在高德地圖中實現(xiàn)降雨圖層
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前言
有一天老板跑過來跟我說，我們接到一個水利局的項目，需要做一些天氣效果，比如說降雨、河流汛期、洪澇災害影響啥的，你怎么看。欸，我覺得很有意思，馬上開整。
需求說明
在地圖上實現(xiàn)降雨效果，畫面盡量真實，比如天空、風云的變化與降雨場景契合；
可以結(jié)合當?shù)靥鞖忸A報情況，自動調(diào)節(jié)風速、風向、降雨量等參數(shù)。
需求分析
方案一：全局降雨
在用戶視口面前加一層二維的降雨平面層。
優(yōu)點：只管二維圖層就行了，不需要與地圖同步坐標，實現(xiàn)起來比較簡單，界面是全局的一勞永逸。
缺點：只適合從某些角度觀看，沒法再做更多定制了。
方案二：局部地區(qū)降雨
指定降雨范圍，即一個三維空間，坐標與地圖底圖同步，僅在空間內(nèi)實現(xiàn)降雨。
優(yōu)點：降落的雨滴有遠近關系，比較符合現(xiàn)實場景；可適用各種地圖縮放程度。
缺點：需要考慮的參數(shù)比較多，比如降雨范圍一項就必須考慮這個三維空間是什么形狀，可能是立方體、圓柱體或者多邊形擠壓體；需要外部圖層的配合，比如說下雨了，那么天空盒子的云層、建筑圖層的明度是否跟著調(diào)整。
實現(xiàn)思路
根據(jù)上面利弊權(quán)衡，我選擇了方案二進行開發(fā)，并盡量減少輸入?yún)?shù)，降雨影響范圍初步定為以地圖中心為坐標中心的立方體，忽略風力影響，雨滴采用自由落體方式運動。
降雨采用自定義著色器的方式實現(xiàn)，充分利用GPU并行計算能力，剛好在網(wǎng)上搜到一位大佬寫的three演示代碼[1]，改一下坐標軸（threejs空間坐標軸y軸朝上，高德GLCustomLayer空間坐標z軸朝上）就可以直接實現(xiàn)最基礎的效果。這里為了演示方便增加坐標軸和影響范圍的輔助線。
1.創(chuàng)建影響范圍，并在該范圍內(nèi)創(chuàng)建降雨層的幾何體Geometry，該幾何體的構(gòu)成就是在影響范圍內(nèi)隨機位置的1000個平面，這些平面與地圖底面垂直；
2.創(chuàng)建雨滴材質(zhì)，雨滴不受光照影響，這里使用最基礎的MeshBasicMaterial材質(zhì)即可，半透明化且加上一張圖片作為紋理；
3.為實現(xiàn)雨滴隨著時間軸降落的動畫效果，需要調(diào)整幾何體的形狀尺寸，并對MeshBasicMaterial材質(zhì)進行改造，使其可以根據(jù)當前時間time改變頂點位置；
-
調(diào)整頂點和材質(zhì)，使其可以根據(jù)風力風向改變面的傾斜角度和移動軌跡；
-
將圖層疊加到地圖3D場景中
基礎代碼實現(xiàn)
為降低學習難度，本模塊只講解最基礎版本的降雨效果，雨滴做自由落體，忽略風力影響。這里的示例以高德地圖上的空間坐標軸為例，即z軸朝上，three.js默認空間坐標系是y軸朝上。我把three.js示例代碼演示放到文末鏈接中。
1.創(chuàng)建影響范圍，并在該范圍內(nèi)創(chuàng)建降雨層的幾何體Geometry
createGeometry () {
// 影響范圍：只需要設定好立方體的size [width/2, depth/2, height/2]
//
const { count, scale, ratio } = this._conf.particleStyle
// 立方體的size [width/2, depth/2, height/2]
const { size } = this._conf.bound
const box = new THREE.Box3(
new THREE.Vector3(-size[0], -size[1], 0),
new THREE.Vector3(size[0], size[1], size[2])
)
const geometry = new THREE.BufferGeometry()
// 設置幾何體的頂點、法線、UV
const vertices = []
const normals = []
const uvs = []
const indices = []
// 在影響范圍內(nèi)隨機位置創(chuàng)建粒子
for (let i = 0; i < count; i++) {
const pos = new THREE.Vector3()
pos.x = Math.random() * (box.max.x - box.min.x) + box.min.x
pos.y = Math.random() * (box.max.y - box.min.y) + box.min.y
pos.z = Math.random() * (box.max.z - box.min.z) + box.min.z
const height = (box.max.z - box.min.z) * scale / 15
const width = height * ratio
// 創(chuàng)建當前粒子的頂點坐標
const rect = [
pos.x + width,
pos.y,
pos.z + height / 2,
pos.x - width,
pos.y,
pos.z + height / 2,
pos.x - width,
pos.y,
pos.z - height / 2,
pos.x + width,
pos.y,
pos.z - height / 2
]
vertices.push(...rect)
normals.push(
pos.x,
pos.y,
pos.z,
pos.x,
pos.y,
pos.z,
pos.x,
pos.y,
pos.z,
pos.x,
pos.y,
pos.z
)
uvs.push(1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0)
indices.push(
i * 4 + 0,
i * 4 + 1,
i * 4 + 2,
i * 4 + 0,
i * 4 + 2,
i * 4 + 3
)
}
// 所有頂點的位置
geometry.setAttribute(
'position',
new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(vertices), 3)
)
// 法線信息
geometry.setAttribute(
'normal',
new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(normals), 3)
)
// 設置UV屬性與頂點順序一致
geometry.setAttribute(
'uv',
new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(uvs), 2)
)
// 設置基本單元的頂點順序
geometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(new Uint32Array(indices), 1))
return geometry
}
2.創(chuàng)建材質(zhì)
createMaterial () {
// 粒子透明度、貼圖地址
const { opacity, textureUrl } = this._conf.particleStyle
// 實例化基礎材質(zhì)
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({
transparent: true,
opacity,
