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在现代前端开发中3D可视化已经成为提升用户体验的重要手段。然而许多开发者在实现复杂视觉效果时往往会首先想到使用Shader着色器。虽然Shader功能强大但学习曲线陡峭实现复杂度高。本文将介绍一种更简单高效的替代方案——顶点颜色Vertex Colors技术通过一个彩色二十面体的实现案例展示如何在不使用Shader的情况下创建令人惊艳的3D效果。下图里每个几何体有顶点着色的几何和显示框线的结合重叠而形成的视觉效果从左到右分别列举了三个插值方案方案1基于Y轴高度的HSL全色相变化从底部到顶部呈现彩虹色渐变图1方案2固定红色相饱和度随高度变化从灰到纯红图3方案3RGB渐变从底部的黄色渐变到顶部的红色图2本文参考了threejs官网给的下面例子
为什么选择顶点颜色而非Shader
Shader无疑是强大的工具可以实现几乎任何你能想象到的视觉效果。但对于许多常见的3D可视化需求来说Shader可能有些杀鸡用牛刀学习成本高GLSL语言和着色器管线对初学者不友好调试困难着色器错误往往难以定位和修复性能考量简单的顶点颜色渲染通常比复杂着色器更高效开发效率使用Three.js内置材质可以快速迭代在我们的案例中使用顶点颜色技术完全能够满足需求同时保持了代码的简洁性和可维护性。
实现彩色二十面体完整代码
让我们通过一个React Three Fiber实现的彩色二十面体组件来具体看看顶点颜色技术的应用。import { useRef } from react
import { useFrame } from react-three/fiber
import * as THREE from threetype IcosahedronProps {position: [number, number, number]colorScheme: 1 | 2 | 3
}const Icosahedron ({ position, colorScheme }: IcosahedronProps) {const meshRef useRefTHREE.Group(null)const radius 200useFrame(() {if (meshRef.current) {meshRef.current.rotation.y 0.005}})// 创建几何体和颜色const geometry new THREE.IcosahedronGeometry(radius, 1)const count geometry.attributes.position.countgeometry.setAttribute(color,new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(count * 3), 3),)const positions geometry.attributes.position as THREE.BufferAttributeconst colors geometry.attributes.color as THREE.BufferAttributeconst color new THREE.Color()for (let i 0; i count; i) {const y positions.getY(i)switch (colorScheme) {case 1: // 基于Y轴高度的HSL颜色color.setHSL((y / radius 1) / 2, 1.0, 0.5, THREE.SRGBColorSpace)breakcase 2: // 基于Y轴高度的HSL颜色固定色相color.setHSL(0, (y / radius 1) / 2, 0.5, THREE.SRGBColorSpace)breakcase 3: // 基于Y轴高度的RGB渐变color.setRGB(1, 0.8 - (y / radius 1) / 2, 0, THREE.SRGBColorSpace)break}colors.setXYZ(i, color.r, color.g, color.b)}return (group ref{meshRef} position{position}mesh geometry{geometry}meshPhongMaterialcolor{0xffffff}flatShadingvertexColorsshininess{0}//meshmesh geometry{geometry}meshBasicMaterialcolor{0x000000}wireframetransparentopacity{0.3}//mesh/group)
}export const ColorMap () {return (Icosahedron position{[-400, 0, 0]} colorScheme{1} /Icosahedron position{[0, 0, 0]} colorScheme{3} /Icosahedron position{[400, 0, 0]} colorScheme{2} //)
}我们定义了一个Icosahedron组件接受位置和颜色方案作为props。使用useRef来获取对3D对象的引用以便后续动画控制。
Icosahedron是什么
Icosahedron发音/ˌaɪkɒsəˈhiːdrən/ 或 /ˌaɪkoʊsəˈhiːdrən/是一个几何术语源自希腊语eíkosi (εἴκοσι) 20hédra (ἕδρα) 面或基面指正二十面体——一种由20个完全相同的正三角形面、30条边和12个顶点组成的柏拉图立体Platonic solid。每个顶点处有5个三角形面相交。对称性具有120°旋转对称性结构所有面、边、角均全等可视化类似足球的经典结构现代足球的拼合结构即源自截角二十面体
