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three.js实现太阳系

开发技术 开发技术 2022-07-24 次浏览

前言

刚开始使用three.js时会不太熟悉,想写一些项目增加理解,网上翻了好多文章,不是画立方体就是画三角形,最后偶然看到这个网站,十分炫酷。
three.js实现太阳系
我们也许没那么牛逼,但我们可以整个简略版的太阳系来练练手,加强理解,增加熟练度。

实现目标

1、绘制宇宙背景。
2、添加宇宙星辰。
3、绘制行星轨道。
4、绘制行星环。
5、实现行星自转与公转。
6、实现双击行星后镜头的拉近效果(类似cesium的flyTo效果)。
7、显示行星描述。

具体效果

three.js实现太阳系
three.js实现太阳系
这里是浏览地址,项目是用vue2开发的,废话少说,我们直接开整!

导入依赖

import * as THREE from "three";//导入three.js
import { OrbitControls } from "three/examples/jsm/controls/OrbitControls"; //导入鼠标控制器
import TWEEN from "@tweenjs/tween.js";//导入tween动画

构造行星数据

我将数据写在了js里面,便于直接导出,当然你也可以写一个json。这里以一个球体(太阳)作为例子,其他类似。

let sun = {
    name: "太阳",//球体名称
    mapImg: sunImg,//球体贴图
    size: sunSize,//球体尺寸
    position: [0, 0, 0],//位置(x,y,z)
    rotation: 0.05,//自转速度
    revolution: 0,//公转速度
    data: {
        sunDistance: "0km", weight: "1.989e30kg", diameter: "1392000km", rotation: "36day",
        revolution: "", temp: "5500℃", atmosphere: "氮气、氧气、氩气", msg: "太阳是在大约45.7亿年前在一个坍缩的氢分子云内形成。太阳是太阳系里唯一的恒星,是太阳系的中心天体。"
    }//描述
};

其他球体数据构造完后放入数组,导出。

let planetList = [sun, mercury, venus, earth, mars, jupiter, saturn, uranus, neptune, pluto];
export default planetList;

初始化场景

    init() {
      this.dom = document.getElementById("planetDiv"); //获取dom
      let width = this.dom.clientWidth;
      let height = this.dom.clientHeight;
      scene = new THREE.Scene(); //场景场景
      // scene.add(new THREE.AxesHelper(500));
      camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, width / height, 1, 50000); //创建透视相机(视场、长宽比、近面、远面)
      camera.position.set(0, 500, 2700); //设置相机位置
      camera.lookAt(0, 0, 0);
      //创建渲染器
      this.renderer = new THREE.WebGLRenderer({
        antialias: true, //抗锯齿
        alpha: true, //透明
      });
      this.renderer.setClearColor(0x000000, 0.1); //设置场景透明度
      this.renderer.setSize(width, height); //设置渲染区域尺寸
      this.dom.appendChild(this.renderer.domElement); //将渲染器添加到dom中形成canvas
      this.createUniverse(); //创建宇宙
      this.createStars(); //创建星辰
      this.createLight(); //创建光源
      //遍历行星数据生成星球及其轨道
      this.planetList.forEach((e) => {
        this.createSphere(e);//创建球体
        this.createTrack(e);//创建轨迹
      });
      this.createOrbitControls(); //创建鼠标控制器
      this.render(); //渲染
    },

创建场景与渲染器,参数需要自己调节,记得将渲染器的antialias与alph打开。

创建宇宙

//创建宇宙(球形宇宙)
    createUniverse() {
      let universeGeometry = new THREE.SphereGeometry(7000, 100, 100);
      let universeMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({
        //高光材质
        map: new THREE.TextureLoader().load(universeImg),//导入宇宙贴图
        side: THREE.DoubleSide, //双面显示
      });
      //宇宙网格
      let universeMesh = new THREE.Mesh(universeGeometry, universeMaterial);
      universeMesh.name = "宇宙";
      scene.add(universeMesh);//将宇宙网格添加到场景中
    },

