学习threejs，打造宇宙星云背景

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一、🍀前言

本文详细介绍如何基于threejs在三维场景中打造宇宙星云背景，亲测可用。希望能帮助到您。一起学习，加油！加油！

1.1 ☘️THREE.ShaderMaterial

THREE.ShaderMaterial使用自定义shader渲染的材质。 shader是一个用GLSL编写的小程序 ，在GPU上运行。

1.1.1 ☘️注意事项

• ShaderMaterial 只有使用 WebGLRenderer 才可以绘制正常， 因为 vertexShader 和
  fragmentShader 属性中GLSL代码必须使用WebGL来编译并运行在GPU中。
• 从 THREE r72开始，不再支持在ShaderMaterial中直接分配属性。 必须使用
  BufferGeometry实例，使用BufferAttribute实例来定义自定义属性。
• 从 THREE r77开始，WebGLRenderTarget 或 WebGLCubeRenderTarget
  实例不再被用作uniforms。 必须使用它们的texture 属性。
• 内置attributes和uniforms与代码一起传递到shaders。
  如果您不希望WebGLProgram向shader代码添加任何内容，则可以使用RawShaderMaterial而不是此类。
• 您可以使用指令#pragma unroll_loop_start，#pragma unroll_loop_end
  以便通过shader预处理器在GLSL中展开for循环。 该指令必须放在循环的正上方。循环格式必须与定义的标准相对应。
• 循环必须标准化normalized。
• 循环变量必须是i。
• 对于给定的迭代，值 UNROLLED_LOOP_INDEX 将替换为 i 的显式值，并且可以在预处理器语句中使用。

#pragma unroll_loop_start
for ( int i = 0; i < 10; i ++ ) {// ...}
#pragma unroll_loop_end

代码示例

const material = new THREE.ShaderMaterial( {uniforms: {time: { value: 1.0 },resolution: { value: new THREE.Vector2() }},vertexShader: document.getElementById( 'vertexShader' ).textContent,fragmentShader: document.getElementById( 'fragmentShader' ).textContent
} );

1.1.2 ☘️构造函数

ShaderMaterial( parameters : Object )
parameters - (可选)用于定义材质外观的对象，具有一个或多个属性。 材质的任何属性都可以从此处传入(包括从Material继承的任何属性)。

1.1.3 ☘️属性

共有属性请参见其基类Material。

.clipping : Boolean
定义此材质是否支持剪裁; 如果渲染器传递clippingPlanes uniform，则为true。默认值为false。

.defaultAttributeValues : Object
当渲染的几何体不包含这些属性但材质包含这些属性时，这些默认值将传递给shaders。这可以避免在缓冲区数据丢失时出错。

this.defaultAttributeValues = {'color': [ 1, 1, 1 ],'uv': [ 0, 0 ],'uv2': [ 0, 0 ]
};

.defines : Object
使用 #define 指令在GLSL代码为顶点着色器和片段着色器定义自定义常量；每个键/值对产生一行定义语句：

defines: {FOO: 15,BAR: true
}

这将在GLSL代码中产生如下定义语句：

#define FOO 15
#define BAR true

.extensions : Object
一个有如下属性的对象：

this.extensions = {derivatives: false, // set to use derivativesfragDepth: false, // set to use fragment depth valuesdrawBuffers: false, // set to use draw buffersshaderTextureLOD: false // set to use shader texture LOD
};

.fog : Boolean
定义材质颜色是否受全局雾设置的影响; 如果将fog uniforms传递给shader，则为true。默认值为false。

.fragmentShader : String
片元着色器的GLSL代码。这是shader程序的实际代码。在上面的例子中， vertexShader 和 fragmentShader 代码是从DOM（HTML文档）中获取的； 它也可以作为一个字符串直接传递或者通过AJAX加载。

.glslVersion : String
定义自定义着色器代码的 GLSL 版本。仅与 WebGL 2 相关，以便定义是否指定 GLSL 3.0。有效值为 THREE.GLSL1 或 THREE.GLSL3。默认为空。

