面通过点击键盘 ? H键显示或隐藏参数表单,通过表单可以修改 地球背景色、飞线颜色、冲击波幅度大小等效果。
const gui = new dat.GUI(); gui.add(uniforms.maxSize, 'value', 0.01, 0.06).step(0.001).name('陆地'); gui.add(uniforms.minSize, 'value', 0.01, 0.06).step(0.001).name('海洋'); gui.addColor(params.colors, 'base').name('基础色').onChange(val => { earth && earth.material.color.set(val); });

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如果想要了解更多关于 dat.GUI 的属性和方法,可以访问本文末尾提供的官方文档地址
添加飞线和冲击波
这部分内容实现地球表层的飞线和冲击波效果 ,基本思路是:使用 THREE.Line 创建 10 条随机位置的飞线路径,通过 setPath 方法设置飞线的路径 然后通过 TWEEN 更新飞线和冲击波扩散动画,一条动画结束后,在终点的位置基础上重新调整飞线开始的位置,通过更新 Shader 参数 实现飞线和冲击波效果,并循环执行该过程,最后将飞线和冲击波关联到地球 上,具体实现如以下代码所示:
let maxImpactAmount = 10, impacts = []; let trails = []; for (let i = 0; i < maxImpactAmount; i++) { impacts.push({ impactPosition: new THREE.Vector3().random().subScalar(0.5).setLength(5), impactMaxRadius: 5 * THREE.Math.randFloat(0.5, 0.75), impactRatio: 0, prevPosition: new THREE.Vector3().random().subScalar(0.5).setLength(5), trailRatio: {value: 0}, trailLength: {value: 0} }); makeTrail(i); } // 创建虚线材质和线网格并设置路径 function makeTrail(idx){ let pts = new Array(100 * 3).fill(0); let g = new THREE.BufferGeometry(); g.setAttribute('position', new THREE.Float32BufferAttribute(pts, 3)); let m = new THREE.LineDashedMaterial({ color: params.colors.gradOuter, transparent: true, onBeforeCompile: shader => { shader.uniforms.actionRatio = impacts[idx].trailRatio; shader.uniforms.lineLength = impacts[idx].trailLength; // 片段着色器 shader.fragmentShader = lineFragmentShader; } }); // 创建飞线 let l = new THREE.Line(g, m); l.userData.idx = idx; setPath(l, impacts[idx].prevPosition, impacts[idx].impactPosition, 1); trails.push(l); } // 飞线网格、起点位置、终点位置、顶点高度 function setPath(l, startPoint, endPoint, peakHeight) { let pos = l.geometry.attributes.position; let division = pos.count - 1; let peak = peakHeight || 1; let radius = startPoint.length(); let angle = startPoint.angleTo(endPoint); let arcLength = radius * angle; let diameterMinor = arcLength / Math.PI; let radiusMinor = (diameterMinor * 0.5) / cycle; let peakRatio = peak / diameterMinor; let radiusMajor = startPoint.length() + radiusMinor; let basisMajor = new THREE.Vector3().copy(startPoint).setLength(radiusMajor); let basisMinor = new THREE.Vector3().copy(startPoint).negate().setLength(radiusMinor); let tri = new THREE.Triangle(startPoint, endPoint, new THREE.Vector3()); let nrm = new THREE.Vector3(); tri.getNormal(nrm); let v3Major = new THREE.Vector3(); let v3Minor = new THREE.Vector3(); let v3Inter = new THREE.Vector3(); let vFinal = new THREE.Vector3(); for (let i = 0; i <= division; i++) { let divisionRatio = i / division; let angleValue = https://www.it610.com/article/angle * divisionRatio; v3Major.copy(basisMajor).applyAxisAngle(nrm, angleValue); v3Minor.copy(basisMinor).applyAxisAngle(nrm, angleValue + Math.PI * 2 * divisionRatio * 1); v3Inter.addVectors(v3Major, v3Minor); let newLength = ((v3Inter.length() - radius) * peakRatio) + radius; vFinal.copy(v3Inter).setLength(newLength); pos.setXYZ(i, vFinal.x, vFinal.y, vFinal.z); } pos.needsUpdate = true; l.computeLineDistances(); l.geometry.attributes.lineDistance.needsUpdate = true; impacts[l.userData.idx].trailLength.value = l.geometry.attributes.lineDistance.array[99]; l.material.dashSize = 3; } 复制代码 添加动画过渡效果 for (let i = 0; i < maxImpactAmount; i++) { tweens.push({ runTween: () => { let path = trails[i]; let speed = 3; let len = path.geometry.attributes.lineDistance.array[99]; let dur = len / speed; let tweenTrail = new TWEEN.Tween({ value: 0 }) .to({value: 1}, dur * 1000) .onUpdate( val => { impacts[i].trailRatio.value = https://www.it610.com/article/val.value; }); var tweenImpact = new TWEEN.Tween({ value: 0 }) .to({ value: 1 }, THREE.Math.randInt(2500, 5000)) .onUpdate(val => { uniforms.impacts.value[i].impactRatio = val.value; }) .onComplete(val => { impacts[i].prevPosition.copy(impacts[i].impactPosition); impacts[i].impactPosition.random().subScalar(0.5).setLength(5); setPath(path, impacts[i].prevPosition, impacts[i].impactPosition, 1); uniforms.impacts.value[i].impactMaxRadius = 5 * THREE.Math.randFloat(0.5, 0.75); tweens[i].runTween(); }); tweenTrail.chain(tweenImpact); tweenTrail.start(); } }); } 复制代码![图片](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/566fea0003754deca3e1611ff5519aa9~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-in-crop-mark:3024:0:0:0.awebp) 创建头部 头部机甲风格的形状是通过纯 CSS 实现的,利用 clip-path 属性,使用不同的裁剪方式创建元素的可显示区域,区域内的部分显示,区域外的隐藏。 .header background #f9f002 clip-path polygon(0 0, 100% 0, 100% calc(100% - 35px), 75% calc(100% - 35px), 72.5% 100%, 27.5% 100%, 25% calc(100% - 35px), 0 calc(100% - 35px), 0 0) 复制代码 如果想了解关于 clip-path 的更多知识,可以访问文章末尾提供的 MDN 地址。![图片](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/1ba853bc4b01442cbb8ba0834a81fd99~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-in-crop-mark:3024:0:0:0.awebp) 添加两侧卡片 两侧的 卡片 ,也是机甲风格形状,同样由 clip-path 生成的。卡片有实心、实心点状背景、镂空背景三种基本样式。 .box background-color #000 clip-path polygon(0px 25px, 26px 0px, calc(60% - 25px) 0px, 60% 25px, 100% 25px, 100% calc(100% - 10px), calc(100% - 15px) calc(100% - 10px), calc(80% - 10px) calc(100% - 10px), calc(80% - 15px) 100%, 80px calc(100% - 0px), 65px calc(100% - 15px), 0% calc(100% - 15px)) transition all .25s linear &.inverse border none padding 40px 15px 30px color #000 background-color var(--yellow-color) border-right 2px solid var(--border-color) &::before content "T-71" background-color #000 color var(--yellow-color) &.dotted, &.dotted::after background var(--yellow-color) background-image radial-gradient(#00000021 1px, transparent 0) background-size 5px 5px background-position -13px -3px作者:dragonir链接:

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