这里创建背景的方法为这篇文章的第三种创建背景的方法。使用SphereGeometry创建宇宙的几何体,MeshLambertMaterial作为宇宙的材质,记得打开材质的side属性,进行双面显示。

创建星辰

//创建星辰
    createStars() {
      const positions = [];
      const colors = [];
      //星辰几何体
      const starsGeometry = new THREE.BufferGeometry();
      //添加星辰的颜色与位置
      for (let i = 0; i < 10000; i++) {
        let vertex = new THREE.Vector3();
        vertex.x = Math.random() * 2 - 1;
        vertex.y = Math.random() * 2 - 1;
        vertex.z = Math.random() * 2 - 1;
        positions.push(vertex.x, vertex.y, vertex.z);
        let color = new THREE.Color();
        color.setRGB(255, 255, 255);
        colors.push(color.r, color.g, color.b);
      }
      starsGeometry.setAttribute(
        "position",
        new THREE.Float32BufferAttribute(positions, 3)
      );
      starsGeometry.setAttribute(
        "color",
        new THREE.Float32BufferAttribute(colors, 3)
      );
      //星辰材质
      let starsMaterial = new THREE.PointsMaterial({
        map: new THREE.TextureLoader().load(starImg),
        size: 5,
        blending: THREE.AdditiveBlending,
        fog: true,
        depthTest: false, //(不能与blending一起使用)
        // depthWrite: false, //(深度写入)防止星辰在球体前面出现黑块
      });
      //星辰的集合
      let starsMesh = new THREE.Points(starsGeometry, starsMaterial);
      starsMesh.scale.set(7000, 7000, 7000); //设置集合体范围
      scene.add(starsMesh);
    },

星辰是若干个THREE.Points构成的,材质是PointsMaterial,几何体是BufferGeometry,在添加星辰到场景中前,记得使用scale.set()设置星辰集合的尺度。

创建光源

//创建光源
    createLight() {
      let ambient = new THREE.AmbientLight(new THREE.Color(0xffffff)); //环境光
      scene.add(ambient);
      let pointLight = new THREE.PointLight(new THREE.Color(0xffffff), 2, 1, 0); //点光源
      pointLight.visible = true;
      pointLight.position.set(0, 0, 0); //点光源在原点充当太阳
      scene.add(pointLight); //点光源添加到场景中
    },

这里我将光源设置在太阳的中心,即场景的中心。

创建球体

//创建球体
    createSphere(data) {
      //处理特殊球体
      if (data.name == "太阳") {
        this.createSun(data);
      } else if (data.name == "地球") {
        this.createEarth(data);
      } else if (data.name == "金星") {
        this.createVenus(data);
      } else if (data.name == "土星") {
        this.createSaturn(data);
      } else {
        //其他球体
        let sphereGeometry = new THREE.SphereGeometry(data.size, 100, 100); //球体几何体
        //球体材质
        let sphereMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({
          map: new THREE.TextureLoader().load(data.mapImg),
        });
        let sphereMesh = new THREE.Mesh(sphereGeometry, sphereMaterial); //生成球体网格
        sphereMesh.name = data.name; //网格名字
        sphereMesh.planetMsg = data;
        sphereMesh.isPlanet = true; //标识为星球
        sphereMesh.angle = 0; //添加初始角度
        //球体位置
        sphereMesh.position.set(
          data.position[0],//x
          data.position[1],//y
          data.position[2]//z
        );
        scene.add(sphereMesh); //球体添加到场景中
      }
    },

这里我将单独处理太阳、地球、金星、土星,其他星球直接通过行星数据进行批量创建。流程均为,创建SphereGeometry,创建MeshLambertMaterial,设置位置、添加到场景。

