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从零开始学习three.js（18）：一文详解three.js中的着色器Shader

web 2025/5/16 6:38:21

在WebGL和Three.js的3D图形渲染中，着色器（Shader） 是实现复杂视觉效果的核心工具。通过编写自定义的着色器代码，开发者可以直接操作GPU，实现从基础颜色渲染到动态光照、粒子效果等高级图形技术。本文将深入解析Three.js中着色器的核心概念、实现原理及实战应用，并结合代码示例帮助读者全面掌握这一关键技术。

核心特点：

一、着色器基础与分类

1.1 顶点着色器（Vertex Shader）

顶点着色器负责处理几何体的每个顶点，主要功能包括：

顶点位置变换：将模型空间坐标转换为屏幕空间坐标（通过 gl_Position 输出）
顶点属性计算：如法线变换、纹理坐标传递等

void main() {gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
}

说明：projectionMatrix（投影矩阵）、modelViewMatrix（模型视图矩阵）由Three.js自动注入，position是顶点的原始坐标。

1.2 片元着色器（Fragment Shader）

片元着色器决定每个像素的最终颜色，通过 gl_FragColor 输出：

void main() {gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 红色
}

特性：颜色支持动态计算，如基于光照模型、纹理采样等。

1.3 着色器材质类型

Three.js提供两种自定义着色器材质：

ShaderMaterial：简化版材质，内置常用变量（如modelViewMatrix、projectionMatrix），适合快速开发。
RawShaderMaterial：需手动声明所有变量（如attribute、uniform），灵活性更高，适合深度优化。

示例代码：创建基础着色器材质

const material = new THREE.ShaderMaterial({  vertexShader: vertexShaderCode,  fragmentShader: fragmentShaderCode,  uniforms: {  time: { value: 0 },  color: { value: new THREE.Color(0xff0000) }  }  
});

二、着色器变量类型

2.1 Uniforms

全局常量：所有顶点/片元共享同一值（如时间、光源位置）
传递方式：通过 ShaderMaterial 的 uniforms 属性设置

const material = new THREE.ShaderMaterial({uniforms: {uTime: { value: 0 },uTexture: { value: new THREE.TextureLoader().load("texture.png") }}
});

在着色器中声明：uniform float uTime;

2.2 Attributes

顶点属性：每个顶点独有的数据（如位置、颜色、法线）
典型应用：动态顶点动画（如波浪效果）

geometry.setAttribute('displacement', new THREE.BufferAttribute(displacementArray, 1));

在顶点着色器中访问：attribute float displacement;

2.3 Varyings

插值变量：从顶点着色器向片元着色器传递数据（如UV坐标、颜色插值）

// 顶点着色器
varying vec2 vUv;
void main() {vUv = uv;// ...
}// 片元着色器
varying vec2 vUv;
void main() {vec4 color = texture2D(uTexture, vUv);
}

注意：变量名需在两者中保持一致。

三、矩阵变换与坐标系统

3.1 核心矩阵解析

模型矩阵（modelMatrix） ：几何体的旋转、平移、缩放变换
视图矩阵（viewMatrix） ：相机的观察变换（等同于相机世界矩阵的逆矩阵）
投影矩阵（projectionMatrix） ：3D到2D的投影（如透视投影）

3.2 矩阵乘法顺序

顶点变换遵循 “右乘”顺序，确保坐标正确转换：

gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(position, 1.0);

原理：从模型空间→世界空间→相机空间→裁剪空间逐步变换。

四、实战案例：动态波纹效果

4.1 着色器代码实现

顶点着色器（传递UV坐标）：

varying vec2 vUv;
void main() {vUv = uv;gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
}

片元着色器（动态波纹计算）：

uniform float uTime;
varying vec2 vUv;void main() {float ripple = sin(length(vUv - 0.5) * 10.0 - uTime * 2.0);float opacity = smoothstep(0.0, 0.2, abs(ripple));gl_FragColor = vec4(0.2, 0.5, 1.0, opacity);
}

4.2 JavaScript端配置

const material = new THREE.ShaderMaterial({uniforms: {uTime: { value: 0 }},vertexShader: vertexShaderCode,fragmentShader: fragmentShaderCode,transparent: true
});// 动画循环中更新Uniform
function animate() {material.uniforms.uTime.value += 0.01;requestAnimationFrame(animate);
}

效果：实现以中心向外扩散的蓝色波纹。

五、高级技巧与优化

5.1 性能优化策略

减少分支语句：GPU不擅长动态分支，可用 mix() 或 step() 替代 if-else
向量化运算：优先使用 vec3/vec4 代替多个 float 计算
纹理压缩：使用Mipmap和纹理图集减少采样开销

5.2 常见问题排查

变量未声明：检查Three.js版本是否支持特定语法（如 #version 300 es）
精度问题：在移动端明确指定精度（precision mediump float;）
矩阵顺序错误：确保模型→视图→投影的乘法顺序正确

六、扩展应用：后期处理通道

通过 EffectComposer 和 ShaderPass 实现屏幕后处理：

import { EffectComposer, ShaderPass } from 'three/examples/jsm/postprocessing';const composer = new EffectComposer(renderer);
composer.addPass(new RenderPass(scene, camera));const customPass = new ShaderPass(customShaderMaterial);
composer.addPass(customPass);

典型效果：模糊、Bloom光效、颜色校正等。