.index0AttributeName : String
如果设置，则调用gl.bindAttribLocation 将通用顶点索引绑定到属性变量。默认值未定义。

.isShaderMaterial : Boolean
只读标志，用于检查给定对象是否属于 ShaderMaterial 类型。

.lights : Boolean
材质是否受到光照的影响。默认值为 false。如果传递与光照相关的uniform数据到这个材质，则为true。默认是false。

.linewidth : Float
控制线框宽度。默认值为1。

由于OpenGL Core Profile与大多数平台上WebGL渲染器的限制，无论如何设置该值，线宽始终为1。

.flatShading : Boolean
定义材质是否使用平面着色进行渲染。默认值为false。

.uniforms : Object
如下形式的对象：

{ "uniform1": { value: 1.0 }, "uniform2": { value: 2 } }

指定要传递给shader代码的uniforms；键为uniform的名称，值(value)是如下形式：

{ value: 1.0 }

这里 value 是uniform的值。名称必须匹配 uniform 的name，和GLSL代码中的定义一样。 注意，uniforms逐帧被刷新，所以更新uniform值将立即更新GLSL代码中的相应值。

.uniformsNeedUpdate : Boolean
可用于在 Object3D.onBeforeRender() 中更改制服时强制进行制服更新。默认为假。

.vertexColors : Boolean
定义是否使用顶点着色。默认为假。

.vertexShader : String
顶点着色器的GLSL代码。这是shader程序的实际代码。 在上面的例子中，vertexShader 和 fragmentShader 代码是从DOM（HTML文档）中获取的； 它也可以作为一个字符串直接传递或者通过AJAX加载。

.wireframe : Boolean
将几何体渲染为线框(通过GL_LINES而不是GL_TRIANGLES)。默认值为false（即渲染为平面多边形）。

.wireframeLinewidth : Float
控制线框宽度。默认值为1。

由于OpenGL Core Profile与大多数平台上WebGL渲染器的限制，无论如何设置该值，线宽始终为1。

1.1.4 ☘️方法

共有方法请参见其基类Material。

.clone () : ShaderMaterial this : ShaderMaterial
创建该材质的一个浅拷贝。需要注意的是，vertexShader和fragmentShader使用引用拷贝； attributes的定义也是如此; 这意味着，克隆的材质将共享相同的编译WebGLProgram； 但是，uniforms 是 值拷贝，这样对不同的材质我们可以有不同的uniforms变量。

1.2 ☘️BufferGeometry缓冲几何体

BufferGeometry是面片、线或点几何体的有效表述。包括顶点位置，面片索引、法相量、颜色值、UV 坐标和自定义缓存属性值。使用 BufferGeometry 可以有效减少向 GPU 传输上述数据所需的开销。
代码示例：

const geometry = new THREE.BufferGeometry();
// 创建一个简单的矩形. 在这里我们左上和右下顶点被复制了两次。
// 因为在两个三角面片里，这两个顶点都需要被用到。
const vertices = new Float32Array( [-1.0, -1.0,  1.0,1.0, -1.0,  1.0,1.0,  1.0,  1.0,1.0,  1.0,  1.0,-1.0,  1.0,  1.0,-1.0, -1.0,  1.0
] );// itemSize = 3 因为每个顶点都是一个三元组。
geometry.setAttribute( 'position', new THREE.BufferAttribute( vertices, 3 ) );
const material = new THREE.MeshBasicMaterial( { color: 0xff0000 } );
const mesh = new THREE.Mesh( geometry, material );

1.2.1 构造函数

BufferGeometry()
创建一个新的 BufferGeometry. 同时将预置属性设置为默认值.

