原创 石小石Orz 2024-11-27 08:30 重庆
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「大家好，我是石小石！」 随着 Web 技术的发展，Three.js 成为构建 3D 图形和动画的主流工具。与此同时，人工智能（AI）在图像处理、动作生成等领域表现出强大能力。将 AI 与 Three.js 结合，可以创造更加智能、动态和个性化的 3D 动画体验。
在传统的 3D 动画中，我们需要通过手动编码或关键帧技术定义每一帧动画。然而，AI 可以帮助我们：
「动作生成」：通过神经网络生成复杂的人体动作（如走路、跳跃）。
「路径优化」：使用 AI 规划摄像机路径或物体运动轨迹。
「实时反应」：通过用户输入或传感器数据，动态生成响应动画。
「纹理与场景生成」：利用生成对抗网络（GAN）实时生成纹理或场景内容。
本文将带你探讨如何使用 AI 算法驱动 3D 动画的生成，实现一个简单的案例：「萤火虫飞舞效果」。
核心目标
本文将借助Threejs生成一组粒子系统，用于模拟场景中的萤火虫，并借助Threejs的效果合成器模拟萤火虫的发光效果。最后，我们将通过 AI 算法（如噪声函数或简单的强化学习策略），生成一组动态轨迹，模拟萤火虫在 3D 空间中的运动，呈现自然且流畅的效果。
必备知识
本文核心是探讨AI算法在Threejs中的应用，不会着重介绍Threejs的使用。如果你对Threejs不熟悉或者有遗忘，可以参考我的其他文章复习threejs的基础知识。
❝一个案例带你从零入门Three.js，深度好文！
threejs专栏
❞
项目及场景搭建
我们采用vite的vue脚手架搭建此项目，先安装threejs的依赖，然后搭建最基本的Threejs场景
npm i three --save
// App.vue<template>
<div ref="threeContainer" class="three-container"></div>
</template><script setup>import { ref, onMounted, onUnmounted } from 'vue';import * as THREE from 'three';
// 用于渲染的 DOM 容器const threeContainer = ref(null); let scene, camera, renderer;
// 初始化 Three.js 场景const initScene = () => {
// 创建场景 scene = new THREE.Scene();
// 创建摄像机
camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, window.innerWidth / window.innerHeight, 20, 1000);
camera.position.set(0, 150, 500); // 设置相机位置
camera.lookAt(0, 0, 0); // 看向原点
// 创建渲染器
renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true });
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio); threeContainer.value.appendChild(renderer.domElement);};
// 生命周期钩子
onMounted(() => { initScene();});
</script><style>.three-container { position: fixed; left: 0; right: 0; bottom: 0; top: 0; overflow: hidden;}
</style>
现在，我们就得到了一个没有任何内容的黑色场景。
创建粒子系统（萤火虫）
我们可以将萤火虫理解为一个个位置不一样的自发光球体，那么萤火虫的实现就非常简单。
let scene, camera, renderer, particles;
const initScene = () => {
// ...
// 创建粒子系统（球体粒子-萤火虫）
particles = new THREE.Group();
const particlesCount = 200;
for (let i = 0; i < particlesCount; i++) {
const geometry = new THREE.SphereGeometry(5, 5, 5); // 创建球体
const material = new THREE.MeshStandardMaterial({
emissive: new THREE.Color("#CCFF00"), // 自发光颜色
emissiveIntensity: 1.5, // 自发光强度 });
const particle = new THREE.Mesh(geometry, material);
// 设置萤火虫的随机位置
particle.position.x = Math.random() * 1000 - 500; // X
particle.position.y = Math.random() * 1000 - 500; // Y
particle.position.z = Math.random() * 1000 - 500; // Z particles.add(particle); } scene.add(particles);};
// 动画循环
const animate = () => { requestAnimationFrame(animate); renderer.render(scene, camera);};
// 生命周期钩子
onMounted(() => { initScene(); animate();});
上述代码中，「particles」用于储存粒子系统对象，方便后期更改参数。particlesCount代表的是萤火虫的数量，由于萤火虫的光一般是黄绿色，所以我们将其自发光颜色设置为"#CCFF00"。
实现萤火虫的发光效果
要实现萤火虫的发光效果，可以借助Threejs的EffectComposer效果合成器。EffectComposer的知识点可以参考我的其他文章：
❝threejs做特效：实现物体的发光效果-EffectComposer详解！
❞
我们先引入效果合成器的一些threejs依赖项