创建太阳

//创建太阳
    createSun(data) {
      let sunGroup = new THREE.Group(); //太阳的组
      let sunGeometry = new THREE.SphereGeometry(data.size, 100, 100); //太阳几何体
      let sunMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({
        //太阳材质
        color: new THREE.Color(0xffffff),
        map: new THREE.TextureLoader().load(data.mapImg),
      });
      let sunMesh = new THREE.Mesh(sunGeometry, sunMaterial);
      sunGroup.add(sunMesh);
      //太阳大气几何体
      let sunAtmosphereGeometry = new THREE.SphereGeometry(
        data.size + 8,
        100,
        100
      );
      let sunAtmosphereMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({
        color: new THREE.Color(0xffffff),
        transparent: true,
        opacity: 0.2,
      });
      let sunAtmosphereMesh = new THREE.Mesh(
        sunAtmosphereGeometry,
        sunAtmosphereMaterial
      );
      sunGroup.add(sunAtmosphereMesh);
      sunGroup.name = data.name; //网格名字
      sunGroup.planetMsg = data;
      sunGroup.isPlanet = true; //标识为星球
      sunGroup.angle = 0; //添加初始角度
      //球体位置
      sunGroup.position.set(
        data.position[0],
        data.position[1],
        data.position[2]
      );
      scene.add(sunGroup);
    },

创建太阳需要使用THREE.Group(),将太阳网格sunMesh 添加到组中再将组添加到场景中。这里我们给太阳添加了一层透明球壳作为太阳大气,大气半径需要大于太阳球体,同时太阳大气材质MeshLambertMaterial需要开启透明属性transparent。金星与太阳的创建方法一样,只不过金星大气多添加了贴图材质。

创建地球

    //创建地球
    createEarth(data) {
      let earthGroup = new THREE.Group(); //地球的组
      let earthGeometry = new THREE.SphereGeometry(data.size, 100, 100); //地球几何体
      //地球材质
      let earthMaterial = new THREE.MeshPhysicalMaterial({
        map: new THREE.TextureLoader().load(data.mapImg),
        normalScale: new THREE.Vector2(10, 10), //凹凸深度
        normalMap: new THREE.TextureLoader().load(earthNormalImg), //法线贴图
      });
      let earthMesh = new THREE.Mesh(earthGeometry, earthMaterial); //地球网格
      earthGroup.add(earthMesh); //将地球网格添加到地球组中
      //地球云层几何体
      let earthCloudsGeometry = new THREE.SphereGeometry(
        data.size + 2,
        100,
        100
      );
      //地球云层材质
      let earthCloudsMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({
        color: new THREE.Color(0xffffff),
        transparent: true,
        opacity: 0.4,
        map: new THREE.TextureLoader().load(earthCloudsImg),
      });
      //地球云层网格
      let earthCloudsMesh = new THREE.Mesh(
        earthCloudsGeometry,
        earthCloudsMaterial
      );
      earthGroup.add(earthCloudsMesh); //将地球云层网格添加到地球组中

      //创建月球轨道
      let moonTrackGeometry = new THREE.RingBufferGeometry( //圆环几何体
        data.size + 40,
        data.size + 40.2,
        100
      );
      let moonTrackMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({
        color: 0xffffff,
        side: THREE.DoubleSide,
      });
      let moonTrackMesh = new THREE.Mesh(moonTrackGeometry, moonTrackMaterial);
      moonTrackMesh.rotation.set(0.5 * Math.PI, 0, 0);
      earthGroup.add(moonTrackMesh);

      //创建月球
      let moonGeometry = new THREE.SphereGeometry(10, 100, 100);
      let moonMaterial = new THREE.MeshPhysicalMaterial({
        map: new THREE.TextureLoader().load(moonImg),
        normalScale: new THREE.Vector2(10, 10), //凹凸深度
      });
      let moonMesh = new THREE.Mesh(moonGeometry, moonMaterial);
      moonMesh.position.set(data.size + 40, 0, 0);
      earthGroup.add(moonMesh);

      earthGroup.name = data.name; //网格名字
      earthGroup.planetMsg = data;
      earthGroup.isPlanet = true; //标识为星球
      earthGroup.angle = 0; //添加初始角度
      //球体位置
      earthGroup.position.set(
        data.position[0],
        data.position[1],
        data.position[2]
      );
      scene.add(earthGroup);
    },

