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电影动画shader解析与实现

news 2025/6/27 15:04:13

着色器代码解析

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开发领域：前端开发 | AI 应用 | Web3D | 元宇宙
技术栈：JavaScript、React、ThreeJs、WebGL、Go
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开源项目：AI智简未来、晓智元宇宙、数字孪生引擎源码地址

提供的 GLSL 着色器代码通过光线行进算法（Ray Marching）生成一个动态的三维场景。以下是代码的核心功能概述：

1. 平滑联合（Smooth Union）

opSmoothUnion 函数用于平滑地融合两个几何体，使它们看起来像一个整体。
公式如下：

float opSmoothUnion( float d1, float d2, float k ) {float h = clamp( 0.5 + 0.5*(d2-d1)/k, 0.0, 1.0 );return mix( d2, d1, h ) - k*h*(1.0-h);
}

其中：

d1 和 𝑑2 表示两个几何体的距离场值。
k：控制平滑程度的参数。
mix 函数用于插值，clamp 函数限制范围。

2. 符号距离函数（SDF）

sdSphere 函数定义了一个点到球体表面的距离：

float sdSphere( vec3 p, float s ) {return length(p) - s;
}

输入 p 是点的三维坐标，s 是球体的半径。
返回值为点到球表面的最短距离。

3. 场景组合

map 函数动态地组合多个球体，通过时间参数让它们产生动画：

float map(vec3 p) {float d = 2.0;for (int i = 0; i < 16; i++) {float fi = float(i);float time = iTime * (fract(fi * 412.531 + 0.513) - 0.5) * 2.0;d = opSmoothUnion(sdSphere(p + sin(time + fi * vec3(52.5126, 64.62744, 632.25)) * vec3(2.0, 2.0, 0.8),mix(0.5, 1.0, fract(fi * 412.531 + 0.5124))),d,0.4);}return d;
}

通过循环，生成 16 个动态移动的球体，并用 opSmoothUnion 进行平滑组合。
球体的位置随时间（iTime）变化，实现动画效果。

4. 光线行进

在 mainImage 中实现了光线行进算法，通过迭代寻找光线与几何体的交点：

vec3 rayOri = vec3(...); // 光线起点
vec3 rayDir = vec3(0.0, 0.0, -1.0); // 光线方向
for (int i = 0; i < 64; i++) {  p = rayOri + rayDir * depth;  float dist = map(p);  depth += dist;  if (dist < 1e-6) break;  
}

depth 表示光线当前行进的深度。
map§ 计算光线与场景的最近距离。

完整代码

import * as THREE from 'three';
import React, { useEffect, useRef } from 'react';const CineShader: React.FC = () => {const cineShaderRef = useRef<any>();useEffect(() => {// 初始化场景、相机和渲染器const scene = new THREE.Scene();const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75,window.innerWidth / window.innerHeight,0.1,1000,);const renderer = new THREE.WebGLRenderer();renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);document.body.appendChild(renderer.domElement);// 设置相机位置camera.position.z = 5;// 创建自定义 ShaderMaterialconst shaderMaterial = new THREE.ShaderMaterial({uniforms: {iResolution: {value: new THREE.Vector2(window.innerWidth, window.innerHeight),},iTime: { value: 0.0 },},vertexShader: `varying vec2 vUv;void main() {vUv = uv;gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);}`,fragmentShader: `uniform vec2 iResolution;uniform float iTime;varying vec2 vUv;// 平滑联合float opSmoothUnion(float d1, float d2, float k) {float h = clamp(0.5 + 0.5 * (d2 - d1) / k, 0.0, 1.0);return mix(d2, d1, h) - k * h * (1.0 - h);}// 球体 SDFfloat sdSphere(vec3 p, float s) {return length(p) - s;}// 场景组合float map(vec3 p) {float d = 2.0;for (int i = 0; i < 16; i++) {float fi = float(i);float time = iTime * (fract(fi * 412.531 + 0.513) - 0.5) * 2.0;d = opSmoothUnion(sdSphere(p + sin(time + fi * vec3(52.5126, 64.62744, 632.25)) * vec3(2.0, 2.0, 0.8), mix(0.5, 1.0, fract(fi * 412.531 + 0.5124))),d,0.4);}return d;}// 计算法线vec3 calcNormal(vec3 p) {const float h = 1e-5;const vec2 k = vec2(1, -1);return normalize(k.xyy * map(p + k.xyy * h) +k.yyx * map(p + k.yyx * h) +k.yxy * map(p + k.yxy * h) +k.xxx * map(p + k.xxx * h));}void main() {vec2 uv = gl_FragCoord.xy / iResolution;uv = uv * 2.0 - 1.0; // 将坐标转换为 [-1, 1]// 设置光线起点和方向vec3 rayOri = vec3(uv * vec2(iResolution.x / iResolution.y, 1.0) * 6.0, 3.0);vec3 rayDir = vec3(0.0, 0.0, -1.0);// 光线行进float depth = 0.0;vec3 p;for (int i = 0; i < 64; i++) {p = rayOri + rayDir * depth;float dist = map(p);depth += dist;if (dist < 1e-6) {break;}}depth = min(6.0, depth); // 限制最大深度// 计算颜色vec3 n = calcNormal(p);float b = max(0.0, dot(n, vec3(0.577))); // 简单光照vec3 col = (0.5 + 0.5 * cos((b + iTime * 3.0) + uv.xyx * 2.0 + vec3(0, 2, 4))) * (0.85 + b * 0.35);col *= exp(-depth * 0.15); // 添加深度雾效gl_FragColor = vec4(col, 1.0);}`,});// 创建平面并添加到场景const geometry = new THREE.PlaneGeometry(window.innerWidth, window.innerHeight);const plane = new THREE.Mesh(geometry, shaderMaterial);scene.add(plane);// 动画渲染循环function animate() {requestAnimationFrame(animate);// 更新时间shaderMaterial.uniforms.iTime.value += 0.1;renderer.render(scene, camera);}animate();// 响应窗口大小调整window.addEventListener('resize', () => {renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);shaderMaterial.uniforms.iResolution.value.set(window.innerWidth,window.innerHeight,);camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;camera.updateProjectionMatrix();});}, []);return <div ref={cineShaderRef}/>;
};export default CineShader;