import { EffectComposer } from 'three/addons/postprocessing/EffectComposer.js';
import { RenderPass } from 'three/addons/postprocessing/RenderPass.js';
import { UnrealBloomPass } from 'three/addons/postprocessing/UnrealBloomPass.js';
然后创建一个处理发光效果的函数
let scene, camera, renderer, composer, particles;
// 初始化 Three.js 场景
const initScene = () => {
// .... initPostProcessing()};
// 初始化后期处理
const initPostProcessing = () => {
composer = new EffectComposer(renderer);
// 场景渲染 Pass
const renderPass = new RenderPass(scene, camera); composer.addPass(renderPass);
// 光晕效果 Pass
const bloomPass = new UnrealBloomPass(
new THREE.Vector2(window.innerWidth, window.innerHeight),
1.5, // 强度
0.3, // 半径
0.25 // 阈值 ); composer.addPass(bloomPass);};
// 动画循环
const animate = () => { animationFrameId = requestAnimationFrame(animate);
// 渲染场景（使用后期处理） composer.render();};
// 生命周期钩子
onMounted(() => { initScene(); animate();});
</script>
借助AI实现萤火虫的飞舞
要实现萤火虫的运动效果，我们手写运动轨迹太复杂了，我们可以借助AI算法来实现其无规则或者规则的运动轨迹。
Simplex Noise
simplex-noise 是一种改良的噪声算法，由 Perlin 噪声的发明者 Ken Perlin 提出。它适合用于生成平滑的伪随机数据，在许多场景中（如自然模拟、动画、程序化生成纹理等）都有应用。
❝官方传送门：https://www.npmjs.com/package/simplex-noise
❞
萤火虫飞舞的效果应该满足以下特点：
「运动是平滑的」：不能有突兀的跳跃和不规则的抖动。
「运动轨迹是自然的」：看起来像随机飞舞，但又遵循某种自然规律。
「可控性强」：可以基于噪声的值控制位置、发光强度等。
「Simplex Noise 的平滑、自然和伪随机特性，特别适合这种需求」。
在 simplex-noise 库中，可以用 createNoise2D 或 createNoise3D 创建 2D 或 3D 噪声生成器，用于生成平滑的、随时间变化的伪随机数据。可以看出，用Simplex Noise的AI算法数据模拟萤火虫的飞舞效果是非常合适的。
使用simplex-noise模拟运动轨迹
更改萤火虫的运动轨迹其实非常容易，我们只需要用simplex-noise的AI数据，改变每一个萤火虫在场景中的x,y,z轴位置即可。它的核心伪代码应该如下：
// 更新粒子位置
const updateParticles = () => {
particles.children.forEach((particle) => {
const { x, y, z } = particle.position;
// 使用噪声来更新粒子的位置
particle.position.x += AI位置; // X
particle.position.y += AI位置; // Y
particle.position.z += AI位置; // Z });};
完成的代码如下
npm i simplex-noise
<template>
<div ref="threeContainer" class="three-container"></div>
</template><script setup>import { ref, onMounted, onUnmounted } from 'vue';import * as THREE from 'three';import { createNoise2D } from 'simplex-noise';
import { EffectComposer } from 'three/addons/postprocessing/EffectComposer.js';
import { RenderPass } from 'three/addons/postprocessing/RenderPass.js';
import { UnrealBloomPass } from 'three/addons/postprocessing/UnrealBloomPass.js';// 设置引用和变量const threeContainer = ref(null); // 用于渲染的 DOM 容器let scene, camera, renderer, composer, particles;const noise = createNoise2D(); // 使用 SimplexNoise 创建噪声生成器let time = 0; // 时间变量，用于驱动噪声的变化// 初始化 Three.js 场景const initScene = () => { // 创建场景 scene = new THREE.Scene(); // 创建摄像机 camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, window.innerWidth / window.innerHeight, 20, 1000); camera.position.set(0, 150, 500); // 设置相机位置 camera.lookAt(0, 0, 0); // 看向原点 // 创建渲染器 renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true }); renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight); renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio); threeContainer.value.appendChild(renderer.domElement); // 创建粒子系统（球体粒子） particles = new THREE.Group(); const particlesCount = 200; for (let i = 0; i < particlesCount; i++) { const geometry = new THREE.SphereGeometry(5, 5, 5); // 创建球体 const material = new THREE.MeshStandardMaterial({ emissive: new THREE.Color("#CCFF00"), // 自发光颜色 emissiveIntensity: 1.5, // 自发光强度 }); const particle = new THREE.Mesh(geometry, material); particle.position.x = Math.random() * 1000 - 500; // X particle.position.y = Math.random() * 1000 - 500; // Y particle.position.z = Math.random() * 1000 - 500; // Z particles.add(particle); } scene.add(particles); // 初始化后期处理 initPostProcessing();};// 初始化后期处理const initPostProcessing = () => { composer = new EffectComposer(renderer); // 场景渲染 Pass const renderPass = new RenderPass(scene, camera); composer.addPass(renderPass); // 光晕效果 Pass const bloomPass = new UnrealBloomPass( new THREE.Vector2(window.innerWidth, window.innerHeight), 1.5, // 强度 0.3, // 半径 0.25 // 阈值 ); composer.addPass(bloomPass);};// 更新粒子位置const updateParticles = () => { particles.children.forEach((particle) => { const { x, y, z } = particle.position; // 使用噪声来更新粒子的位置 particle.position.x += noise(x, time) * 3; // X particle.position.y += noise(y, time) * 3; // Y particle.position.z += noise(z, time) * 3; // Z }); time += 0.1; // 增加时间，控制噪声变化};// 动画循环const animate = () => { requestAnimationFrame(animate); updateParticles(); // 更新粒子的位置 // 渲染场景（使用后期处理） composer.render();};// 生命周期钩子onMounted(() => { initScene(); animate();});</script><style>.three-container { position: fixed; left: 0; right: 0; bottom: 0; top: 0; overflow: hidden;}</style>
上述代码中，Simplex Noise 通过 createNoise2D 生成的一个二维噪声生成器，作为驱动萤火虫位置变化的核心工具。它为每个粒子生成平滑且自然的随机运动，使粒子看起来像真实的萤火虫飞舞。
代码中的粒子更新函数：
particle.position.x += noise(x, time) * 3; // X
particle.position.y += noise(y, time) * 3; // Y
particle.position.z += noise(z, time) * 3; // Z
noise(x, time)：
生成一个基于粒子当前位置 x 和时间 time 的噪声值。
x 和 time 作为输入，确保噪声在空间和时间上的连续性。
「乘以一个因子」 3：
噪声的值通常在 [-1, 1]，通过乘以 3 将其映射到更大的运动幅度。
「时间」 time 「控制动态变化」：
时间的推进使得噪声生成的值不断变化，从而推动粒子的位置变化。
场景优化
为了让场景更加真实，我们可以给场景添加背景图片，模拟更好的夜晚效果
// 创建场景
scene = new THREE.Scene();
new THREE.CubeTextureLoader()
.setPath("/sky/") .load( [
"posx.jpg",
"negx.jpg",
"posy.jpg",
"negy.jpg",
"posz.jpg",
"negz.jpg", ], (texture) => { scene.background = texture; } );
注意，贴图需要自己准备
我们还可以添加轨道控制器，让场景支持旋转移动，以更丰富的视角观察萤火虫效果。
import { OrbitControls } from 'three/addons/controls/OrbitControls.js';
// 初始化 Three.js 场景
const initScene = () => {
// ....
// 添加相机控制器
const controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement);
controls.enabled = true; controls.update();
// 初始化后期处理 initPostProcessing();};
此外，我们也可以添加场景的尺寸动态变化、注销等等其他优化逻辑。
// 初始化 Three.js 场景
const initScene = () => {
// ...