创建地球使用的材质为MeshPhysicalMaterial,该材质使用normalMap添加法线贴图与normalScale设置凹凸深度后可使该材质显示出凹凸效果。地球周围有月球,月球轨道使用环形几何体RingBufferGeometry创建,月球使用MeshPhysicalMaterial材质创建,将创建好的月球添加到地球组中,最后将地球组添加到场景中。

创建土星

    //创建土星
    createSaturn(data) {
      let saturnGroup = new THREE.Group(); //土星的组
      let saturnGeometry = new THREE.SphereGeometry(data.size, 100, 100); //土星几何体
      let saturnMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({
        map: new THREE.TextureLoader().load(data.mapImg), //土星材质
      });
      let saturnMesh = new THREE.Mesh(saturnGeometry, saturnMaterial); //土星网格
      saturnGroup.add(saturnMesh); //将土星网格添加到地球组中
      //创建土星环1
      let saturnTrackGeometry1 = new THREE.RingBufferGeometry( //圆环几何体
        data.size + 10,
        data.size + 25,
        100
      );
      let saturnTrackMaterial1 = new THREE.MeshLambertMaterial({
        transparent: true,
        opacity: 0.8,
        color: 0xc0ad87,
        side: THREE.DoubleSide,
      });
      let saturnTrackMesh1 = new THREE.Mesh(
        saturnTrackGeometry1,
        saturnTrackMaterial1
      );
      saturnTrackMesh1.rotation.set(0.5 * Math.PI, 0, 0);
      //创建土星环2
      let saturnTrackGeometry2 = new THREE.RingBufferGeometry( //圆环几何体
        data.size + 26,
        data.size + 30,
        100
      );
      let saturnTrackMaterial2 = new THREE.MeshLambertMaterial({
        transparent: true,
        opacity: 0.5,
        color: 0xc0ad87,
        side: THREE.DoubleSide,
      });
      let saturnTrackMesh2 = new THREE.Mesh(
        saturnTrackGeometry2,
        saturnTrackMaterial2
      );
      saturnTrackMesh2.rotation.set(0.5 * Math.PI, 0, 0);
      //创建土星环3
      let saturnTrackGeometry3 = new THREE.RingBufferGeometry( //圆环几何体
        data.size + 30.1,
        data.size + 32,
        100
      );
      let saturnTrackMaterial3 = new THREE.MeshLambertMaterial({
        transparent: true,
        opacity: 0.3,
        color: 0xc0ad87,
        side: THREE.DoubleSide,
      });
      let saturnTrackMesh3 = new THREE.Mesh(
        saturnTrackGeometry3,
        saturnTrackMaterial3
      );
      saturnTrackMesh3.rotation.set(0.5 * Math.PI, 0, 0);
      saturnGroup.add(saturnTrackMesh1); //将网格添加到组中
      saturnGroup.add(saturnTrackMesh2);
      saturnGroup.add(saturnTrackMesh3);
      saturnGroup.name = data.name; //网格名字
      saturnGroup.planetMsg = data;
      saturnGroup.isPlanet = true; //标识为星球
      saturnGroup.angle = 0; //添加初始角度
      //球体位置
      saturnGroup.position.set(
        data.position[0],
        data.position[1],
        data.position[2]
      );
      scene.add(saturnGroup);
    },

土星特点是其土星环,土星环使用环形几何体RingBufferGeometry创建,材质使用MeshLambertMaterial,记得设置属性side: THREE.DoubleSide,双面显示。将土星环都添加到土星组中,最后将土星组添加到场景中。

创建行星轨道

    //创建球体轨迹
    createTrack(data) {
      if (data.name == "太阳") {
        //去除太阳中心由圆环形成的圆形
        return;
      }
      //创建轨迹
      let trackGeometry = new THREE.RingBufferGeometry( //圆环几何体
        data.position[0],
        data.position[0] + 2,
        1000
      );
      //圆环材质
      let trackMaterial = new THREE.LineBasicMaterial({
        color: 0xffffff,
        side: THREE.DoubleSide,
      });
      let trackMesh = new THREE.Mesh(trackGeometry, trackMaterial);
      trackMesh.position.set(0, 0, 0); //轨道位置
      trackMesh.rotation.set(0.5 * Math.PI, 0, 0); //旋转轨道至水平
      scene.add(trackMesh);
    },