alphaMap: new THREE.TextureLoader().load(textureUrl),
map: new THREE.TextureLoader().load(textureUrl),
depthWrite: false,
side: THREE.DoubleSide
})
// 降落起點高度
const top = this._conf.bound.size[2]
material.onBeforeCompile = function (shader, renderer) {
const getFoot = `
uniform float top; // 天花板高度
uniform float bottom; // 地面高度
uniform float time; // 時間軸進度[0,1]
#include <common>
float angle(float x, float y){
return atan(y, x);
}
// 讓所有面始終朝向相機
vec2 getFoot(vec2 camera,vec2 normal,vec2 pos){
vec2 position;
// 計算法向量到點的距離
float distanceLen = distance(pos, normal);
// 計算相機位置與法向量之間的夾角
float a = angle(camera.x - normal.x, camera.y - normal.y);
// 根據(jù)點的位置和法向量的位置調(diào)整90度
pos.x > normal.x ? a -= 0.785 : a += 0.785;
// 計算投影值
position.x = cos(a) * distanceLen;
position.y = sin(a) * distanceLen;
return position + normal;
}
`
const begin_vertex = `
vec2 foot = getFoot(vec2(cameraPosition.x, cameraPosition.y), vec2(normal.x, normal.y), vec2(position.x, position.y));
float height = top - bottom;
// 計算目標當前高度
float z = normal.z - bottom - height * time;
// 落地后重新開始，保持運動循環(huán)
z = z + (z < 0.0 ? height : 0.0);
// 利用自由落體公式計算目標高度
float ratio = (1.0 - z / height) * (1.0 - z / height);
z = height * (1.0 - ratio);
// 調(diào)整坐標參考值
z += bottom;
z += position.z - normal.z;
// 生成變換矩陣
vec3 transformed = vec3( foot.x, foot.y, z );
`
shader.vertexShader = shader.vertexShader.replace(
'#include <common>',
getFoot
)
shader.vertexShader = shader.vertexShader.replace(
'#include <begin_vertex>',
begin_vertex
)
// 設置著色器參數(shù)的初始值
shader.uniforms.cameraPosition = { value: new THREE.Vector3(0, 0, 0) }
shader.uniforms.top = { value: top }
shader.uniforms.bottom = { value: 0 }
shader.uniforms.time = { value: 0 }
material.uniforms = shader.uniforms
}
this._material = material
return material
}
3.創(chuàng)建模型
createScope () {
const material = this.createMaterial()
const geometry = this.createGeometry()
const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material)
this.scene.add(mesh)
// 便于調(diào)試，顯示輪廓
// const box1 = new THREE.BoxHelper(mesh, 0xffff00)
// this.scene.add(box1)
}
4.更新參數(shù)
// 該對象用于跟蹤時間
_clock = new THREE.Clock()
update () {
const { _conf, _time, _clock, _material, camera } = this
// 調(diào)整時間軸進度,_time都值在[0,1]內(nèi)不斷遞增循環(huán)
// particleStyle.speed為降落速度倍率，默認值1
// _clock.getElapsedTime() 為獲取自時鐘啟動后的秒數(shù)
this._time = _clock.getElapsedTime() * _conf.particleStyle.speed / 2 % 1
if (_material.uniforms) {
// 更新鏡頭位置
_material.uniforms.cameraPosition.value = camera.position
// 更新進度
_material.uniforms.time.value = _time
}
}
animate (time) {
if (this.update) {
this.update(time)
}
if (this.map) {
// 疊加地圖時才需要
this.map.render()
}
requestAnimationFrame(() => {
this.animate()
})
}
優(yōu)化調(diào)整
修改場景效果
通過對圖層粒子、風力等參數(shù)進行封裝，只需簡單地調(diào)整配置就可以實現(xiàn)額外的天氣效果，比如讓場景下雪也是可以的，廣州下雪這種場景，估計有生之年只能在虛擬世界里看到了。
以下是配置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可供參考
const layer = new ParticleLayer({
map: getMap(),
center: mapConf.center,
zooms: [4, 30],
bound: {
type: 'cube',
size: [500, 500, 500]
},
particleStyle: {
textureUrl: './static/texture/snowflake.png', //粒子貼圖
ratio: 0.9, //粒子寬高比，雨滴是長條形，雪花接近方形
speed: 0.04, // 直線降落速度倍率，默認值1
scale: 0.2, // 粒子尺寸倍率，默認1
opacity: 0.5, // 粒子透明度，默認0.5
count: 1000 // 粒子數(shù)量，默認值10000
}
})
添加風力影響
要實現(xiàn)該效果需要添加2個參數(shù)：風向和風力，這兩個參數(shù)決定了粒子在降落過程中水平面上移動的方向和速度。
-
首先調(diào)整一下代碼實際那一節(jié)步驟2運動的相關代碼
const begin_vertex = `
...
