本实例主要讲解内容
这个Three.js示例展示了无属性几何体渲染技术，通过WebGL 2的gl_VertexID特性和伪随机数生成算法，在着色器中动态计算顶点位置和颜色，而不需要在CPU端预先定义几何体数据。
核心技术包括：
- WebGL 2的顶点ID特性
- 着色器中的伪随机数生成
- 无属性几何体渲染
- 纯GPU端的几何体生成
完整代码注释
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<title>three.js WebGL 2 - buffergeometry - attributes - none</title>
<meta charset="utf-8">
<meta name="viewport" content="width=device-width, user-scalable=no, minimum-scale=1.0, maximum-scale=1.0">
<link type="text/css" rel="stylesheet" href="main.css">
</head>
<body>
<div id="info"><a href="https://threejs.org" target="_blank" rel="noopener">three.js</a> WebGL 2 - buffergeometry - attributes - none</div>
<!-- 顶点着色器 -->
<script id="vertexShader" type="x-shader/x-vertex">
uniform mat4 modelViewMatrix;
uniform mat4 projectionMatrix;
uniform float seed; // 随机数种子
// IEEE 754浮点数常量
const uint ieeeMantissa = 0x007FFFFFu;
const uint ieeeOne = 0x3F800000u;
// 哈希函数 - 生成伪随机无符号整数
uint hash(uint x) {
x += ( x << 10u );
x ^= ( x >> 6u );
x += ( x << 3u );
x ^= ( x >> 11u );
x += ( x << 15u );
return x;
}
// 二维哈希函数
uint hash(uvec2 v) { return hash( v.x ^ hash(v.y) ); }
// 生成0-1之间的伪随机浮点数
float hashNoise(vec2 xy) {
uint m = hash(floatBitsToUint(xy));
m &= ieeeMantissa;
m |= ieeeOne;
return uintBitsToFloat( m ) - 1.0;
}
// 生成指定范围内的伪随机浮点数
float pseudoRandom(float lower, float delta, in vec2 xy) {
return lower + delta*hashNoise(xy);
}
// 生成指定范围内的伪随机三维向量
vec3 pseudoRandomVec3(float lower, float upper, int index) {
float delta = upper - lower;
float x = pseudoRandom(lower, delta, vec2(index, 0));
float y = pseudoRandom(lower, delta, vec2(index, 1));
float z = pseudoRandom(lower, delta, vec2(index, 2));
return vec3(x, y, z);
}
out vec3 vColor; // 输出到片段着色器的颜色
void main() {
// 计算顶点位置
// 使用 gl_VertexID 作为索引生成伪随机位置
// 每个三角形的三个顶点共享相同的基础位置，添加微小偏移形成三角形
const float scale = 1.0/64.0;
vec3 position = pseudoRandomVec3(-1.0, +1.0, gl_VertexID/3) + scale * pseudoRandomVec3(-1.0, +1.0, gl_VertexID);
// 计算顶点颜色
vec3 color = pseudoRandomVec3(0.25, 1.0, gl_VertexID/3);
// 设置顶点位置和颜色
gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0 );
vColor = color;
}
</script>
<!-- 片段着色器 -->
<script id="fragmentShader" type="x-shader/x-fragment">
precision mediump float;
in vec3 vColor; // 从顶点着色器传入的颜色
out vec4 fColor; // 最终输出颜色
void main() {
fColor = vec4(vColor, 1); // 使用传入的颜色作为片段颜色
}
</script>
<script type="importmap">
{
"imports": {
"three": "../build/three.module.js",
"three/addons/": "./jsm/"
}
}
</script>
<script type="module">
