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用 React-Three-Fiber 实现雪花下落与堆积效果：从零开始的 3D 雪景模拟

news 2025/7/21 11:58:34

在 Web3D 开发中，自然现象模拟一直是极具吸引力的主题。本文将基于 React-Three-Fiber（R3F）框架，详解如何实现一个包含雪花下落、地面堆积的完整雪景效果。我们会从基础粒子系统入手，逐步完善物理交互逻辑，最终得到一个兼具视觉美感与性能优化的 3D 雪景组件。

为什么选择 React-Three-Fiber？

在开始之前，先简单介绍一下技术栈选择的原因：

Three.js：作为 WebGL 的封装库，提供了丰富的 3D 图形 API
React-Three-Fiber：将 Three.js 与 React 的声明式编程模式结合，简化了 3D 场景的状态管理
@react-three/drei：提供了 Points 和 PointMaterial 等高层组件，大幅简化粒子系统开发

这种组合让我们能够用熟悉的 React 语法编写 3D 应用，同时享受声明式编程带来的状态管理便利。

核心需求分析

我们要实现的雪景效果包含两个核心部分：

动态下落的雪花：从空中随机位置生成，受重力影响下落
地面堆积效果：雪花接触地面后停留，形成积雪
性能平衡：在视觉效果与浏览器渲染性能间找到平衡点

接下来，我们将基于这些需求，逐步构建完整的实现方案。

基础粒子系统：实现雪花下落

首先，我们需要创建一个能够渲染大量雪花粒子的系统。在 Three.js 中，Points（点精灵）是实现粒子效果的理想选择，它比 Mesh 更轻量，适合渲染大量简单元素。

初始化雪花粒子

// 下落雪花的位置初始化
const [fallingPositions] = useState(() => {const pos = new Float32Array(particleCount * 3);for (let i = 0; i < particleCount; i++) {const index = i * 3;pos[index] = (Math.random() - 0.5) * 20; // X轴范围：-10~10pos[index + 1] = Math.random() * 15 + 5; // Y轴范围：5~20（从高空下落）pos[index + 2] = (Math.random() - 0.5) * 20; // Z轴范围：-10~10}return pos;
});

这段代码初始化了一个 Float32Array 数组，存储所有雪花的 3D 坐标。每个雪花粒子需要 3 个值（X、Y、Z），因此数组长度是粒子数量的 3 倍。通过Math.random()我们让雪花在指定范围内随机分布。

雪花材质设置

<PointMaterialtransparentcolor="#F0F8FF" // 柔和的雪花白sizeAttenuation={true}depthWrite={false}opacity={0.9}size={0.08}
/>

材质参数说明：

transparent：启用透明效果，让雪花有半透明质感
sizeAttenuation：开启透视缩放，远处的雪花看起来更小
depthWrite：关闭深度写入，避免粒子间互相遮挡导致的视觉错误
color：选择带轻微蓝色调的白色（#F0F8FF），更符合自然雪花的视觉感受

实现雪花下落物理逻辑

有了基础粒子系统后，我们需要通过 R3F 的useFrame钩子实现雪花的下落动画。useFrame会在每帧渲染前执行，非常适合处理动画逻辑。

useFrame((_, delta) => {if (!fallingRef.current) return;// 创建位置数组的副本以便修改const newPositions = new Float32Array(fallingPositions);for (let i = 0; i < particleCount; i++) {const index = i * 3;const x = newPositions[index];let y = newPositions[index + 1];const z = newPositions[index + 2];// 更新下落位置（乘以2加快下落速度）y -= speeds[i] * delta * 2;// 检查是否接触地面if (y <= 0) {// 添加到堆积雪花addAccumulatedSnow(x, z);// 重置雪花位置（重新从顶部下落）newPositions[index] = (Math.random() - 0.5) * 20;newPositions[index + 1] = Math.random() * 15 + 5;newPositions[index + 2] = (Math.random() - 0.5) * 20;} else {// 否则继续下落newPositions[index + 1] = y;}}// 更新位置并通知Three.js需要重新渲染fallingPositions.set(newPositions);fallingRef.current.geometry.attributes.position.needsUpdate = true;
});

这段代码的核心逻辑是：

遍历所有雪花粒子，更新 Y 轴位置（模拟下落）
当雪花接触地面（Y≤0）时，执行两个操作：
调用addAccumulatedSnow将雪花添加到地面堆积
重置该雪花的位置，使其从空中重新下落
通过needsUpdate = true通知 Three.js 位置数据已更新

为了让雪花下落更自然，我们还为每个雪花设置了随机速度：

const [speeds] = useState(() =>Array.from({ length: particleCount }, () => 0.3 + Math.random() * 1.5),
);

通过0.3 + Math.random() * 1.5让雪花速度在 0.3~1.8 之间随机分布，避免机械感的同步下落。

地面堆积效果实现

雪花堆积效果是通过维护第二个粒子系统实现的。当下落的雪花接触地面时，我们将其位置添加到地面粒子系统的位置数组中。

// 添加新堆积的雪花
const addAccumulatedSnow = (x: number, z: number) => {// 创建新的堆积雪花位置数组（长度+3）const newPosition = new Float32Array(groundPositions.length + 3);newPosition.set(groundPositions); // 复制原有位置// 添加新位置（Y=0.1避免与地面完全重合导致的闪烁）newPosition[groundPositions.length] = x;newPosition[groundPositions.length + 1] = 0.1;newPosition[groundPositions.length + 2] = z;setGroundPositions(newPosition);
};