1.2.2 属性

.attributes : Object
通过 hashmap 存储该几何体相关的属性，hashmap 的 id 是当前 attribute 的名称，值是相应的 buffer。 你可以通过 .setAttribute 和 .getAttribute 添加和访问与当前几何体有关的 attribute。

.boundingBox : Box3
当前 bufferGeometry 的外边界矩形。可以通过 .computeBoundingBox() 计算。默认值是 null。

.boundingSphere : Sphere
当前 bufferGeometry 的外边界球形。可以通过 .computeBoundingSphere() 计算。默认值是 null。

.drawRange : Object
用于判断几何体的哪个部分需要被渲染。该值不应该直接被设置，而需要通过 .setDrawRange 进行设置。默认值为

{ start: 0, count: Infinity }

.groups : Array
将当前几何体分割成组进行渲染，每个部分都会在单独的 WebGL 的 draw call 中进行绘制。该方法可以让当前的 bufferGeometry 可以使用一个材质队列进行描述。分割后的每个部分都是一个如下的表单：

{ start: Integer, count: Integer, materialIndex: Integer }

start 表明当前 draw call 中的没有索引的几何体的几何体的第一个顶点；或者第一个三角面片的索引。 count 指明当前分割包含多少顶点（或 indices）。 materialIndex 指出当前用到的材质队列的索引。通过 .addGroup 来增加组，而不是直接更改当前队列。

.id : Integer
当前 bufferGeometry 的唯一编号。

.index : BufferAttribute
允许顶点在多个三角面片间可以重用。这样的顶点被称为"已索引的三角面片（indexed triangles)。 每个三角面片都和三个顶点的索引相关。该 attribute 因此所存储的是每个三角面片的三个顶点的索引。 如果该 attribute 没有设置过，则 renderer 假设每三个连续的位置代表一个三角面片。 默认值是 null。

.isBufferGeometry : Boolean
只读标志，用于检查给定对象是否属于 BufferGeometry 类型。

.morphAttributes : Object
存储 BufferAttribute 的 Hashmap，存储了几何体 morph targets 的细节信息。注意：渲染几何体后，变形属性数据无法更改。您将必须调用 .dispose()，并创建 BufferGeometry 的新实例。

.morphTargetsRelative : Boolean
用于控制变形目标行为；当设置为 true 时，变形目标数据被视为相对偏移，而不是绝对位置/法线。默认为假。

.name : String
当前 bufferGeometry 实例的可选别名。默认值是空字符串。

.userData : Object
存储 BufferGeometry 的自定义数据的对象。为保持对象在克隆时完整，该对象不应该包括任何函数的引用。

.uuid : String
当前对象实例的 UUID，该值会自动被分配，且不应被修改。

1.2.3 方法

.setAttribute ( name : String, attribute : BufferAttribute ) : this
为当前几何体设置一个 attribute 属性。在类的内部，有一个存储 .attributes 的 hashmap， 通过该 hashmap，遍历 attributes 的速度会更快。而使用该方法，可以向 hashmap 内部增加 attribute。 所以，你需要使用该方法来添加 attributes。

.addGroup ( start : Integer, count : Integer, materialIndex : Integer ) : undefined
为当前几何体增加一个 group，详见 groups 属性。

.applyMatrix4 ( matrix : Matrix4 ) : this
用给定矩阵转换几何体的顶点坐标。

.center () : this
根据边界矩形将几何体居中。

.clone () : BufferGeometry
克隆当前的 BufferGeometry。

.copy ( bufferGeometry : BufferGeometry ) : this
将参数指定的 BufferGeometry 的值拷贝到当前 BufferGeometry 中。

.clearGroups ( ) : undefined
清空所有的 groups。

.computeBoundingBox () : undefined
计算当前几何体的的边界矩形，该操作会更新已有 [param:.boundingBox]。边界矩形不会默认计算，需要调用该接口指定计算边界矩形，否则保持默认值 null。

.computeBoundingSphere () : undefined
计算当前几何体的的边界球形，该操作会更新已有 [param:.boundingSphere]。边界球形不会默认计算，需要调用该接口指定计算边界球形，否则保持默认值 null。

.computeTangents () : undefined
计算切线属性并将其添加到此几何体。仅索引几何体支持计算，并且定义了位置、法线和 uv 属性。使用切线空间法线贴图时，请改用 BufferGeometryUtils.computeMikkTSpaceTangents 提供的 MikkTSpace 算法。

