Three.js 的 3D 粒子动画：群星送福

”粒子动画“ 这个词大家可能经常听到，那什么是粒子动画呢?

粒子是指原子、分子等组成物体的最小单位。在 2D 中，这种最小单位是像素，在 3D 中，最小单位是顶点。

粒子动画不是指物体本身的动画，而是指这些基本单位的动画。因为是组成物体的单位的动画，所以会有打碎重组的效果。

本文我们就来学习下 3D 的粒子动画，做一个群星送福的效果：

思路分析

3D 世界中，物体是由顶点构成，3 个顶点构成一个三角形，然后给三角形贴上不同的纹理，这样就是一个三维模型。

也就是说，3D 模型是由顶点确定的几何体(Geometry)，贴上不同的纹理(Material)所构成的物体(Mesh 等)。

之后，把 3D 物体添加到场景(Scene)中，设置一个相机(Camera)角度去观察，然后用渲染器(Renderer)一帧帧渲染出来，这就是 3D 渲染流程。

3D 物体是由顶点构成，那让这些顶点动起来就是粒子动画了，因为基本粒子动了，自然就会有打碎重组的效果。

在“群星送福”效果中，我们由群星打碎重组成了福字，实际上就是群星的顶点运动到了福字的顶点，由一个 3D 物体变成了另一个 3D 物体。

那么群星的顶点从哪里来的?福字的顶点又怎么来呢?

群星的顶点其实是随机生成的不同位置的点，在这些点上贴上星星的贴图，就是群星效果。

福字的顶点是加载的一个 3D 模型，解析出它的顶点数据拿到的。

有了两个 3D 物体的顶点数据，也就是有了动画的开始结束坐标，那么不断的修改每个顶点的 x、y、z 属性就可以实现粒子动画。

这里的 x、y、z 属性值的变化不要自己算，用一些动画库来算，它们支持加速、减速等时间函数。Three.js 的动画库是 Tween.js。

总之，3D 粒子动画就是顶点的 x、y、z 属性的变化，会用动画库来计算中间的属性值。由一个物体的顶点位置、运动到另一个物体的顶点位置，会有种打碎重组的效果，这也是粒子动画的魅力。

思路理清了，那我们来具体写下代码吧。

代码实现

如前面所说，3D 的渲染需要一个场景(Scene)来管理所有的 3D 物体，需要一个相机(Camera)在不同角度观察，还需要渲染器(Renderer)一帧帧渲染出来。

这部分是基础代码，先把这部分写好：

创建场景：

const scene = new THREE.Scene(); 

创建相机：

const width = window.innerWidth; 
const height = window.innerHeight; 
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, width / height, 0.1, 1000); 

相机分为透视相机和平行相机，我们这里用的透视相机，也就是近大远小的透视效果。要指定可以看到的视野角度(45)、宽高比(width/height)、远近范围(0.1 到 1000)这 3 种参数。

调整下相机的位置和观察方向：

camera.position.set(100, 0, 400); 
camera.lookAt(scene.position); 

然后是渲染器：

const renderer = new THREE.WebGLRenderer(); 
renderer.setSize(width, height); 
document.body.appendChild(renderer.domElement); 

渲染器要通过 requestAnimationFrame 来一帧帧的渲染：

function render() { 
    renderer.render(scene, camera); 
    requestAnimationFrame(render); 
} 
render(); 

准备工作完成，接下来就是绘制星空、福字这两种 3D 物体，还有实现粒子动画了。

绘制星空

星空不是正方体、圆柱体这种规则的几何体，而是由一些随机的顶点构成的，这种任意的几何体使用缓冲几何体 BufferGeometry 创建。

为啥这种由任意顶点构成的几何体叫缓冲几何体呢?

因为顶点在被 GPU 渲染之前是放在缓冲区 buffer 中的，所以这种指定一堆顶点的几何体就被叫做 BufferGeometry。

我们创建 30000 个随机顶点：

const vertices = []; 
for ( let i = 0; i < 30000; i ++ ) { 
    const x = THREE.MathUtils.randFloatSpread( 2000 ); 
    const y = THREE.MathUtils.randFloatSpread( 2000 ); 
    const z = THREE.MathUtils.randFloatSpread( 2000 ); 
    vertices.push( x, y, z ); 
} 

这里用了 Three.js 提供的工具 MathUtils 来生成 0 到 2000 的随机值。

然后用这些顶点创建 BufferGeometry：

const geometry = new THREE.BufferGeometry(); 
geometry.setAttribute( 'position', new THREE.Float32BufferAttribute(vertices, 3)); 

给 BufferGeometry 对象设置顶点位置，指定 3 个数值(x、y、z)为一个坐标。

然后创建这些顶点上的材质(Material)，也就是星星的贴图：

const star = new THREE.TextureLoader().load('img/star.png'); 
const material = new THREE.PointsMaterial( { size: 10, map: star }); 

顶点有了，材质有了，就可以创建 3D 物体了(这里的 3D 物体是 Points)。

const points = new THREE.Points( geometry, material ); 
scene.add(points); 

看下渲染的效果：

静态的没 3D 的感觉，我们让每一帧转一下，改下 render 逻辑：

function render() { 
    renderer.render(scene, camera); 
    scene.rotation.y += 0.001; 
 
    requestAnimationFrame(render); 
} 

再来看一下：

3D 星空的感觉有了!

