学习threejs，使用ShaderMaterial自定义着色器材质

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文章目录

一、🍀前言
- 1.1 ☘️THREE.ShaderMaterial
- - 1.1.1 ☘️注意事项
  - 1.1.2 ☘️构造函数
  - 1.1.3 ☘️属性
  - 1.1.4 ☘️方法
二、🍀使用ShaderMaterial自定义着色器材质
- 1. ☘️实现思路
- 2. ☘️代码样例

一、🍀前言

本文详细介绍如何基于threejs在三维场景中使用ShaderMaterial自定义着色器材质，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 derivatives
	fragDepth: false, // set to use fragment depth values
	drawBuffers: false, // set to use draw buffers
	shaderTextureLOD: 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。

二、🍀使用ShaderMaterial自定义着色器材质

1. ☘️实现思路

首先创建6个面着色器fragment-shader-1到fragment-shader-6。

1、初始化renderer渲染器。
2、初始化Scene三维场景scene。
3、初始化camera相机，定义相机位置 camera.position.set，设置相机方向camera.lookAt。
4、创建THREE.AmbientLight环境光源ambientLight，设置环境光ambientLight颜色，scene场景加入环境光源ambientLight。创建THREE.SpotLight聚光灯光源spotLight，设置聚光灯光源位置和投影，scene场景加入spotLight。
5、加载几何模型：定义createMaterial方法用于创建ShaderMaterial自定义着色器材质，创建立方体集合对象cubeGeometry，调用createMaterial方法创建6个ShaderMaterial自定义着色器材质对象从meshMaterial1到meshMaterial6，传入创建的6个ShaderMaterial自定义着色器材质对象，创建MeshFaceMaterial几何体面材质对象material。传入cubeGeometry和material创建立方体网格对象cube，scene场景加入cube。定义render方法，实现立方体对象cube的旋转动画。具体代码参考下面代码样例。
6、加入stats监控器，监控帧数信息。

2. ☘️代码样例

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>学习threejs，使用ShaderMaterial自定义着色器材质</title>
    <script type="text/javascript" src="../libs/three.js"></script>
    <script type="text/javascript" src="../libs/stats.js"></script>
    <script type="text/javascript" src="../libs/dat.gui.js"></script>
    <style>
        body {
            /* set margin to 0 and overflow to hidden, to go fullscreen */
            margin: 0;
            overflow: hidden;
        }
    </style>
</head>
<body>

<script id="vertex-shader" type="x-shader/x-vertex">
    uniform float time;
    varying vec2 vUv;


    void main()
    {
    vec3 posChanged = position;
    posChanged.x = posChanged.x*(abs(sin(time*1.0)));
    posChanged.y = posChanged.y*(abs(cos(time*1.0)));
    posChanged.z = posChanged.z*(abs(sin(time*1.0)));
    //gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position*(abs(sin(time)/2.0)+0.5),1.0);
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(posChanged,1.0);
    }

</script>

<script id="fragment-shader-1" type="x-shader/x-fragment">
    precision highp float;
    uniform float time;
    uniform float alpha;
    uniform vec2 resolution;
    varying vec2 vUv;

    void main2(void)
    {
    vec2 position = vUv;
    float red = 1.0;
    float green = 0.25 + sin(time) * 0.25;
    float blue = 0.0;
    vec3 rgb = vec3(red, green, blue);
    vec4 color = vec4(rgb, alpha);
    gl_FragColor = color;
    }

    #define PI 3.14159
    #define TWO_PI (PI*2.0)
    #define N 68.5

    void main(void)
    {
    vec2 center = (gl_FragCoord.xy);
    center.x=-10.12*sin(time/200.0);
    center.y=-10.12*cos(time/200.0);

    vec2 v = (gl_FragCoord.xy - resolution/20.0) / min(resolution.y,resolution.x) * 15.0;
    v.x=v.x-10.0;
    v.y=v.y-200.0;
    float col = 0.0;

    for(float i = 0.0; i < N; i++)
    {
    float a = i * (TWO_PI/N) * 61.95;
    col += cos(TWO_PI*(v.y * cos(a) + v.x * sin(a) + sin(time*0.004)*100.0 ));
    }

    col /= 5.0;

    gl_FragColor = vec4(col*1.0, -col*1.0,-col*4.0, 1.0);
    }


</script>

<script id="fragment-shader-2" type="x-shader/x-fragment">

    uniform float time;
    uniform vec2 resolution;

