three.js 实现露珠滴落动画
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转自：掘金 - alphardex
https://juejin.cn/post/6934461126977519629
前言
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 https://codepen.io/alphardex/pen/yLaQdOq
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
公式：https://www.iquilezles.org/www/articles/distfunctions/distfunctions.htm
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：
https://www.shadertoy.com/view/4dKyRz
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
https://www.iquilezles.org/www/articles/normalsSDF/normalsSDF.htm
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
https://gist.github.com/yiwenl/3f804e80d0930e34a0b33359259b556c
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
https://www.iquilezles.org/www/articles/smin/smin.htm
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：
https://codepen.io/alphardex/pen/BaQYXvy
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