接下来我们来做粒子动画：

3D 粒子动画

3D 粒子动画就是顶点的动画，也就是 x、y、z 的变化。

我们先来实现个最简单的效果，让群星都运动到 0，0，0 的位置：

起始点坐标就是群星的的本来的位置，通过 getAttribute('position') 来取。动画过程使用 tween.js 来计算：

const startPositions = geometry.getAttribute('position'); 
 
for(let i = 0; i< startPositions.count; i++) { 
    const tween = new TWEEN.Tween(positions); 
 
    tween.to({ 
        [i * 3]: 0, 
        [i * 3 + 1]: 0, 
        [i * 3 + 2]: 0 
    }, 3000 * Math.random()); 
 
    tween.easing(TWEEN.Easing.Exponential.In); 
    tween.delay(3000); 
    tween.onUpdate(() => { 
        startPositions.needsUpdate = true; 
    }); 
     
    tween.start(); 
} 

每个点都有 x、y、z 坐标，也就是下标为 i3、i3+1、i*3+2 的值，我们指定从群星的起始位置运动到 0，0，0 的位置。

然后指定了时间函数为加速(Easing.Exponential.In)，3000 ms 后开始执行动画。

每一帧渲染的时候要调用下 Tween.update 来计算最新的值：

function render() { 
    TWEEN.update(); 
    renderer.render(scene, camera); 
    scene.rotation.y += 0.001; 
 
    requestAnimationFrame(render); 
} 

每一帧在绘制的时候都会调用 onUpdate 的回调函数，我们在回调函数里把 positions 的 needsUpdate 设置为 true，就是告诉 tween.js 在这一帧要更新为新的数值再渲染了。

第一个粒子动画完成!

来看下效果(我把这个效果叫做万象天引)：

所有的星星粒子都集中到了一个点，这就是粒子动画典型的打碎重组感。

接下来，只要把粒子运动到福字的顶点就是我们要做的“群星送福”效果了。

福字模型的顶点肯定不能随机，自己画也不现实，这种一般都是在建模软件里画好，然后导入到 Three.js 来渲染，

我找了这样一个福字的 3D 模型：

模型是 fbx 格式的，使用 FBXLoader 加载：

const loader = new THREE.FBXLoader(); 
loader.load('./obj/fu.fbx', function (object) { 
    const destPosition = object.children[0].geometry.getAttribute('position'); 
 
}); 

回调参数就是从 fbx 模型加载的 3D 物体，它是一个 Group(多个 3D 物体的集合)，取出第 0 个元素的 geometry 属性，就是对应的几何体。

这样，我们就拿到了目标的顶点位置。

把粒子动画的结束位置改为福字的顶点就可以了：

const cur = i % destPosition.count; 
tween.to({ 
    [i * 3]: destPosition.array[cur * 3], 
    [i * 3 + 1]: destPosition.array[(cur * 3 + 1)], 
    [i * 3 + 2]: destPosition.array[(cur * 3 + 2)] 
}, 3000 * Math.random()); 

如果开始顶点位置比较多，超过的部分从 0 的位置再来，所以要取余。

大功告成!

这就是我们想要的粒子效果：

完整代码上传到了 github：https://github.com/QuarkGluonPlasma/threejs-exercize

总结

粒子动画是组成物体的基本单位的运动，对 3D 来说就是顶点的运动。

我们要实现“群星送福”的粒子动画，也就是从群星的顶点运动到福字的顶点。

群星的顶点可以随机生成，使用 BufferGeometry 创建对应的几何体。福字则是加载创建好的 3D 模型，拿到其中的顶点位置。

有了开始、结束位置，就可以实现粒子动画了，过程中的 x、y、z 值使用动画库 Tween.js 来计算，可以指定加速、减速等时间函数。

粒子动画有种打碎重组的感觉，可以用来做一些很炫的效果。理解了什么是粒子动画、粒子动画中动的是什么，就算是初步掌握了。

我摘下漫天繁星，给大家送一份福气，新的一年一起加油!