three.js 实现露珠滴落动画效果的示例代码

前言

大家好，这里是 CSS 魔法使——alphardex。

本文我们将用three.js来实现一种很酷的光学效果——露珠滴落。我们知道，在露珠从一个物体表面滴落的时候，会产生一种粘着的效果。2D平面中，这种粘着效果其实用css滤镜就可以轻松实现。但是到了3D世界，就没那么简单了，这时我们就得依靠光照来实现，其中涉及到了一个关键算法——光线步进（Ray Marching）。以下是最终实现的效果图

撒，哈吉马路由！

准备工作

笔者的 three.js模板 ：点击右下角的fork即可复制一份

正片

全屏相机

首先将相机换成正交相机，再将平面的长度调整为2，使其填满屏幕

class RayMarching extends Base {
 constructor(sel: string, debug: boolean) {
 super(sel, debug);
 this.clock = new THREE.Clock();
 this.cameraPosition = new THREE.Vector3(0, 0, 0);
 this.orthographicCameraParams = {
  left: -1,
  right: 1,
  top: 1,
  bottom: -1,
  near: 0,
  far: 1,
  zoom: 1
 };
 }
 // 初始化
 init() {
 this.createScene();
 this.createOrthographicCamera();
 this.createRenderer();
 this.createRayMarchingMaterial();
 this.createPlane();
 this.createLight();
 this.trackMousePos();
 this.addListeners();
 this.setLoop();
 }
 // 创建平面
 createPlane() {
 const geometry = new THREE.PlaneBufferGeometry(2, 2, 100, 100);
 const material = this.rayMarchingMaterial;
 this.createMesh({
  geometry,
  material
 });
 }
}

创建材质

创建好着色器材质，里面定义好所有要传递给着色器的参数

const matcapTextureUrl = "https://i.loli.net/2021/02/27/7zhBySIYxEqUFW3.png";

class RayMarching extends Base {
 // 创建光线追踪材质
 createRayMarchingMaterial() {
 const loader = new THREE.TextureLoader();
 const texture = loader.load(matcapTextureUrl);
 const rayMarchingMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
  vertexShader: rayMarchingVertexShader,
  fragmentShader: rayMarchingFragmentShader,
  side: THREE.DoubleSide,
  uniforms: {
  uTime: {
   value: 0
  },
  uMouse: {
   value: new THREE.Vector2(0, 0)
  },
  uResolution: {
   value: new THREE.Vector2(window.innerWidth, window.innerHeight)
  },
  uTexture: {
   value: texture
  },
  uProgress: {
   value: 1
  },
  uVelocityBox: {
   value: 0.25
  },
  uVelocitySphere: {
   value: 0.5
  },
  uAngle: {
   value: 1.5
  },
  uDistance: {
   value: 1.2
  }
  }
 });
 this.rayMarchingMaterial = rayMarchingMaterial;
 }
}

顶点着色器 rayMarchingVertexShader ，这个只要用模板现成的就可以了

重点是片元着色器 rayMarchingFragmentShader

片元着色器

背景

作为热身运动，先创建一个辐射状的背景吧

varying vec2 vUv;

vec3 background(vec2 uv){
 float dist=length(uv-vec2(.5));
 vec3 bg=mix(vec3(.3),vec3(.0),dist);
 return bg;
}

void main(){
 vec3 bg=background(vUv);
 vec3 color=bg;
 gl_FragColor=vec4(color,1.);
}

sdf

如何在光照模型中创建物体呢？我们需要sdf。

sdf的意思是符号距离函数：若传递给函数空间中的某个坐标，则返回那个点与某些平面之间的最短距离，返回值的符号表示点在平面的内部还是外部，故称符号距离函数。

如果我们要创建一个球，就得用球的sdf来创建。球体方程可以用如下的glsl代码来表示

float sdSphere(vec3 p,float r)
{
 return length(p)-r;
}

方块的代码如下

float sdBox(vec3 p,vec3 b)
{
 vec3 q=abs(p)-b;
 return length(max(q,0.))+min(max(q.x,max(q.y,q.z)),0.);
}

看不懂怎么办？没关系，国外已经有大牛把 常用的sdf公式 都整理出来了

在sdf里先创建一个方块

float sdf(vec3 p){
 float box=sdBox(p,vec3(.3));
 return box;
}

画面上仍旧一片空白，因为我们的嘉宾——光线还尚未入场。

光线步进

接下来就是本文的头号人物——光线步进了。在介绍她之前，我们先来看看她的好姬友光线追踪吧。

首先，我们需要知道光线追踪是如何进行的：给相机一个位置 eye ，在前面放一个网格，从相机的位置发射一束射线 ray ，穿过网格打在物体上，所成的像的每一个像素对应着网格上的每一个点。

而在光线步进中，整个场景会由一系列的sdf的角度定义。为了找到场景和视线之间的边界，我们会从相机的位置开始，沿着射线，一点一点地移动每个点，每一步都会判断这个点在不在场景的某个表面内部，如果在则完成，表示光线击中了某东西，如果不在则光线继续步进。

上图中，p0是相机位置，蓝色的线代表射线。可以看出光线的第一步p0p1就迈的非常大，它也恰好是此时光线到表面的最短距离。表面上的点尽管是最短距离，但并没有沿着视线的方向，因此要继续检测到p4这个点

shadertoy上有一个 可交互的例子

以下是光线步进的glsl代码实现

const float EPSILON=.0001;

float rayMarch(vec3 eye,vec3 ray,float end,int maxIter){
 float depth=0.;
 for(int i=0;i<maxIter;i++){
  vec3 pos=eye+depth*ray;
  float dist=sdf(pos);
  depth+=dist;
  if(dist<EPSILON||dist>=end){
   break;
  }
 }
 return depth;
}