    #define CGFloat float
    #define M_PI 3.14159265359

    vec3 hsvtorgb(float h, float s, float v)
    {
    float c = v * s;
    h = mod((h * 6.0), 6.0);
    float x = c * (1.0 - abs(mod(h, 2.0) - 1.0));
    vec3 color;

    if (0.0 <= h && h < 1.0)
    {
    color = vec3(c, x, 0.0);
    }
    else if (1.0 <= h && h < 2.0)
    {
    color = vec3(x, c, 0.0);
    }
    else if (2.0 <= h && h < 3.0)
    {
    color = vec3(0.0, c, x);
    }
    else if (3.0 <= h && h < 4.0)
    {
    color = vec3(0.0, x, c);
    }
    else if (4.0 <= h && h < 5.0)
    {
    color = vec3(x, 0.0, c);
    }
    else if (5.0 <= h && h < 6.0)
    {
    color = vec3(c, 0.0, x);
    }
    else
    {
    color = vec3(0.0);
    }

    color += v - c;

    return color;
    }

    void main(void)
    {

    vec2 position = (gl_FragCoord.xy - 0.5 * resolution) / resolution.y;
    float x = position.x;
    float y = position.y;

    CGFloat a = atan(x, y);

    CGFloat d = sqrt(x*x+y*y);
    CGFloat d0 = 0.5*(sin(d-time)+1.5)*d;
    CGFloat d1 = 5.0;

    CGFloat u = mod(a*d1+sin(d*10.0+time), M_PI*2.0)/M_PI*0.5 - 0.5;
    CGFloat v = mod(pow(d0*4.0, 0.75),1.0) - 0.5;

    CGFloat dd = sqrt(u*u+v*v);

    CGFloat aa = atan(u, v);

    CGFloat uu = mod(aa*3.0+3.0*cos(dd*30.0-time), M_PI*2.0)/M_PI*0.5 - 0.5;
    // CGFloat vv = mod(dd*4.0,1.0) - 0.5;

    CGFloat d2 = sqrt(uu*uu+v*v)*1.5;

    gl_FragColor = vec4( hsvtorgb(dd+time*0.5/d1, sin(dd*time), d2), 1.0 );
    }

</script>

<script id="fragment-shader-3" type="x-shader/x-fragment">
    uniform vec2 resolution;
    uniform float time;

    vec2 rand(vec2 pos)
    {
    return fract( 0.00005 * (pow(pos+2.0, pos.yx + 1.0) * 22222.0));
    }
    vec2 rand2(vec2 pos)
    {
    return rand(rand(pos));
    }

    float softnoise(vec2 pos, float scale)
    {
    vec2 smplpos = pos * scale;
    float c0 = rand2((floor(smplpos) + vec2(0.0, 0.0)) / scale).x;
    float c1 = rand2((floor(smplpos) + vec2(1.0, 0.0)) / scale).x;
    float c2 = rand2((floor(smplpos) + vec2(0.0, 1.0)) / scale).x;
    float c3 = rand2((floor(smplpos) + vec2(1.0, 1.0)) / scale).x;

    vec2 a = fract(smplpos);
    return mix(
    mix(c0, c1, smoothstep(0.0, 1.0, a.x)),
    mix(c2, c3, smoothstep(0.0, 1.0, a.x)),
    smoothstep(0.0, 1.0, a.y));
    }

    void main(void)
    {
    vec2 pos = gl_FragCoord.xy / resolution.y;
    pos.x += time * 0.1;
    float color = 0.0;
    float s = 1.0;
    for(int i = 0; i < 8; i++)
    {
    color += softnoise(pos+vec2(i)*0.02, s * 4.0) / s / 2.0;
    s *= 2.0;
    }
    gl_FragColor = vec4(color);
    }