星球轨道的创建与月球轨道的创建一样,使用的几何体也是圆环几何体RingBufferGeometry,除开太阳外其他星球均绘制轨道。

渲染动画

    //渲染
    render() {
      //请求动画帧,屏幕每刷新一次调用一次,绑定屏幕刷新频率
      this.anId = requestAnimationFrame(this.render); //记录下动画id可用于销毁场景
      orbitControls.update(); //鼠标控件实时更新
      this.renderer.render(scene, camera);
      //控制公转
      if (this.isRevolution) {
        this.sphereRevolution(this.planetList); //球体公转
      }
      if (this.isRotation) {
        this.sphereRotation(this.planetList); //球体自转
      }
      //监听画布双击事件
      document.getElementById("planetDiv") &&
        document
          .getElementById("planetDiv")
          .addEventListener("dblclick", this.handleDblclick, false);
      TWEEN.update(); //更新动画
    },

three.js的动画渲染通常使用请求动画帧requestAnimationFrame来完成。在渲染动画时即可添加各种事件与限制。

球体自转

    //球体自转
    sphereRotation(data) {
      scene.children.forEach((e) => {
        //过滤出星球
        if (e.isPlanet) {
          let planetData = data.filter((d) => d.name == e.name)[0];
          if (e.name == "土星") {
            e.rotation.x = 0.05 * 2 * Math.PI;
            // return;
          }
          //天王星自转轴特殊
          if (e.name == "天王星") {
            e.rotation.z =
              e.rotation.z + planetData.rotation >= 2 * Math.PI
                ? 0
                : e.rotation.z + planetData.rotation;
            return;
          }
          e.rotation.y =
            e.rotation.y + planetData.rotation >= 2 * Math.PI
              ? 0
              : e.rotation.y + planetData.rotation;
        }
      });
    },

在场景中过滤出标识为星球的物体执行自转逻辑,自转时值得注意的是土星与天王星的自转,土星自转是x轴角度自增的,天王星是z轴角度自增的,其他星球均为y轴角度变化。

球体公转

    //球体公转
    sphereRevolution(data) {
      scene.children.forEach((e) => {
        //过滤出星球
        if (e.isPlanet) {
          let planetData = data.filter((d) => d.name == e.name)[0]; //获取球体数据
          e.angle =
            e.angle + planetData.revolution >= 2 * Math.PI
              ? 0
              : e.angle + planetData.revolution;
          e.position.set(
            planetData.position[0] * Math.sin(e.angle),
            0,
            planetData.position[0] * Math.cos(e.angle)
          );
        }
      });
    },

在场景中过滤出标识为星球的物体执行公转逻辑,所有公转行星中金星的公转角是自减的。

实现flyTo

    //双击事件
    handleDblclick(e) {
      let dom = document.getElementById("planetDiv");
      let width = dom.clientWidth; //窗口宽度
      let height = dom.clientHeight; //窗口高度
      //将鼠标点击位置的屏幕坐标转换成threejs中的标准坐标
      this.mouse.x = (e.offsetX / width) * 2 - 1;
      this.mouse.y = -(e.offsetY / height) * 2 + 1;
      // 通过鼠标点的位置和当前相机的矩阵计算出raycaster
      this.raycaster.setFromCamera(this.mouse, camera);
      //生成星球网格列表
      let palnetMeshList = [];
      scene.children.forEach((p) => {
        if (p.name !== "") {
          palnetMeshList.push(p);
        }
      });
      // 获取raycaster直线和星球网格列表相交的集合
      let intersects = this.raycaster.intersectObjects(palnetMeshList);
      //判断是否点击到虚无的太空
      if (intersects.length == 0) {
        return;
      }
      //判断是否是行星
      if (intersects[0].object.isPlanet) {
        this.clickPlanet = intersects[0].object;
      } else {
        this.clickPlanet = intersects[0].object.parent;
      }
      // console.log(this.clickPlanet);
      //获取球体半径
      let planetR = "";
      this.planetList.forEach((e) => {
        if (e.name == this.clickPlanet.name) {
          planetR = e.size;
        }
      });
      //相机新位置
      let newP = {
        x: this.clickPlanet.position.x,
        y: this.clickPlanet.position.y + planetR,
        z: this.clickPlanet.position.z + 2.5 * planetR,
      };
      //双击到星球需要停止公转(双击虚空需反转公转状态)
      if (this.clickPlanet.type !== "Scene") {
        this.isRevolution = false;
        this.isRotation = false;