几何体创建与颜色设置代码解析核心部分在于如何为二十面体的每个顶点设置颜色const positions geometry.attributes.position as THREE.BufferAttribute
const colors geometry.attributes.color as THREE.BufferAttribute
const color new THREE.Color()for (let i 0; i count; i) {const y positions.getY(i)switch (colorScheme) {case 1: // 基于Y轴高度的HSL颜色color.setHSL((y / radius 1) / 2, 1.0, 0.5, THREE.SRGBColorSpace)breakcase 2: // 基于Y轴高度的HSL颜色固定色相color.setHSL(0, (y / radius 1) / 2, 0.5, THREE.SRGBColorSpace)breakcase 3: // 基于Y轴高度的RGB渐变color.setRGB(1, 0.8 - (y / radius 1) / 2, 0, THREE.SRGBColorSpace)break}colors.setXYZ(i, color.r, color.g, color.b)
}
这段代码做了以下几件事通过new THREE.IcosahedronGeometry(radius, 1)创建一个二十面体几何体为几何体添加颜色属性遍历所有顶点根据Y轴坐标和选定的颜色方案为每个顶点设置颜色三种颜色方案分别展示了不同的着色策略
1. 基本结构遍历几何体所有顶点的循环对每个顶点
获取顶点的Y坐标(positions.getY(i))根据colorScheme选择不同的颜色计算方式将计算好的颜色值设置到顶点颜色属性中(colors.setXYZ)
2. 核心变量
count: 几何体的顶点总数positions: 包含所有顶点位置数据的BufferAttributecolors: 用于存储顶点颜色数据的BufferAttributeradius: 几何体的半径(用于标准化Y坐标)color: THREE.Color对象用于临时存储计算的颜色值
3. 颜色方案解析方案1 (case 1): 基于Y轴高度的HSL颜色 color.setHSL((y / radius 1) / 2, 1.0, 0.5, THREE.SRGBColorSpace)color.setHSL((y / radius 1) / 2, 1.0, 0.5, THREE.SRGBColorSpace) 能实现彩虹渐变效果核心在于 HSL色彩模型的特性和Y坐标的映射关系。以下是逐层解析
1. HSL色彩模型基础HSL代表H (Hue)色相0~1循环红→黄→绿→青→蓝→紫→红S (Saturation)饱和度0灰色1纯色L (Lightness)亮度0黑0.5纯色1白代码中固定了饱和度 S1.0最鲜艳亮度 L0.5不偏白不偏黑
2. 关键公式(y / radius 1) / 2分步解析y / radius将顶点Y坐标归一化到 [-1, 1] 范围假设几何体中心在原点底部y ≈ -radius → 值接近 -1顶部y ≈ radius → 值接近 1 1将范围平移为 [0, 2]底部-1 1 0顶部1 1 2/ 2最终映射到 [0, 1] 的标准HSL色相范围底部0 / 2 0红色中部1 / 2 0.5青色顶部2 / 2 1循环回红色
3. 彩虹渐变的形成通过Y坐标与色相H的线性映射底部 (y-radius) → H0 → 红色中部偏下 (y≈-0.5radius) → H≈0.25 → 黄色中部 (y0) → H0.5 → 青色中部偏上 (y≈0.5radius) → H≈0.75 → 蓝色顶部 (yradius) → H1 → 红色循环由于色相H在HSL模型中是一个环形光谱红→黄→绿→青→蓝→紫→红这种映射自然形成了连续的彩虹色渐变。
4. 为什么不是从紫色到红色虽然H1理论上会回到红色但在实际渲染中顶部顶点通常不会恰好达到H1因浮点精度或几何体细分程度人眼对蓝-紫色的变化更敏感视觉上会感觉渐变完整方案2 (case 2): 基于Y轴高度的HSL颜色固定色相color.setHSL(0, (y / radius 1) / 2, 0.5, THREE.SRGBColorSpace)
固定色相H0红仅调整饱和度 → 红-灰渐变 方案3 (case 3): 基于Y轴高度的RGB渐变color.setRGB(1, 0.8 - (y / radius 1) / 2, 0, THREE.SRGBColorSpace)color.setRGB(1, 0.8 - (y / radius 1) / 2, 0, THREE.SRGBColorSpace) 能实现 从黄色到红色的渐变核心在于 RGB通道的数学关系和Y坐标的映射。以下是逐层解析
1. RGB颜色模型基础R (Red)红色分量0~1G (Green)绿色分量0~1B (Blue)蓝色分量0~1组合效果(1, 1, 0) 黄色红绿(1, 0, 0) 纯红色(1, 0.5, 0) 橙红色
2. 关键公式解析0.8 - (y / radius 1) / 2分步计算绿色分量Gy / radius将Y坐标归一化到 [-1, 1]几何体中心在原点时底部y ≈ -radius → 值接近 -1顶部y ≈ radius → 值接近 1 1平移范围到 [0, 2]底部-1 1 0顶部1 1 2/ 2压缩到 [0, 1]底部0 / 2 0顶部2 / 2 10.8 - ...反转并偏移计算结果底部0.8 - 0 0.8顶部0.8 - 1 -0.2实际会被限制为0
3. 颜色渐变过程Y坐标位置绿色分量 (G) 计算RGB值颜色表现底部 (y-radius)0.8 - (0)/2 0.8(1, 0.8, 0)亮黄色中部偏下0.8 - (0.5)/2 0.55(1, 0.55, 0)橙黄色中部 (y0)0.8 - (1)/2 0.3(1, 0.3, 0)橙红色顶部 (yradius)0.8 - (2)/2 -0.2 → 0(1, 0, 0)纯红色