// 处理窗口大小变化
window.addEventListener('resize', onWindowResize);};
// 窗口大小变化时更新渲染器和相机
const onWindowResize = () => {
camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight; camera.updateProjectionMatrix();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
composer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);};
// 销毁场景
const destroyScene = () => { cancelAnimationFrame(animationFrameId); composer.dispose(); renderer.dispose();
window.removeEventListener('resize', onWindowResize);};
onUnmounted(() => { destroyScene();});
<template>
<div ref="threeContainer" class="three-container"></div>
</template><script setup>import { ref, onMounted, onUnmounted } from 'vue';import * as THREE from 'three';import { createNoise2D } from 'simplex-noise';
import { OrbitControls } from 'three/addons/controls/OrbitControls.js';
import { EffectComposer } from 'three/addons/postprocessing/EffectComposer.js';
import { RenderPass } from 'three/addons/postprocessing/RenderPass.js';
import { UnrealBloomPass } from 'three/addons/postprocessing/UnrealBloomPass.js';// 设置引用和变量const threeContainer = ref(null); // 用于渲染的 DOM 容器let scene, camera, renderer, composer, particles, animationFrameId;const noise = createNoise2D(); // 使用 SimplexNoise 创建噪声生成器let time = 0; // 时间变量，用于驱动噪声的变化// 初始化 Three.js 场景const initScene = () => { // 创建场景 scene = new THREE.Scene(); // 创建摄像机 camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, window.innerWidth / window.innerHeight, 20, 1000); camera.position.set(0, 150, 500); // 设置相机位置 camera.lookAt(0, 0, 0); // 看向原点 // 创建渲染器 renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true }); renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight); renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio); threeContainer.value.appendChild(renderer.domElement); // 创建粒子系统（球体粒子） particles = new THREE.Group(); const particlesCount = 200; for (let i = 0; i < particlesCount; i++) { const geometry = new THREE.SphereGeometry(5, 5, 5); // 创建球体 const material = new THREE.MeshStandardMaterial({ emissive: new THREE.Color("#CCFF00"), // 自发光颜色 emissiveIntensity: 1.5, // 自发光强度 // color: new THREE.Color(Math.random(), Math.random(), Math.random()), // 随机颜色 }); const particle = new THREE.Mesh(geometry, material); particle.position.x = Math.random() * 1000 - 500; // X particle.position.y = Math.random() * 1000 - 500; // Y particle.position.z = Math.random() * 1000 - 500; // Z particles.add(particle); } scene.add(particles); // 添加光源 const ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xffffff, 0.5); scene.add(ambientLight); const pointLight = new THREE.PointLight(0xffffff, 1.5, 1000); pointLight.position.set(200, 300, 400); scene.add(pointLight); // 添加相机控制器 const controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement); controls.enabled = true; controls.update(); // 初始化后期处理 initPostProcessing(); // 处理窗口大小变化
window.addEventListener('resize', onWindowResize);};// 初始化后期处理const initPostProcessing = () => { composer = new EffectComposer(renderer); // 场景渲染 Pass const renderPass = new RenderPass(scene, camera); composer.addPass(renderPass); // 光晕效果 Pass const bloomPass = new UnrealBloomPass( new THREE.Vector2(window.innerWidth, window.innerHeight), 1.5, // 强度 0.3, // 半径 0.25 // 阈值 ); composer.addPass(bloomPass);};// 窗口大小变化时更新渲染器和相机const onWindowResize = () => { camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight; camera.updateProjectionMatrix(); renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight); composer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);};// 更新粒子位置const updateParticles = () => { particles.children.forEach((particle) => { const { x, y, z } = particle.position; // 使用噪声来更新粒子的位置 particle.position.x += noise(x, time) * 3; // X particle.position.y += noise(y, time) * 3; // Y particle.position.z += noise(z, time) * 3; // Z }); time += 0.1; // 增加时间，控制噪声变化};// 动画循环const animate = () => { animationFrameId = requestAnimationFrame(animate); updateParticles(); // 更新粒子的位置 // 渲染场景（使用后期处理） composer.render();};// 销毁场景const destroyScene = () => { cancelAnimationFrame(animationFrameId); composer.dispose(); renderer.dispose();
window.removeEventListener('resize', onWindowResize);};// 生命周期钩子onMounted(() => { initScene(); animate();});onUnmounted(() => { destroyScene();});</script><style>.three-container { position: fixed; left: 0; right: 0; bottom: 0; top: 0; overflow: hidden;}</style>
本文使用 Three.js 创建一个 3D 场景，生成粒子（代表萤火虫），并使用 AI 算法（如 Simplex Noise噪声算法）来模拟萤火虫的动态运动轨迹。
它的核心步骤如下：
「创建 3D 场景和渲染器」：通过 Three.js 创建了一个基本的场景和渲染器，摄像机的位置设置使其可以从远处观察场景中的粒子。
「生成粒子（萤火虫）」 ：使用 THREE.SphereGeometry 创建球体作为粒子，并设置自发光材质，模拟萤火虫的发光效果。
「后期处理（发光效果）」 ：利用 Three.js 的 EffectComposer 和 UnrealBloomPass 实现了萤火虫的光晕发光效果，使其看起来更自然。
「使用 AI（Simplex Noise）模拟萤火虫飞舞」：通过 simplex-noise 库生成的噪声数据，控制每个粒子的运动轨迹，产生平滑且自然的飞舞效果。
「场景优化」：添加了背景图片，模拟夜空效果；并通过 OrbitControls 实现了场景的交互式旋转和缩放。
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