在主函数中创建一条射线，将其投喂给光线步进算法，即可获得光线到表面的最短距离

void main(){
 ...
 vec3 eye=vec3(0.,0.,2.5);
 vec3 ray=normalize(vec3(vUv,-eye.z));
 float end=5.;
 int maxIter=256;
 float depth=rayMarch(eye,ray,end,maxIter);
 if(depth<end){
  vec3 pos=eye+depth*ray;
  color=pos;
 }
 ...
}

在光线步进的引诱下，野生的方块出现了！

居中材质

目前的方块有2个问题：1. 没有居中 2. x轴方向上被拉伸

居中+拉伸素质2连走起

vec2 centerUv(vec2 uv){
 uv=2.*uv-1.;
 float aspect=uResolution.x/uResolution.y;
 uv.x*=aspect;
 return uv;
}

void main(){
 ...
 vec2 cUv=centerUv(vUv);
 vec3 ray=normalize(vec3(cUv,-eye.z));
 ...
}

方块瞬间飘到了画面的正中央，但此时的她还没有颜色

计算表面法线

在光照模型中，我们需要 计算出表面法线 ，才能给材质赋予颜色

vec3 calcNormal(in vec3 p)
{
 const float eps=.0001;
 const vec2 h=vec2(eps,0);
 return normalize(vec3(sdf(p+h.xyy)-sdf(p-h.xyy),
 sdf(p+h.yxy)-sdf(p-h.yxy),
 sdf(p+h.yyx)-sdf(p-h.yyx)));
}

void main(){
 ...
 if(depth<end){
  vec3 pos=eye+depth*ray;
  vec3 normal=calcNormal(pos);
  color=normal;
 }
 ...
}

此时方块被赋予了蓝色，但我们还看不出她是个立体图形

动起来

让方块360°旋转起来吧，3D旋转函数直接在 gist 上搜一下就有了

uniform float uVelocityBox;

mat4 rotationMatrix(vec3 axis,float angle){
 axis=normalize(axis);
 float s=sin(angle);
 float c=cos(angle);
 float oc=1.-c;
 
 return mat4(oc*axis.x*axis.x+c,oc*axis.x*axis.y-axis.z*s,oc*axis.z*axis.x+axis.y*s,0.,
  oc*axis.x*axis.y+axis.z*s,oc*axis.y*axis.y+c,oc*axis.y*axis.z-axis.x*s,0.,
  oc*axis.z*axis.x-axis.y*s,oc*axis.y*axis.z+axis.x*s,oc*axis.z*axis.z+c,0.,
 0.,0.,0.,1.);
}

vec3 rotate(vec3 v,vec3 axis,float angle){
 mat4 m=rotationMatrix(axis,angle);
 return(m*vec4(v,1.)).xyz;
}

float sdf(vec3 p){
 vec3 p1=rotate(p,vec3(1.),uTime*uVelocityBox);
 float box=sdBox(p1,vec3(.3));
 return box;
}

融合效果

单单一个方块太孤单了，创建一个球来陪陪她吧

如何让球和方块贴在一起呢，你需要 smin 这个函数

uniform float uProgress;

float smin(float a,float b,float k)
{
 float h=clamp(.5+.5*(b-a)/k,0.,1.);
 return mix(b,a,h)-k*h*(1.-h);
}

float sdf(vec3 p){
 vec3 p1=rotate(p,vec3(1.),uTime*uVelocityBox);
 float box=sdBox(p1,vec3(.3));
 float sphere=sdSphere(p,.3);
 float sBox=smin(box,sphere,.3);
 float mixedBox=mix(sBox,box,uProgress);
 return mixedBox;
}

把 uProgress 的值设为0，她们成功地贴在了一起

把 uProgress 的值调回1，她们又分开了

动态融合

接下来就是露珠滴落的动画实现了，其实就是对融合图形应用了一个位移变换

uniform float uAngle;
uniform float uDistance;
uniform float uVelocitySphere;

const float PI=3.14159265359;

float movingSphere(vec3 p,float shape){
 float rad=uAngle*PI;
 vec3 pos=vec3(cos(rad),sin(rad),0.)*uDistance;
 vec3 displacement=pos*fract(uTime*uVelocitySphere);
 float gotoCenter=sdSphere(p-displacement,.1);
 return smin(shape,gotoCenter,.3);
}

float sdf(vec3 p){
 vec3 p1=rotate(p,vec3(1.),uTime*uVelocityBox);
 float box=sdBox(p1,vec3(.3));
 float sphere=sdSphere(p,.3);
 float sBox=smin(box,sphere,.3);
 float mixedBox=mix(sBox,box,uProgress);
 mixedBox=movingSphere(p,mixedBox);
 return mixedBox;
}

matcap贴图

默认的材质太土了？我们有帅气的matcap贴图来助阵

uniform sampler2D uTexture;

vec2 matcap(vec3 eye,vec3 normal){
 vec3 reflected=reflect(eye,normal);
 float m=2.8284271247461903*sqrt(reflected.z+1.);
 return reflected.xy/m+.5;
}

float fresnel(float bias,float scale,float power,vec3 I,vec3 N)
{
 return bias+scale*pow(1.+dot(I,N),power);
}

void main(){
 ...
 if(depth<end){
  vec3 pos=eye+depth*ray;
  vec3 normal=calcNormal(pos);
  vec2 matcapUv=matcap(ray,normal);
  color=texture2D(uTexture,matcapUv).rgb;
  float F=fresnel(0.,.4,3.2,ray,normal);
  color=mix(color,bg,F);
 }
 ...
}

安排上了matcap和菲涅尔公式后，瞬间cool了有没有？！

项目地址

Ray Marching Gooey Effect

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