</script>

<script id="fragment-shader-4" type="x-shader/x-fragment">


    uniform float time;
    uniform vec2 resolution;

    vec2 rand(vec2 pos)
    {
    return
    fract(
    (
    pow(
    pos+2.0,
    pos.yx+2.0
    )*555555.0
    )
    );
    }

    vec2 rand2(vec2 pos)
    {
    return rand(rand(pos));
    }

    float softnoise(vec2 pos, float scale) {
    vec2 smplpos = pos * scale;
    float c0 = rand2((floor(smplpos) + vec2(0.0, 0.0)) / scale).x;
    float c1 = rand2((floor(smplpos) + vec2(1.0, 0.0)) / scale).x;
    float c2 = rand2((floor(smplpos) + vec2(0.0, 1.0)) / scale).x;
    float c3 = rand2((floor(smplpos) + vec2(1.0, 1.0)) / scale).x;

    vec2 a = fract(smplpos);
    return mix(mix(c0, c1, smoothstep(0.0, 1.0, a.x)),
    mix(c2, c3, smoothstep(0.0, 1.0, a.x)),
    smoothstep(0.0, 1.0, a.x));
    }

    void main( void ) {
    vec2 pos = gl_FragCoord.xy / resolution.y - time * 0.4;

    float color = 0.0;
    float s = 1.0;
    for (int i = 0; i < 6; ++i) {
    color += softnoise(pos + vec2(0.01 * float(i)), s * 4.0) / s / 2.0;
    s *= 2.0;
    }
    gl_FragColor = vec4(color,mix(color,cos(color),sin(color)),color,1);
    }

</script>

<script id="fragment-shader-5" type="x-shader/x-fragment">

    uniform float time;
    uniform vec2 resolution;

    // tie nd die by Snoep Games.

    void main( void ) {

    vec3 color = vec3(1.0, 0., 0.);
    vec2 pos = (( 1.4 * gl_FragCoord.xy - resolution.xy) / resolution.xx)*1.5;
    float r=sqrt(pos.x*pos.x+pos.y*pos.y)/15.0;
    float size1=2.0*cos(time/60.0);
    float size2=2.5*sin(time/12.1);

    float rot1=13.00; //82.0+16.0*sin(time/4.0);
    float rot2=-50.00; //82.0+16.0*sin(time/8.0);
    float t=sin(time);
    float a = (60.0)*sin(rot1*atan(pos.x-size1*pos.y/r,pos.y+size1*pos.x/r)+time);
    a += 200.0*acos(pos.x*2.0+cos(time/2.0))+asin(pos.y*5.0+sin(time/2.0));
    a=a*(r/50.0);
    a=200.0*sin(a*5.0)*(r/30.0);
    if(a>5.0) a=a/200.0;
    if(a<0.5) a=a*22.5;
    gl_FragColor = vec4( cos(a/20.0),a*cos(a/200.0),sin(a/8.0), 1.0 );
    }


</script>

<script id="fragment-shader-6" type="x-shader/x-fragment">


    uniform float time;
    uniform vec2 resolution;


    void main( void )
    {

    vec2 uPos = ( gl_FragCoord.xy / resolution.xy );//normalize wrt y axis
    //suPos -= vec2((resolution.x/resolution.y)/2.0, 0.0);//shift origin to center

    uPos.x -= 1.0;
    uPos.y -= 0.5;

    vec3 color = vec3(0.0);
    float vertColor = 2.0;
    for( float i = 0.0; i < 15.0; ++i )
    {
    float t = time * (0.9);

    uPos.y += sin( uPos.x*i + t+i/2.0 ) * 0.1;
    float fTemp = abs(1.0 / uPos.y / 100.0);
    vertColor += fTemp;
    color += vec3( fTemp*(10.0-i)/10.0, fTemp*i/10.0, pow(fTemp,1.5)*1.5 );
    }

    vec4 color_final = vec4(color, 1.0);
    gl_FragColor = color_final;
    }

</script>

<div id="Stats-output">
</div>
<!-- Div which will hold the Output -->
<div id="WebGL-output">
</div>