import * as THREE from 'three';
let camera, scene, renderer, mesh;
init();
function init() {
// 初始化相机
camera = new THREE.PerspectiveCamera( 27, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 3500 );
camera.position.z = 4;
// 初始化场景
scene = new THREE.Scene();
scene.background = new THREE.Color( 0x050505 );
scene.fog = new THREE.Fog( 0x050505, 2000, 3500 );
// 创建几何体
// 注意：这里没有设置任何顶点属性，所有数据都在着色器中生成
const triangleCount = 10000;
const vertexCountPerTriangle = 3;
const vertexCount = triangleCount * vertexCountPerTriangle;
const geometry = new THREE.BufferGeometry();
geometry.setDrawRange( 0, vertexCount ); // 仅设置绘制范围
// 创建材质
const material = new THREE.RawShaderMaterial( {
uniforms: {
seed: { value: 42 }, // 设置随机数种子
},
vertexShader: document.getElementById( 'vertexShader' ).textContent,
fragmentShader: document.getElementById( 'fragmentShader' ).textContent,
side: THREE.DoubleSide, // 双面渲染
glslVersion: THREE.GLSL3 // 使用GLSL 3.0
} );
// 创建网格
mesh = new THREE.Mesh( geometry, material );
mesh.frustumCulled = false; // 禁用视锥体剔除
scene.add( mesh );
// 初始化渲染器
renderer = new THREE.WebGLRenderer( { antialias: true } );
renderer.setPixelRatio( window.devicePixelRatio );
renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
renderer.setAnimationLoop( animate );
document.body.appendChild( renderer.domElement );
}
// 动画循环
function animate( time ) {
// 旋转网格
mesh.rotation.x = time / 1000.0 * 0.25;
mesh.rotation.y = time / 1000.0 * 0.50;
renderer.render( scene, camera );
}
</script>
</body>
</html>
无属性几何体渲染技术解析
WebGL 2的顶点ID特性
WebGL 2引入了gl_VertexID内置变量，它表示当前正在处理的顶点索引：
- 无需顶点属性：传统渲染需要在BufferGeometry中定义顶点位置、颜色等属性，而使用
gl_VertexID可以完全在着色器中生成这些数据 - 高效并行计算：每个顶点的计算是并行进行的，充分利用GPU的计算能力
- 动态几何体：可以根据需要动态生成不同的几何体，无需在CPU端预先生成和上传数据
在本示例中，我们通过gl_VertexID计算每个顶点的位置和颜色，实现了完全在GPU端生成几何体的效果。
着色器中的伪随机数生成
为了在着色器中生成看似随机的顶点位置和颜色，我们使用了伪随机数生成算法：
- 哈希函数：通过位运算实现的哈希函数，将输入值映射为看似随机的输出值
- 浮点数转换：将生成的无符号整数转换为0-1之间的浮点数
- 确定性随机：相同的输入会生成相同的输出，这对于渲染一致性非常重要
在本示例中，我们使用顶点ID和随机种子作为输入，生成确定性的随机顶点位置和颜色。这意味着每次渲染相同的场景时，结果都是一样的，但看起来是随机的。
无属性几何体的优势与应用场景
这种渲染技术具有以下优势：
- 减少内存占用：无需在CPU和GPU之间传输大量顶点数据
- 提高渲染效率：减少了数据传输和BufferGeometry的创建开销
- 动态生成复杂几何体：适合生成粒子系统、程序化地形、流体模拟等
适用场景包括：
- 粒子系统：每个粒子的位置和属性可以在着色器中动态生成
- 程序化内容：如程序化地形、建筑等
- 大数据可视化：当数据量非常大时，可以避免内存问题
- 实时生成效果：如爆炸碎片、烟雾等效果
性能考虑与限制
使用无属性几何体渲染时需要注意：
- 着色器复杂度：复杂的计算会增加GPU负担，可能导致性能下降
- 随机数质量：简单的哈希函数生成的随机数质量有限，不适合需要高质量随机数的场景
- 调试困难：着色器中的计算难以调试，需要仔细设计算法
- 兼容性：仅支持WebGL 2的浏览器才能使用
这种技术在特定场景下非常强大，但并不适合所有情况。在实际应用中，需要根据具体需求权衡其优缺点。