.computeVertexNormals () : undefined
通过面片法向量的平均值计算每个顶点的法向量。

.dispose () : undefined
从内存中销毁对象。如果在运行是需要从内存中删除 BufferGeometry，则需要调用该函数。

.getAttribute ( name : String ) : BufferAttribute
返回指定名称的 attribute。

.getIndex () : BufferAttribute
返回缓存相关的 .index。

.hasAttribute ( name : String ) : Boolean
如果具有指定名称的属性存在，则返回 true。

.lookAt ( vector : Vector3 ) : this
vector - 几何体所朝向的世界坐标。旋转几何体朝向控件中的一点。该过程通常在一次处理中完成，不会循环处理。典型的用法是过通过调用 Object3D.lookAt 实时改变 mesh 朝向。

.normalizeNormals () : undefined
几何体中的每个法向量长度将会为 1。这样操作会更正光线在表面的效果。

.deleteAttribute ( name : String ) : BufferAttribute
删除具有指定名称的 attribute。

.rotateX ( radians : Float ) : this
在 X 轴上旋转几何体。该操作一般在一次处理中完成，不会循环处理。典型的用法是通过调用 Object3D.rotation 实时旋转几何体。

.rotateY ( radians : Float ) : this
在 Y 轴上旋转几何体。该操作一般在一次处理中完成，不会循环处理。典型的用法是通过调用 Object3D.rotation 实时旋转几何体。

.rotateZ ( radians : Float ) : this
在 Z 轴上旋转几何体。该操作一般在一次处理中完成，不会循环处理。典型的用法是通过调用 Object3D.rotation 实时旋转几何体。

.scale ( x : Float, y : Float, z : Float ) : this
缩放几何体。该操作一般在一次处理中完成，不会循环处理。典型的用法是通过调用 Object3D.scale 实时旋转几何体。

.setIndex ( index : BufferAttribute ) : this
设置缓存的 .index。

.setDrawRange ( start : Integer, count : Integer ) : undefined
设置缓存的 .drawRange。详见相关属性说明。

.setFromPoints ( points : Array ) : this
通过点队列设置该 BufferGeometry 的 attribute。

.toJSON () : Object
返回代表该 BufferGeometry 的 JSON 对象。

.toNonIndexed () : BufferGeometry
返回已索引的 BufferGeometry 的非索引版本。

.translate ( x : Float, y : Float, z : Float ) : this
移动几何体。该操作一般在一次处理中完成，不会循环处理。典型的用法是通过调用 Object3D.rotation 实时旋转几何体。

二、🍀打造宇宙星云背景

1. ☘️实现思路

借助BufferGeometry、ShaderMaterial等打造星空背景，借助BufferGeometry、Points、PointsMaterial等打造宇宙星云，共同组成宇宙星云背景。