// 利用自由落體公式計算目標高度
float ratio = (1.0 - z / height) * (1.0 - z / height);
z = height * (1.0 - ratio);
// 增加了下面這幾行
float x = foot.x+ 200.0 * ratio; // 粒子最終在x軸的位移距離是200
float y = foot.y + 200.0 * ratio; // 粒子最終在y軸的位移距離是200
...
// 生成變換矩陣
vec3 transformed = vec3( foot.x, y, z );
-
如果粒子是長條形的雨滴，那么它在有風力影響的運動時，粒子就不是垂直地面的平面了，而是與地面有一定傾斜角度的平面，如圖所示。
我們調(diào)整調(diào)整一下代碼實際那一節(jié)步驟1的代碼，實現(xiàn)方式就是讓每個粒子平面在創(chuàng)建之后，所有頂點繞著平面的法線中心軸旋轉(zhuǎn)a角度。
本示例旋轉(zhuǎn)軸(x, y, 1)與z軸（0，0，1）平行，這里有個技巧，我們在做平面繞軸旋轉(zhuǎn)的時候先把平面從初始位置orgPos移到坐標原點，繞著z軸旋轉(zhuǎn)后再移回orgPos，會讓計算過程簡單很多。
// 創(chuàng)建當前粒子的頂點坐標
const rect = [
pos.x + width,
pos.y,
pos.z + height / 2,
pos.x - width,
pos.y,
pos.z + height / 2,
pos.x - width,
pos.y,
pos.z - height / 2,
pos.x + width,
pos.y,
pos.z - height / 2
]
// 定義旋轉(zhuǎn)軸
const axis = new THREE.Vector3(0, 0, 1).normalize();
//定義旋轉(zhuǎn)角度
const angle = Math.PI / 6;
// 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)矩陣
const rotationMatrix = new THREE.Matrix4().makeRotationAxis(axis, angle);
for(let index =0; index< rect.length; index +=3 ){
const vec = new THREE.Vector3(rect[index], rect[index + 1], rect[index + 2]);
//移動到中心點
vec.sub(new THREE.Vector3(pos.x, pos.y,pos.z))
//繞軸旋轉(zhuǎn)
vec.applyMatrix4(rotationMatrix);
//移動到原位
vec.add(new THREE.Vector3(pos.x, pos.y, pos.z))
rect[index] = vec.x;
rect[index + 1] = vec.y;
rect[index + 2] = vec.z;
}
待改進的地方
本示例中有個需要完善的地方，就是加入了風力影響之后，如果繞垂直軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，會看到如下圖的異常，雨點的傾斜角度和運動傾斜角度是水平相反的。
問題的原因是材質(zhì)著色器中的“讓所有面始終朝向相機”方法會一直維持粒子的傾斜狀態(tài)不變，解決這個問題應該是調(diào)整這個方法就可以了。然而作為學渣的我還沒摸索出來，果然可視化工程的盡頭全是數(shù)學Orz。
相關鏈接
1.THREE.JS下雨進階版，面只旋轉(zhuǎn)Y軸朝向相機
www.wjceo.com/blog/threej…[2]
2.演示代碼在線DEMO
jsfiddle.net/gyratesky/5…[3]
參考資料
https://www.wjceo.com/blog/threejs2/2019-02-28/185.html
[2]https://www.wjceo.com/blog/threejs2/2019-02-28/185.html
[3]https://jsfiddle.net/gyratesky/5em3rckq/17/
作者：gyratesky
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