地面堆积的雪花使用单独的 Points 组件渲染，与下落的雪花相比有几点不同：

关闭sizeAttenuation，确保地面雪花大小一致
增大size值（示例中为 3），让堆积效果更明显
固定 Y 坐标为 0.1，略微高于地面避免 Z 轴冲突

<Pointsref={groundRef}positions={groundPositions}stride={3}frustumCulled={false}
><PointMaterialtransparentcolor="#F0F8FF"sizeAttenuation={false}depthWrite={false}opacity={0.9}size={3}/>
</Points>

性能优化技巧

在处理大量粒子（示例中使用 5000 个）时，性能优化至关重要：
使用 Float32Array：相比普通数组，TypedArray 在 WebGL 中处理效率更高
减少状态更新：通过直接操作数组副本减少 React 渲染次数
关闭 frustumCulled：frustumCulled={false}避免雪花在视口边缘被错误剔除
控制粒子数量：根据目标设备性能调整particleCount，移动端建议 2000-3000 个

如果需要进一步优化，可以考虑：

实现视口剔除，只更新可见区域的粒子
使用实例化渲染（InstancedMesh）替代 Points
添加粒子生命周期限制，避免地面雪花无限累积

扩展方向

这个基础实现可以通过以下方式扩展，获得更丰富的效果：

添加风场效果：在 X/Z 轴方向添加随机偏移，模拟风吹效果

// 在更新Y轴位置的同时添加X/Z偏移
newPositions[index] += (Math.random() - 0.5) * delta * 0.5;
newPositions[index + 2] += (Math.random() - 0.5) * delta * 0.5;

实现积雪消融：为地面雪花添加生命周期，随时间减小大小和透明度
碰撞检测：结合模型的碰撞体，让雪花堆积在物体表面而非穿透
雪花大小随机化：通过自定义属性为每个雪花设置随机大小

完整代码

import React, { useState, useRef } from 'react';
import {  useFrame } from '@react-three/fiber';
import { Points, PointMaterial } from '@react-three/drei';
import * as THREE from 'three';// 雪花粒子组件
export const Snowfall = ({ particleCount = 5000 }) => {// 下落雪花的引用const fallingRef = useRef<THREE.Points>(null);// 堆积雪花的引用const groundRef = useRef<THREE.Points>(null);// 下落雪花的位置和速度const [fallingPositions] = useState(() => {const pos = new Float32Array(particleCount * 3);for (let i = 0; i < particleCount; i++) {const index = i * 3;pos[index] = (Math.random() - 0.5) * 20; // X范围pos[index + 1] = Math.random() * 15 + 5; // Y范围（高度）pos[index + 2] = (Math.random() - 0.5) * 20; // Z范围}return pos;});// 堆积雪花的位置const [groundPositions, setGroundPositions] = useState<Float32Array>(() => {return new Float32Array(0);});// 下落速度const [speeds] = useState(() =>Array.from({ length: particleCount }, () => 0.3 + Math.random() * 1.5),);// 添加新堆积的雪花const addAccumulatedSnow = (x: number, z: number) => {// 创建新的堆积雪花位置（稍微高于地面避免闪烁）const newPosition = new Float32Array(groundPositions.length + 3);newPosition.set(groundPositions);newPosition[groundPositions.length] = x;newPosition[groundPositions.length + 1] = 0.1; // 稍微高于地面newPosition[groundPositions.length + 2] = z;setGroundPositions(newPosition);};// 每一帧更新雪花位置useFrame((_, delta) => {if (!fallingRef.current) return;// 创建位置数组的副本以便修改const newPositions = new Float32Array(fallingPositions);for (let i = 0; i < particleCount; i++) {const index = i * 3;const x = newPositions[index];let y = newPositions[index + 1];const z = newPositions[index + 2];// 更新下落位置y -= speeds[i] * delta * 2;// 检查是否接触地面if (y <= 0) {// 添加到堆积雪花addAccumulatedSnow(x, z);// 重置雪花位置newPositions[index] = (Math.random() - 0.5) * 20;newPositions[index + 1] = Math.random() * 15 + 5;newPositions[index + 2] = (Math.random() - 0.5) * 20;} else {// 否则继续下落newPositions[index + 1] = y;}}// 更新状态fallingPositions.set(newPositions);fallingRef.current.geometry.attributes.position.needsUpdate = true;});return (<>{/* 下落的雪花 */}<Pointsref={fallingRef}positions={fallingPositions}stride={3}frustumCulled={false}><PointMaterialtransparentcolor="#F0F8FF" // 雪花颜色sizeAttenuation={true}depthWrite={false}opacity={0.9}size={0.08}/></Points>{/* 堆积的雪花 */}<Pointsref={groundRef}positions={groundPositions}stride={3}frustumCulled={false}><PointMaterialtransparentcolor="#F0F8FF" // 雪花颜色sizeAttenuation={false}depthWrite={false}opacity={0.9}size={3}/></Points></>);
};

总结

通过本文的实现，我们展示了如何用 React-Three-Fiber 构建一个包含粒子系统、物理模拟和状态管理的 3D 雪景效果。核心思路是将复杂效果分解为简单模块：下落粒子系统负责动态效果，地面粒子系统负责静态堆积，通过useFrame实现两者的联动。
这种基于粒子系统的方法不仅适用于雪景模拟，还可扩展到雨滴、火焰、烟雾等多种自然现象。希望本文能为你的 3D 开发提供一些启发，让 Web3D 世界更加生动多彩。

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