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Three.js + AI：AI 算法生成 3D 萤火虫飞舞效果~

article 2024/11/22 7:28:14

AI 驱动 3D 动画

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。

前置知识及目标

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，控制萤火虫在 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

技术方案

项目及场景搭建

我们采用vite的vue脚手架搭建此项目，此处为语雀卡片，点击链接查看

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：

  1. 运动是平滑的：不能有突兀的跳跃和不规则的抖动。
  2. 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。
  3. 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();
});

可运行的完整代码

<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>

总结

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：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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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