three.js 粒子效果（分别基于 CPU & GPU 实现）
原创three.js 粒子效果（分别基于 CPU & GPU 实现）
原创
前段时间做了一个基于 CPU 和 GPU 对比的粒子效果丢在学习 WebGL 的 RTX 群里，技术上没有多作讲解，有同学反馈看不太懂 GPU 版本，干脆开一篇文章，重点讲解基于 GPU 开发的版本。
一、概况
废话不多说，先丢上demo，用移动设备更能明显感觉性能差异。
维护粒子位移、颜色、尺寸：
维护粒子位移：
结论：
同时需要维护多种粒子特征变化时，GPU有明显优势。 只是维护粒子位移时，GPU版本稍流畅，但优势并不明显。 当然，这还得具体到设备，一些中低端Android机器，GPU太渣，不如CPU计算。
二、技术实现
three.js中，粒子效果的实现方式大概分为三种：
1、Javascript直接计算粒子的状态变化，即基于CPU实现； 2、Javascript通知顶点着色器粒子的生命周期，由顶点着色器运行，即基于GPU实现； 3、粒子生成与状态维护全部由片元着色器负责，即屏幕特效，同样是基于GPU中实现。 第3种方式本文暂不介绍。
2.1、基于CPU实现
护位移、颜色、尺寸： http://tgideas.qq.com/2017/three/shader/particle-gpu/cpu.html
维护位移： http://tgideas.qq.com/2017/three/shader/particle-gpu/gpu-position.html
步骤1&2：
首先加载由三维软件制作的几何体，然后生成粒子系统 。
var material = new THREE.PointsMaterial({size:4, color:0xff0000});
var particleSystem = new THREE.Points(geometry , material);
从代码中可以看出，材质是针对整介粒子系统设置的，所以只能维护粒子位移。
如果要维护粒子颜色、尺寸呢？
我们必须为每个粒子设置不同的材质，由此也造成不小的性能损耗 。
步骤3：
使用Tween修改所有顶点位置。
tween = new TWEEN.Tween(pos).to({val: 0}, 2000).easing(TWEEN.Easing.Quadratic.InOut).delay(1000).onUpdate(callback);
function callback(){
var val = this.val;
var particles = particleSystem.geometry.vertices;
for(var i = 0; i < particles.length; i++) {
var pos = particles[i];
pos.x = position1[i].x * val + position2[i].x * (1-val);
pos.y = position1[i].y * val + position2[i].y * (1-val);
pos.z = position1[i].z * val + position2[i].z * (1-val);
}
particleSystem.geometry.verticesNeedUpdate = true;
}
从代码中可以看出，粒子的状态都是通过Javascript，由CPU来计算。
2.2、基于GPU实现
维护粒子位移、颜色、尺寸： http://tgideas.qq.com/2017/three/shader/particle-gpu/gpu.html
对比CPU实现流程图，我们会发现，Tween并不直接计算所有顶点位置，而是只通知动画运行时间，由顶点着色器来完成具体运算。
既然运算部分在顶点着色器，那么，需要我们自己书写着色器（opengl es），所以我们选用three.js中的ShaderMaterial。
步骤1：
首先生成粒子系统：
var uniforms = {
texture:{value: new THREE.TextureLoader().load( "dot.png")},
val: {value: 1.0}
};
var shaderMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
uniforms: uniforms,
vertexShader: document.getElementById('vertexshader').textContent,
fragmentShader: document.getElementById('fragmentshader').textContent,
blending: THREE.AdditiveBlending,
depthTest: false,
transparent: true
});
particleSystem = new THREE.Points(moreObj, shaderMaterial);
uniforms是连接javascript与着色器的通道。
uniforms.val 即由tween来维护的动画运行值。
vertexShader和fragmentShader，即我们要定义的顶点着色器，和片元着色器，它们负责具体的粒子状态的运算，我们定义在网页中。
步骤2：
定义顶点着色器：
attribute float size; // 粒子尺寸
attribute vec3 position2; // 目标顶点位置
uniform float val; // 动画运行时间
varying vec3 vPos; // 将顶点位置传输给片元着色器
void main() {
// 计算粒子位置
vPos.x = position.x * val + position2.x * (1.-val);
vPos.y = position.y* val + position2.y * (1.-val);
vPos.z = position.z* val + position2.z * (1.-val);
// 坐标转换
vec4 mvPosition = modelViewMatrix * vec4( vPos, 1.0 );
gl_PointSize = size * ( 300.0 / -mvPosition.z );
gl_Position = projectionMatrix * mvPosition;
}
three.js内置，自动传递给顶点着色器的变量： attribute position - 顶点坐标 mat4 modelViewMatrix - 模型+视图矩阵 mat4 projectionMatrix - 投影矩阵
定义片元着色器：
uniform sampler2D texture;
varying vec3 vPos;
void main() {
// 计算粒子颜色，通过位置
vec3 vColor = vec3(1.0, 0., 0.);
vColor.r = vPos.z/50.;
vColor.g = vPos.y/50.;
vColor.b = vPos.x/50.;
gl_FragColor = vec4(vColor, 1.0 );
// 顶点贴图
gl_FragColor = gl_FragColor * texture2D( texture, gl_PointCoord );
}
步骤3：
负责维护粒子运行时间：
tween = new TWEEN.Tween(pos).to({val: 0}, 2000).onUpdate(callback);
function callback(){
particleSystem.material.uniforms.val.value = this.val;
}
三、延伸阅读
- 类THREE.Points做了什么？
其实真没干什么，主要是申明它的type是Points。 当我们执行渲染时，WebGL会绘制Point，即调用gl.drawArrays(gl.POINTS… 而通常，比如type为Mesh时，three.js会调用gl.drawArrays(gl.TRIANGLES…
- 类THREE.PointsMaterial做了什么？
同样，点材质也是three.js最简单的类之一，相对于基类Material，它多做的事情只是传递了size，即点的尺寸这个值。
原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。
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