three.js粒子效果（分别基于CPU&GPU实现）

Posted 2020-09-18 万技师的技术博客

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。

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：
GPU版本  CPU版本

维护粒子位移：
GPU版本  CPU版本

 

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

维护位移、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。

var 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。