2. ☘️代码样例

<!DOCTYPE html>
<html lang="zh-CN">
<head><meta charset="UTF-8" /><meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" /><title>宇宙星云背景</title><style>* {margin: 0;padding: 0;box-sizing: border-box;}body {overflow: hidden;background: #000;font-family: "Arial", sans-serif;}#canvas-container {width: 100vw;height: 100vh;position: relative;}.controls {position: absolute;top: 20px;left: 20px;z-index: 100;background: rgba(0, 0, 0, 0.7);padding: 20px;border-radius: 10px;color: white;backdrop-filter: blur(10px);border: 1px solid rgba(255, 255, 255, 0.1);}.controls h3 {margin-bottom: 15px;color: #00ffff;font-size: 16px;}.control-group {margin-bottom: 15px;}.control-group label {display: block;margin-bottom: 5px;font-size: 12px;color: #ccc;}.control-group input[type="range"] {width: 150px;height: 5px;background: #333;outline: none;border-radius: 5px;}.control-group input[type="range"]::-webkit-slider-thumb {appearance: none;width: 15px;height: 15px;background: #00ffff;border-radius: 50%;cursor: pointer;}.control-group button {background: linear-gradient(45deg, #ff6b6b, #4ecdc4);border: none;color: white;padding: 8px 15px;border-radius: 5px;cursor: pointer;font-size: 12px;margin-right: 10px;transition: transform 0.2s;}.control-group button:hover {transform: scale(1.05);}.info {position: absolute;bottom: 20px;right: 20px;color: rgba(255, 255, 255, 0.7);font-size: 12px;text-align: right;}.loading {position: absolute;top: 50%;left: 50%;transform: translate(-50%, -50%);color: white;font-size: 18px;z-index: 200;}</style>
</head>
<body>
<div id="canvas-container"><div class="loading" id="loading">正在加载宇宙星云...</div><div class="controls"><h3>🌌 星云控制台</h3><div class="control-group"><label>粒子数量</label><input type="range" id="particleCount" min="1000" max="20000" value="8000" /></div><div class="control-group"><label>旋转速度</label><input type="range" id="rotationSpeed" min="0" max="0.02" step="0.001" value="0.005" /></div><div class="control-group"><label>星云密度</label><input type="range" id="nebulaDensity" min="0.1" max="2" step="0.1" value="1" /></div><div class="control-group"><button id="colorChange">变换颜色</button><button id="resetView">重置视角</button></div></div><div class="info"><div>🖱️ 鼠标拖拽旋转视角</div><div>🔍 滚轮缩放</div><div>⚡ 实时渲染中</div></div>
</div>
<script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/three.js/r128/three.min.js"></script>
<script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/three@0.128.0/examples/js/controls/OrbitControls.js"></script>
<script>class NebulaBackground {constructor() {this.scene = null;this.camera = null;this.renderer = null;this.controls = null;this.nebula = null;this.stars = null;this.time = 0;this.colorScheme = 0;this.init();this.createNebula();this.createStars();this.setupControls();this.animate();// 隐藏加载提示document.getElementById("loading").style.display = "none";}init() {// 创建场景this.scene = new THREE.Scene();// 创建相机this.camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);this.camera.position.set(0, 0, 50);// 创建渲染器this.renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true, alpha: true });this.renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);this.renderer.setClearColor(0x000000, 1);document.getElementById("canvas-container").appendChild(this.renderer.domElement);// 添加轨道控制this.controls = new THREE.OrbitControls(this.camera, this.renderer.domElement);this.controls.enableDamping = true;this.controls.dampingFactor = 0.05;this.controls.enableZoom = true;this.controls.autoRotate = false;// 窗口大小调整window.addEventListener("resize", () => this.onWindowResize());}createNebula() {const particleCount = parseInt(document.getElementById("particleCount").value);// 创建粒子几何体const geometry = new THREE.BufferGeometry();const positions = new Float32Array(particleCount * 3);const colors = new Float32Array(particleCount * 3);const sizes = new Float32Array(particleCount);// 颜色方案const colorSchemes = [{ r: 0.4, g: 0.2, b: 0.8 }, // 紫色{ r: 0.8, g: 0.2, b: 0.4 }, // 红色{ r: 0.2, g: 0.8, b: 0.4 }, // 绿色{ r: 0.2, g: 0.4, b: 0.8 }, // 蓝色];const currentScheme = colorSchemes[this.colorScheme];for (let i = 0; i < particleCount; i++) {// 创建星云形状 - 使用噪声函数const i3 = i * 3;const radius = Math.random() * 30 + 10;const theta = Math.random() * Math.PI * 2;const phi = Math.random() * Math.PI;// 添加一些噪声使星云看起来更自然const noise = (Math.sin(i * 0.1) + Math.cos(i * 0.05)) * 5;positions[i3] = (radius + noise) * Math.sin(phi) * Math.cos(theta);positions[i3 + 1] = (radius + noise) * Math.sin(phi) * Math.sin(theta);positions[i3 + 2] = (radius + noise) * Math.cos(phi);// 颜色变化const colorVariation = Math.random() * 0.5;colors[i3] = currentScheme.r + colorVariation;colors[i3 + 1] = currentScheme.g + colorVariation * 0.5;colors[i3 + 2] = currentScheme.b + colorVariation;// 粒子大小sizes[i] = Math.random() * 3 + 1;}geometry.setAttribute("position", new THREE.BufferAttribute(positions, 3));geometry.setAttribute("color", new THREE.BufferAttribute(colors, 3));geometry.setAttribute("size", new THREE.BufferAttribute(sizes, 1));// 创建着色器材质const material = new THREE.ShaderMaterial({uniforms: {time: { value: 0 },density: { value: parseFloat(document.getElementById("nebulaDensity").value) },},vertexShader: `attribute float size;attribute vec3 color;varying vec3 vColor;uniform float time;void main() {vColor = color;vec4 mvPosition = modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);gl_PointSize = size * (300.0 / -mvPosition.z);gl_Position = projectionMatrix * mvPosition;}`,fragmentShader: `varying vec3 vColor;uniform float density;void main() {vec2 center = gl_PointCoord - vec2(0.5);float distance = length(center);if (distance > 0.5) {discard;}float alpha = 1.0 - smoothstep(0.0, 0.5, distance);alpha *= density;gl_FragColor = vec4(vColor, alpha);}`,transparent: true,blending: THREE.AdditiveBlending,depthWrite: false,});// 移除旧的星云if (this.nebula) {this.scene.remove(this.nebula);}this.nebula = new THREE.Points(geometry, material);this.scene.add(this.nebula);}createStars() {const starCount = 2000;const geometry = new THREE.BufferGeometry();const positions = new Float32Array(starCount * 3);for (let i = 0; i < starCount; i++) {const i3 = i * 3;const radius = Math.random() * 200 + 100;const theta = Math.random() * Math.PI * 2;const phi = Math.random() * Math.PI;positions[i3] = radius * Math.sin(phi) * Math.cos(theta);positions[i3 + 1] = radius * Math.sin(phi) * Math.sin(theta);positions[i3 + 2] = radius * Math.cos(phi);}geometry.setAttribute("position", new THREE.BufferAttribute(positions, 3));const material = new THREE.PointsMaterial({color: 0xffffff,size: 0.5,transparent: true,opacity: 0.8,});if (this.stars) {this.scene.remove(this.stars);}this.stars = new THREE.Points(geometry, material);this.scene.add(this.stars);}setupControls() {// 粒子数量控制document.getElementById("particleCount").addEventListener("input", (e) => {this.createNebula();});// 旋转速度控制document.getElementById("rotationSpeed").addEventListener("input", (e) => {this.controls.autoRotateSpeed = parseFloat(e.target.value) * 100;});// 星云密度控制document.getElementById("nebulaDensity").addEventListener("input", (e) => {if (this.nebula) {this.nebula.material.uniforms.density.value = parseFloat(e.target.value);}});// 颜色变换document.getElementById("colorChange").addEventListener("click", () => {this.colorScheme = (this.colorScheme + 1) % 4;this.createNebula();});// 重置视角document.getElementById("resetView").addEventListener("click", () => {this.camera.position.set(0, 0, 50);this.controls.reset();});}animate() {requestAnimationFrame(() => this.animate());this.time += 0.01;// 更新控制器this.controls.update();// 旋转星云if (this.nebula) {this.nebula.rotation.y += parseFloat(document.getElementById("rotationSpeed").value);this.nebula.rotation.x += parseFloat(document.getElementById("rotationSpeed").value) * 0.5;this.nebula.material.uniforms.time.value = this.time;}// 轻微旋转星星if (this.stars) {this.stars.rotation.y += 0.0002;}// 渲染场景this.renderer.render(this.scene, this.camera);}onWindowResize() {this.camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;this.camera.updateProjectionMatrix();this.renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);}}// 启动应用window.addEventListener("load", () => {new NebulaBackground();});
</script>
</body>
</html>

效果如下：