three.js 模拟真实海洋（超详细教程，炫酷海洋）

「爱情、让人受尽委屈。」 2024-04-29 19:15 126阅读 0赞

很长一段时间没有在掘金发布新的文章了，开始觉得自己发的文章要么不能讲透彻，要么太简单没有必要。

今天用 [three.js][] 模拟渲染海洋，我将点燃大海！！！我将带领读者们一步一步实现最终效果，[源码][Link 1]。

**超级详细！！！每一步超级详细！！！保证看完即会！！！**

### 实现功能 ###

1.  波涛起伏的浪
2.  海面的船只的高度应该适应海浪的高度
3.  海面的船只应该会发生正确的几何变换（旋转，位移）

### 那么！ 开始吧！ ###

#### 1. 初始化 three 项目。 ####

#### 1.1 初始化：相机：camera，渲染器：renderer，场景：scene ####

javascript

复制代码

`import * as THREE from "three"; import { OrbitControls } from "three/addons/controls/OrbitControls.js"; let renderer, camera, scene, controls, clock,lineHelper // 初始化场景基础元素（渲染器，相机，场景，控制器等等） { // 渲染器初始化 renderer = new THREE.WebGLRenderer(); renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio); renderer.setSize(innerWidth, innerHeight); document.body.appendChild(renderer.domElement); // 相机初始化 camera = new THREE.PerspectiveCamera(50, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000); camera.position.set(0, 10, 20); // 窗口自适应 function resize() { renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight); camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight; camera.updateProjectionMatrix(); } window.addEventListener('resize', resize, false); // 场景 scene = new THREE.Scene(); // 控制器 controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement); clock = new THREE.Clock(); } function render() { requestAnimationFrame(render); const elapsedTime = clock.getElapsedTime() controls.update(); renderer.render(scene, camera); }`

##### 1.2 添加基础三维对象,添加一个Box模拟海面的小船，添加一条方向为（0,1,0）的线，模拟小船方向 #####

csharp

复制代码

`// 将三维对象加入场景 { // 添加平行光 const light = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 0.5); light.position.set(0, 10, 20) scene.add(light); // 添加平行光2 const light2 = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 0.1); light2.position.set(-5, 5, -5) scene.add(light2); // 添加环境光 const light3 = new THREE.AmbientLight(0xffffff, 0.2) scene.add(light3) // 添加模拟小船 box = new THREE.Mesh(new THREE.BoxGeometry(2, 2, 2), new THREE.MeshLambertMaterial()); scene.add(box) // 添加法线辅助器 const helperGeometry = new THREE.BufferGeometry() helperGeometry.setAttribute("position", new THREE.BufferAttribute(new Float32Array([0, 0, 0, 0, 5, 0]), 3)) const lineHelper = new THREE.LineSegments(helperGeometry, new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000, depthTest: false })) scene.add(lineHelper) }`

到此为止，页面效果如下，

![image.png][]

#### 2. 创建海平面 ####

##### 第一步，创建基础平面，顶点数量设置为 100 \* 100 便于后续修改顶点位置 #####

ini

复制代码

`// 创建海平面 let material { material = new THREE.ShaderMaterial({wireFrame:true}); const geometry = new THREE.PlaneGeometry(100, 100, 500, 500); geometry.rotateX(-Math.PI / 2); const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material); scene.add(mesh); }`

![image.png][image.png 1]

##### 第二步，给海平面优化一下。 #####

使用 ***���sin*** 函数，模拟海面起伏，当然，你也可以用 ***���cos***

根据公式 ***�(�)=���(�)+���(�)f(y)=sin(x)+sin(z)*** 可以得到，任意坐标下，海平面的高度 ***�y***

![image.png][image.png 2]

给平面添加贴图，美化一下

![image.png][image.png 3]

起伏太大了，修改一下公式为 ***�(�)=(���(�∗1.0/�����+�����������∗1.0)+���(�∗2.3/�����+�����������∗1.5)+���(�∗3.3/�����+�����������∗0.4))/3.0+(���(�∗0.2/�����+�����∗1.8)+���(�∗1.8/�����+�����∗1.8)+���(�∗2.8/�����+�����∗0.8))/3.0;f(y)=(sin(x∗1.0/SCALE+elapsedTime∗1.0)+sin(x∗2.3/SCALE+elapsedTime∗1.5)+sin(x∗3.3/SCALE+elapsedTime∗0.4))/3.0+(sin(z∗0.2/SCALE+uTime∗1.8)+sin(z∗1.8/SCALE+uTime∗1.8)+sin(z∗2.8/SCALE+uTime∗0.8))/3.0;*** ，非常好看

![image.png][image.png 4]