<!-- Js 代码块-->
<script type="text/javascript">

    // 初始化
    function init() {

        var stats = initStats();

        // 创建三维场景scene
        var scene = new THREE.Scene();

        // 创建相机
        var camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);

        // 创建渲染器并设置大小
        var renderer = new THREE.WebGLRenderer();
        renderer.setClearColor(new THREE.Color(0x000000, 1.0));
        renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
        renderer.shadowMapEnabled = true;


        var cubeGeometry = new THREE.BoxGeometry(20, 20, 20);

        var meshMaterial1 = createMaterial("vertex-shader", "fragment-shader-1");
        var meshMaterial2 = createMaterial("vertex-shader", "fragment-shader-2");
        var meshMaterial3 = createMaterial("vertex-shader", "fragment-shader-3");
        var meshMaterial4 = createMaterial("vertex-shader", "fragment-shader-4");
        var meshMaterial5 = createMaterial("vertex-shader", "fragment-shader-5");
        var meshMaterial6 = createMaterial("vertex-shader", "fragment-shader-6");


        var material = new THREE.MeshFaceMaterial(
                [meshMaterial1,
                    meshMaterial2,
                    meshMaterial3,
                    meshMaterial4,
                    meshMaterial5,
                    meshMaterial6]);
//        var material = new THREE.MeshFaceMaterial([meshMaterial2, meshMaterial2, meshMaterial1, meshMaterial1, meshMaterial1, meshMaterial1]);

        var cube = new THREE.Mesh(cubeGeometry, material);

        // 场景中添加立方体网格对象
        scene.add(cube);

        // 设置相机位置和方向
        camera.position.x = 30;
        camera.position.y = 30;
        camera.position.z = 30;
        camera.lookAt(new THREE.Vector3(0, 0, 0));

        // 添加环境光源
        var ambientLight = new THREE.AmbientLight(0x0c0c0c);
        scene.add(ambientLight);

        // 添加聚光灯光源，设置位置和投影
        var spotLight = new THREE.SpotLight(0xffffff);
        spotLight.position.set(-40, 60, -10);
        spotLight.castShadow = true;
        scene.add(spotLight);


        document.getElementById("WebGL-output").appendChild(renderer.domElement);

        var step = 0;
      
        render();

        function render() {
            stats.update();
			// 立方体旋转动画
            cube.rotation.y = step += 0.01;
            cube.rotation.x = step;
            cube.rotation.z = step;

			// 着色器更新
            cube.material.materials.forEach(function (e) {
                e.uniforms.time.value += 0.01;
            });
            requestAnimationFrame(render);
            renderer.render(scene, camera);
        }

        function initStats() {

            var stats = new Stats();

            stats.setMode(0);

            stats.domElement.style.position = 'absolute';
            stats.domElement.style.left = '0px';
            stats.domElement.style.top = '0px';

            document.getElementById("Stats-output").appendChild(stats.domElement);

            return stats;
        }

        function createMaterial(vertexShader, fragmentShader) {
            var vertShader = document.getElementById(vertexShader).innerHTML;
            var fragShader = document.getElementById(fragmentShader).innerHTML;

            var attributes = {};
            var uniforms = {
                time: {type: 'f', value: 0.2},
                scale: {type: 'f', value: 0.2},
                alpha: {type: 'f', value: 0.6},
                resolution: {type: "v2", value: new THREE.Vector2()}
            };

            uniforms.resolution.value.x = window.innerWidth;
            uniforms.resolution.value.y = window.innerHeight;

            var meshMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
                uniforms: uniforms,
                attributes: attributes,
                vertexShader: vertShader,
                fragmentShader: fragShader,
                transparent: true

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