使用Three.js实现炫酷的赛博朋克风格3D数字地球大屏 🌐

技术分享 2年前 (2022-07-25) 0 999+

声明：本文涉及图文和模型素材仅用于个人学习、研究和欣赏，请勿二次修改、非法传播、转载、出版、商用、及进行其他获利行为。

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。

💻 本页面仅适配 PC 端，大屏访问效果更佳。
👁‍🗨 在线预览地址1：https://3d-eosin.vercel.app/#/earthDigital
👁‍🗨 在线预览地址2：https://dragonir.github.io/3d/#/earthDigital

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。

<div className='earth_digital'>   <canvas className='webgl'></canvas>   <header className='hud header'>   <header></header>   <aside className='hud aside left'></aside>   <aside className='hud aside right'></aside>   <footer className='hud footer'></footer>   <section className="bg"></section> </div>

`🔩` 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); });

`🌐` 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。

// 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);

`🔧` 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); });

📌 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 = 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; }

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 = 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();     }   }); }

📟 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)

📌 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。

📊 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

卡片上的图表 📊，直接使用的是 Eachrts 插件，通过修改每个图表的配置来适配 赛博朋克 2077 的样式风格。

const chart_1 = echarts.init(document.getElementsByClassName('chart_1')[0], 'dark'); chart_1 && chart_1.setOption(chart_1_option);

📌 Echarts 图标使用不是本文重点内容，想要了解更多细节内容，可访问其官网。

`⏱` 添加底部仪表盘

底部仪表盘主要用于数据展示，并且添加了 3 个雷达扫描动画，雷达 📡 形状则是通过 radial-gradient 径向渐变来实现的，然后利用 ::before 和 ::after 伪元素实现扫描动画效果，具体 keyframes 实现可以查看样式源码。

.radar   background: radial-gradient(center, rgba(32, 255, 77, 0.3) 0%, rgba(32, 255, 77, 0) 75%), repeating-radial-gradient(rgba(32, 255, 77, 0) 5.8%, rgba(32, 255, 77, 0) 18%, #20ff4d 18.6%, rgba(32, 255, 77, 0) 18.9%), linear-gradient(90deg, rgba(32, 255, 77, 0) 49.5%, #20ff4d 50%, #20ff4d 50%, rgba(32, 255, 77, 0) 50.2%), linear-gradient(0deg, rgba(32, 255, 77, 0) 49.5%, #20ff4d 50%, #20ff4d 50%, rgba(32, 255, 77, 0) 50.2%) .radar:before   content ''   display block   position absolute   width 100%   height 100%   border-radius: 50%   animation blips  1.4s 5s infinite linear .radar:after   content ''   display block   background-image linear-gradient(44deg, rgba(0, 255, 51, 0) 50%, #00ff33 100%)   width 50%   height 50%   animation radar-beam 5s infinite linear   transform-origin: bottom right   border-radius 100% 0 0 0

`🤳` 添加交互

故障风格后期

点击第一个卡片上的按钮 START ⬜，星际之旅进入 Hard 模式 😱，页面将会产生如下图所示的故障动画效果。它是通过引入 Three.js 内置的后期通道 GlitchPass 实现的，添加以下代码后，记得要在页面重绘动画中更新 composer。

const composer = new EffectComposer(renderer); composer.addPass( new RenderPass(scene, camera)); const glitchPass = new GlitchPass(); composer.addPass(glitchPass);

地球点击事件

使用 Raycaster 给地球网格添加点击事件，在地球上 双击鼠标 🖱，会弹出一个提示框 💬，并会随机加载一些提示文案。

const raycaster = new THREE.Raycaster(); const mouse = new THREE.Vector2(); window.addEventListener('dblclick', event => {   mouse.x = (event.clientX / window.innerWidth) * 2 - 1;   mouse.y = - (event.clientY / window.innerHeight) * 2 + 1;   raycaster.setFromCamera(mouse, camera);   const intersects = raycaster.intersectObjects(earth.children);   if (intersects.length > 0) {     this.setState({       showModal: true,       modelText: tips[Math.floor(Math.random() * tips.length)]     });   } }, false);

`🎥` 添加入场动画等其他细节

最后，还添加了一些样式细节和动画效果，如头部和两侧卡片的入场动画、头部时间坐标文字闪烁动画、第一张卡片按钮故障风格动画、Cyberpunk 2077 Logo 的阴影效果等。由于文章篇幅有限，不在这里细讲，感兴趣的朋友可以自己查看源码学习。也可以查看阅读我的另一篇文章仅用CSS几步实现赛博朋克2077风格视觉效果 > 传送门 🚪 查看更多细节内容。