海面不会动？在着色器添加时间参数 uTime ，控制海面起伏以及纹理位移，海平面最终代码

ini

复制代码

``const SCALE = 5 // 控制海面起伏程度 const vertexShader = ` #define SCALE ${SCALE}.0 #include <common> #include <logdepthbuf_pars_vertex> varying vec2 vUv; uniform float uTime; float calculateSurface(float x, float z) { float y = 0.0; // 多个三角函数的叠加，增加随机性 y += (sin(x * 1.0 / SCALE + uTime * 1.0) + sin(x * 2.3 / SCALE + uTime * 1.5) + sin(x * 3.3 / SCALE + uTime * 0.4)) / 3.0; y += (sin(z * 0.2 / SCALE + uTime * 1.8) + sin(z * 1.8 / SCALE + uTime * 1.8) + sin(z * 2.8 / SCALE + uTime * 0.8)) / 3.0; return y; } void main() { vUv = uv; vec3 pos = position; pos.y += calculateSurface(pos.x, pos.z); gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(pos, 1.0); #include <logdepthbuf_vertex> } `; const fragmentShader = ` #include <common> #include <logdepthbuf_pars_fragment> varying vec2 vUv; uniform sampler2D uMap; uniform float uTime; uniform vec3 uColor; void main() { #include <logdepthbuf_fragment> vec2 uv = vUv * 10.0 + vec2(uTime * -0.05); // uv uv.y += 0.01 * (sin(uv.x * 3.5 + uTime * 0.35) + sin(uv.x * 4.8 + uTime * 1.05) + sin(uv.x * 7.3 + uTime * 0.45)) / 3.0; uv.x += 0.12 * (sin(uv.y * 4.0 + uTime * 0.5) + sin(uv.y * 6.8 + uTime * 0.75) + sin(uv.y * 11.3 + uTime * 0.2)) / 3.0; uv.y += 0.12 * (sin(uv.x * 4.2 + uTime * 0.64) + sin(uv.x * 6.3 + uTime * 1.65) + sin(uv.x * 8.2 + uTime * 0.45)) / 3.0; // 纹理采样 vec4 tex1 = texture2D(uMap, uv * 1.0); vec4 tex2 = texture2D(uMap, uv * 1.0 + vec2(0.2)); vec3 blue = uColor; gl_FragColor = vec4(blue + vec3(tex1.a * 0.9 - tex2.a * 0.02), 1.0); } `; const texture = new THREE.TextureLoader().load('./textures/water.png'); texture.wrapS = texture.wrapT = THREE.RepeatWrapping; const uniforms = { uMap: { value: texture }, uTime: { value: 0 }, uColor: { value: new THREE.Color('#0051da') }, depthTest: true, depthWrite: true, }; material = new THREE.ShaderMaterial({ uniforms: uniforms, vertexShader: vertexShader, fragmentShader: fragmentShader, side: THREE.DoubleSide, wireframe: true }); const geometry = new THREE.PlaneGeometry(100, 100, 500, 500); geometry.rotateX(-Math.PI / 2); const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material); scene.add(mesh);``

在动画帧函数中更新时间参数

ini

复制代码

`material.uniforms.uTime.value = clock.getElapsedTime();`

![Document%20-%20Google%20Chrome%202024-04-28%2011-32-43\_converted.gif][Document_20-_20Google_20Chrome_202024-04-28_2011-32-43_converted.gif]

#### 3. 根据海平面的起伏，更新小船的高度 ####

想必大家已经知道如何实现这个功能了，根据海平面的生成函数，计算小船的高度。

arduino

复制代码

`const position = box.position const { x, z } = position const { sin, cos, atan } = Math position.y = (sin(x * 1.0 / SCALE + elapsedTime * 1.0) + sin(x * 2.3 / SCALE + elapsedTime * 1.5) + sin(x * 3.3 / SCALE + elapsedTime * 0.4)) / 3.0; position.y += (sin(z * 0.2 / SCALE + elapsedTime * 1.8) + sin(z * 1.8 / SCALE + elapsedTime * 1.8) + sin(z * 2.8 / SCALE + elapsedTime * 0.8)) / 3.0;`

效果，小船已经可以随着海面起伏更新高度

![Document%20-%20Google%20Chrome%202024-04-28%2011-49-53\_converted.gif][Document_20-_20Google_20Chrome_202024-04-28_2011-49-53_converted.gif]

#### 4. 根据海面起伏的角度，更新小船的旋转信息，以及添加小船的加速度。 ####

应该可以理解吧。不会画图，在二维斜面上，小船会倾斜，并且获得斜面的切线的速度，叠加到小船本身的速度上。

![image.png][image.png 5]