4. 为什么是黄→红底部黄色R1最大红 G0.8高绿 B0 → 接近纯黄过渡阶段绿色分量从0.8线性减少 → 颜色逐渐偏向红色顶部红色G被限制为0 → 仅剩R1 → 纯红
5. 设计巧思固定R1保持红色主导避免颜色跳跃G的递减公式通过Y坐标控制绿色衰减速度B0完全禁用蓝色通道确保暖色渐变0.8的偏移量避免底部颜色过暗若用1 - (y/radius1)/2底部G1顶部G0效果类似
对比其他方案HSL方案通过色相H变化实现彩虹渐变此RGB方案通过固定R、衰减G实现暖色系线性过渡更适合需要单一色调渐变的场景如温度可视化、危险等级提示等。这种设计以极简的数学映射实现了符合直觉的颜色过渡效果。
4. 数学关系可视化对于Y坐标从-bottom到top的变化方案底部颜色(y-radius)顶部颜色(yradius)渐变方向1色相0(红)色相1(回到红)彩虹色2饱和度0(灰)饱和度1(纯红)红渐变3RGB(1,0.8,0)黄RGB(1,0,0)红黄到红5. 实际应用这种技术常用于可视化高度数据创建彩色3D地形调试3D模型(查看顶点分布)艺术化渲染效果渲染与动画
return (group ref{meshRef} position{position}mesh geometry{geometry}meshPhongMaterialcolor{0xffffff}flatShadingvertexColorsshininess{0}//meshmesh geometry{geometry}meshBasicMaterialcolor{0x000000}wireframetransparentopacity{0.3}//mesh/group
)
我们使用两个网格叠加的方式实现最终效果第一个使用meshPhongMaterial并启用vertexColors显示彩色表面第二个使用meshBasicMaterial的线框模式添加轮廓增强立体感无边框的效果有边框的效果
动画通过useFrame钩子实现简单旋转
useFrame(() {if (meshRef.current) {meshRef.current.rotation.y 0.005}
})改变颜色插值取值
上面我们使用了模型的坐标Y值进行了从下到上的颜色插值。本质上是根据顶点的某个信息的值在一个区间内映射得到的值进行颜色插值。
根据坐标的X值在[-radius,radius]进行插值
for (let i 0; i count; i) {const y positions.getX(i)switch (colorScheme) {case 1: // 基于Y轴高度的HSL颜色color.setHSL((y / radius 1) / 2, 1.0, 0.5, THREE.SRGBColorSpace)breakcase 2: // 基于Y轴高度的HSL颜色固定色相color.setHSL(0, (y / radius 1) / 2, 0.5, THREE.SRGBColorSpace)breakcase 3: // 基于Y轴高度的RGB渐变color.setRGB(1, 0.8 - (y / radius 1) / 2, 0, THREE.SRGBColorSpace)break}colors.setXYZ(i, color.r, color.g, color.b)}根据坐标的z值进行插值for (let i 0; i count; i) {const y positions.getZ(i)switch (colorScheme) {case 1: // 基于Y轴高度的HSL颜色color.setHSL((y / radius 1) / 2, 1.0, 0.5, THREE.SRGBColorSpace)breakcase 2: // 基于Y轴高度的HSL颜色固定色相color.setHSL(0, (y / radius 1) / 2, 0.5, THREE.SRGBColorSpace)breakcase 3: // 基于Y轴高度的RGB渐变color.setRGB(1, 0.8 - (y / radius 1) / 2, 0, THREE.SRGBColorSpace)break}colors.setXYZ(i, color.r, color.g, color.b)}
由于threejs是默认z轴是从里到外的可以看到屏幕最近的颜色是颜色插值的最大值
如何确定某个顶点的颜色首先确定要映射的颜色区间。然后要考虑用顶点的什么属性值参与映射比如像CAE仿真中后处理结果中模拟温度的颜色就取顶点对应的温度值在温度的上下限中的[01]标准化区间的值在结合上面所的比如彩虹映射得到该顶点的颜色值
性能优势
顶点颜色技术的主要性能优势在于减少绘制调用所有颜色信息已经包含在顶点数据中无需额外纹理或uniformGPU友好颜色计算在初始化时完成渲染时直接使用预计算数据内存高效相比纹理贴图顶点颜色占用内存更少对于需要渲染大量相似对象的场景如科学可视化、地图标记等这种技术可以显著提升性能。
适用场景顶点颜色技术特别适合以下场景
数据可视化热力图、高度图等简单的颜色渐变效果需要高性能的移动端3D应用快速原型开发避免复杂着色器编写
总结
通过这个彩色二十面体的实现我们展示了顶点颜色技术在3D可视化中的强大能力。相比Shader方案这种方法更易于理解和实现调试和维护更简单性能表现优异足够满足许多常见可视化需求当你的项目不需要Shader提供的极端灵活性时考虑使用顶点颜色技术可能会带来更好的开发体验和性能表现。Three.js和React Three Fiber提供的丰富API使得这种实现方式既简单又强大是前端开发者进入3D可视化世界的理想起点。下次当你面临3D可视化需求时不妨先问问自己我真的需要Shader吗也许顶点颜色就能完美解决问题