        //点击后传入参数飞向星球
        this.flyTo(
          camera.position,
          orbitControls.target,
          newP,
          this.clickPlanet.position,
          2000
        );
      } else {
        this.isRevolution = !this.isRevolution;
        this.isRotation = !this.isRotation;
      }
    },

    //飞向对象(旧相机位置,旧对象位置,新相机位置,新对象位置,动画时间,回调)
    flyTo(oldP, oldT, newP, newT, time, callBack) {
      if (TWEEN) {
        let tween = new TWEEN.Tween({
          x1: oldP.x, // 相机x
          y1: oldP.y, // 相机y
          z1: oldP.z, // 相机z
          x2: oldT.x, // 控制点的中心点x
          y2: oldT.y, // 控制点的中心点y
          z2: oldT.z, // 控制点的中心点z
        });
        tween.to(
          {
            x1: newP.x,
            y1: newP.y,
            z1: newP.z,
            x2: newT.x,
            y2: newT.y,
            z2: newT.z,
          },
          time
        );
        tween.onUpdate(function (object) {
          camera.position.set(object.x1, object.y1, object.z1);
          orbitControls.target.x = object.x2;
          orbitControls.target.y = object.y2;
          orbitControls.target.z = object.z2;
          orbitControls.update();
        });
        tween.onComplete(function () {
          callBack && callBack();
        });
        tween.easing(TWEEN.Easing.Cubic.InOut);
        tween.start();
      }
    },

双击事件击中球体时触发flyTo效果。需要使用three.js的光线投射器THREE.Raycaster(),判断击中的物体是否为指定物体。若判断击中的物体为星球,则使用flyTo效果,否则为击中虚无太空。这里的flyTo效果实现使用了@tweenjs/tween.js中的TWEEN来实现拉近动画效果。

显示行星描述

<template>
  <div class="msg-div">
    <div class="top-r">
      <!--边角样式-->
    </div>
    <div class="bottom-r"></div>
    <div class="parameter-div">
      <div class="name">{{ msg.name }}</div>
      <div>
        距离太阳:<span>{{ data.sunDistance }}</span>
      </div>
      <div>
        质量:<span>{{ data.weight }}</span>
      </div>
      <div>
        直径:<span>{{ data.diameter }}</span>
      </div>
      <div>
        自转:<span>{{ data.rotation }}</span>
      </div>
      <div>
        公转:<span>{{ data.revolution }}</span>
      </div>
      <div>
        表面温度:<span>{{ data.temp }}</span>
      </div>
      <div>
        大气成分:<span>{{ data.atmosphere }}</span>
      </div>
    </div>
    <div class="description">
      {{ data.msg }}
    </div>
  </div>
</template>
<script>
import gsap from "gsap";//行星信息显示时使用动画
export default {
  props: {
    //星球信息
    msg: {
      type: Object,
      default() {
        return {};
      },
    },
  },
  components: {},
  data() {
    return {};
  },
  computed: {
    data() {
      return this.msg.data;
    },
  },
  watch: {},
  created() {},
  mounted() {
    this.showMsg();
  },
  methods: {
    showMsg() {
      gsap.fromTo(".msg-div", { x: 200 }, { x: 0, duration: 0.5 });
    },
  },
};
</script>

在双击击中行星时,取出该行星数据,将该行星数据传递至一个信息显示组件,组件使用gsap.fromTo动画。

源码地址

文章省略了很多代码,可以查看项目所有源码

程序员灯塔
转载请注明原文链接:three.js实现太阳系
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