在三维中，需要计算在某个坐标处的，海平面的切面,以及切面的面法线。

// 首先我们写下 dx 和 dz的求导公式，该求导公式由上述 ***�(�)f(y)*** 的两个变量 x 和 z 分别进行求导得到。

scss

复制代码

`function dx(x, t) { const cos = Math.cos return 1 / 3 * (cos(x / SCALE + t) / SCALE + cos(2.3 * x / SCALE + 1.5 * t) * 2.3 / SCALE + cos(3.3 * x / SCALE + 0.4 * t) * 3.3 / SCALE) } function dz(z, t) { const cos = Math.cos return 1 / 3 * (cos(0.2 * z / SCALE + 1.8 * t) * 0.2 / SCALE + cos(1.8 * z / SCALE + 1.8 * t) * 1.8 / SCALE + cos(2.8 * z / SCALE + 0.8 * t) * 2.8 / SCALE) }`

// 根据对应导数函数，求出x分量的斜率和z分量的斜率

scss

复制代码

`// 求出 斜率kx 和斜率kz const kx = dx(x, elapsedTime) const kz = dz(z, elapsedTime)`

// 根据斜率写出切面的面法线,如下图，橙色代表法线。蓝色代表斜率

![image.png][image.png 6]

ini

复制代码

`const n = new THREE.Vector3(-kx, 1, -kz).normalize();`

// 计算旋转轴，以及旋转角度

![image.png][image.png 7]

计算旋转轴，旋转轴可以根据向量的叉乘计算得出， ***������3(−��,1,−��)∗������3(��,1,��)Vector3(−kx,1,−kz)∗Vector3(kx,1,kz)***

arduino

复制代码

`const axes = new THREE.Vector3().crossVectors(n, new THREE.Vector3(kx, 1, kz)).normalize()`

计算旋转角度

ini

复制代码

`function getAngleBetweenVectors(v1, v2, dotThreshold = 0.00005) { let angle = 0; const dot = v1.dot(v2); if (dot > 1 - dotThreshold) { angle = 0; } else if (dot < dotThreshold - 1) { angle = Math.PI; } else { angle = Math.acos(dot); } return angle; } const angle = getAngleBetweenVectors(new THREE.Vector3(0, 1, 0), n)`

执行旋转操作

ini

复制代码

`box.rotation.x = 0 box.rotation.y = 0 box.rotation.z = 0 box.rotateOnAxis(axes, -angle)`

计算小船的加速度

csharp

复制代码

`// 小船基础速度 const speed = new THREE.Vector3(0,0,0) // 机选小船加速度的方向 const dir = new THREE.Vector3().crossVectors(n, axes).normalize().divideScalar(100) // 小船速度叠加了由于海平面倾斜带来的速度最终的速度 const newSpeed = speed.add(dir)`

计算小船最终的位置

scss

复制代码

`const endPosition = box.position.clone().addScaledVector(newSpeed, 1) let y = (sin(x * 1.0 / SCALE + elapsedTime * 1.0) + sin(x * 2.3 / SCALE + elapsedTime * 1.5) + sin(x * 3.3 / SCALE + elapsedTime * 0.4)) / 3.0; y += (sin(z * 0.2 / SCALE + elapsedTime * 1.8) + sin(z * 1.8 / SCALE + elapsedTime * 1.8) + sin(z * 2.8 / SCALE + elapsedTime * 0.8)) / 3.0; const truePosition = new THREE.Vector3(endPosition.x, y, endPosition.z) box.position.copy(truePosition)`

#### 最终效果 ####

![Document%20-%20Google%20Chrome%202024-04-28%2014-20-17\_converted.gif][Document_20-_20Google_20Chrome_202024-04-28_2014-20-17_converted.gif]

[three.js]: https://link.juejin.cn/?target=https%3A%2F%2Fthreejs.org%2F
[Link 1]: https://link.juejin.cn/?target=https%3A%2F%2Fgitee.com%2Fyjsdszz%2Fthreejs_examples%2Fblob%2Fmaster%2Fthreejs%2Focean.html
[image.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/b71fea63af56661b316fa4252c685bfb.webp?x-oss-process=image/format,png
[image.png 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/362d1ffc6430603b2e9e16aad1d9dcf7.webp?x-oss-process=image/format,png
[image.png 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/474dbf8f69850df80464b996c947f931.webp?x-oss-process=image/format,png
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[image.png 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/8f9b9ff97281baff547b3b97fb0af471.webp?x-oss-process=image/format,png
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[image.png 5]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/4495ac17591c4623f2ce0372fd6c08bf.webp?x-oss-process=image/format,png
[image.png 6]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/f860b3ca86c53bde178691f681d75459.webp?x-oss-process=image/format,png
[image.png 7]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/7edb83e9d99bae3a2a4f8e5d62a47d53.webp?x-oss-process=image/format,png
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