Three.js ist eine beliebte JavaScript-Bibliothek zur Erstellung von 3D-Grafiken und -Animationen im Web. Es bietet eine Vielzahl von Funktionen und Tools, die es Entwicklern ermöglichen, beeindruckende 3D-Webanwendungen zu erstellen. Eines der mächtigsten Features von Three.js ist die Möglichkeit, benutzerdefinierte Shader-Programme zu verwenden, die in der OpenGL Shading Language (GLSL) geschrieben sind. In diesem Artikel werden wir uns genauer anschauen, wie Sie Shader-Programme in Three.js verwenden können, um beeindruckende visuelle Effekte in Ihren 3D-Szenen zu erzeugen.

Einführung in Shader-Programme und GLSL

Bevor wir in die Details der Verwendung von Shader-Programmen in Three.js eintauchen, werfen wir einen Blick auf die Grundlagen. Shader sind kleine Programme, die auf der GPU (Graphics Processing Unit) Ihrer Grafikkarte ausgeführt werden und die Berechnungen für die Darstellung von 3D-Grafiken durchführen. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil jeder 3D-Grafikpipeline.

Was ist GLSL?

Die OpenGL Shading Language (GLSL) ist eine spezielle Programmiersprache, die entwickelt wurde, um Shader-Programme zu schreiben. Sie ähnelt in vielerlei Hinsicht anderen Programmiersprachen, enthält jedoch spezifische Konstrukte und Funktionen, die für die Arbeit mit Grafikhardware optimiert sind. GLSL ermöglicht es Entwicklern, die Berechnungen zu steuern, die auf der GPU ausgeführt werden, und so die visuelle Darstellung von 3D-Szenen anzupassen.

Arten von Shadern

In Three.js gibt es zwei Hauptarten von Shadern:

Vertex Shader: Der Vertex Shader wird für jeden Vertex (Eckpunkt) eines 3D-Modells aufgerufen. Er wird verwendet, um Transformationen und Berechnungen auf den Vertex-Koordinaten durchzuführen. Dies ermöglicht beispielsweise die Verschiebung, Skalierung und Rotation von 3D-Objekten.

Fragment Shader: Der Fragment Shader wird für jeden Pixel aufgerufen, der auf den Bildschirm gerendert wird. Er beeinflusst die Farbe und das Aussehen jedes Pixels. Mit einem Fragment Shader können Sie Effekte wie Beleuchtung, Schatten, Texturierung und Farbänderungen erzeugen.

Warum Shader verwenden?

Die Verwendung von Shader-Programmen eröffnet eine Welt voller Möglichkeiten zur Verbesserung der visuellen Qualität Ihrer 3D-Szenen. Sie können realistische Beleuchtungseffekte erzeugen, Oberflächenmaterialien simulieren, Animationen erstellen und vieles mehr. Shader ermöglichen es Ihnen, die Leistung der GPU effizient zu nutzen und beeindruckende Grafiken in Echtzeit zu generieren.

Erstellen und Verwenden von Shader-Programmen in Three.js

In diesem Abschnitt werden wir uns darauf konzentrieren, wie Sie einen einfachen Shader in Three.js erstellen und verwenden können. Wir werden die Grundlagen des Schreibens von Vertex- und Fragment Shadern kennenlernen und sehen, wie sie in eine Three.js-Anwendung integriert werden können.

Schreiben eines einfachen Vertex Shaders

Ein Vertex Shader ist dafür verantwortlich, die Positionen der Eckpunkte (Vertices) eines 3D-Modells zu transformieren. Dies ermöglicht es uns, Objekte zu verschieben, drehen oder skalieren. Hier ist ein einfaches Beispiel für einen Vertex Shader in GLSL:

// Vertex Shader
void main() {
    // Die Position des Vertex transformieren
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
}

In diesem Shader wird die Position jedes Vertex mithilfe der Projektionsmatrix (projectionMatrix) und der Model-View-Matrix (modelViewMatrix) transformiert. Das Ergebnis wird in gl_Position gespeichert, das die Bildschirmposition des Vertex darstellt.

Schreiben eines einfachen Fragment Shaders

Ein Fragment Shader bestimmt die Farbe und das Aussehen jedes Pixels, das auf den Bildschirm gerendert wird. Hier ist ein einfaches Beispiel für einen Fragment Shader:

// Fragment Shader
void main() {
    // Setzen Sie die Farbe des Pixels auf Rot
    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}

In diesem Shader wird die Farbe jedes Pixels auf Rot gesetzt, indem ein vec4-Vektor mit den RGBA-Werten (Rot, Grün, Blau, Alpha) verwendet wird.

Shader-Material in Three.js erstellen

Um diese Shader in Three.js zu verwenden, müssen wir ein Shader-Material erstellen und ihm unsere Shader zuweisen. Hier ist ein Beispiel, wie das gemacht wird:

// Erstellen Sie einen Shader-Material
const material = new THREE.ShaderMaterial({
    vertexShader: document.getElementById( vertexShader ).textContent,
    fragmentShader: document.getElementById( fragmentShader ).textContent
});

// Erstellen Sie ein 3D-Objekt mit dem Shader-Material
const geometry = new THREE.BoxGeometry();
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);

In diesem Beispiel wird ein Shader-Material erstellt und ihm die zuvor definierten Vertex- und Fragment Shader zugewiesen. Dann wird ein einfaches 3D-Würfelobjekt erstellt und mit diesem Material versehen.

Daten an Shader übergeben und interaktive Effekte erstellen

In diesem Abschnitt werden wir lernen, wie wir Daten an Shader in Three.js übergeben können, um interaktive Effekte in unseren 3D-Szenen zu erstellen. Dies ermöglicht es, Parameter in Echtzeit zu ändern und die Darstellung von Objekten dynamisch anzupassen.

Uniform-Variablen in Shadern

In GLSL können Sie sogenannte "Uniform"-Variablen verwenden, um Daten von Ihrem JavaScript-Code an Ihre Shader zu übergeben. Uniforms sind konstante Variablen, die für alle Vertices bzw. Fragmente gleich sind. Hier ist ein Beispiel für das Definieren und Verwenden von Uniforms in einem Shader:

// Vertex Shader mit einem Uniform
uniform float time; // Zeitinformation

void main() {
    // Verwenden Sie die  time -Uniform, um eine Animation zu steuern
    float yOffset = sin(time) * 0.1; // Ändern Sie die Y-Position basierend auf der Zeit
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position.x, position.y   yOffset, position.z, 1.0);
}

In diesem Beispiel wird die time-Uniform verwendet, um die Y-Position der Vertices basierend auf der Zeit zu ändern. Diese Uniform kann von Ihrem JavaScript-Code aus aktualisiert werden, um eine kontinuierliche Animation zu erzeugen.

Übergeben von Daten an Shader in Three.js

Um Daten an einen Shader in Three.js zu übergeben, müssen Sie die uniforms-Eigenschaft Ihres Shader-Materials aktualisieren. Hier ist ein Beispiel, wie Sie die time-Uniform aus dem vorherigen Beispiel aktualisieren können:

// Erstellen Sie ein Shader-Material mit der  time -Uniform
const material = new THREE.ShaderMaterial({
    vertexShader: document.getElementById( vertexShader ).textContent,
    fragmentShader: document.getElementById( fragmentShader ).textContent,
    uniforms: {
        time: { value: 0.0 } // Initialer Wert der  time -Uniform
    }
});

// Erstellen Sie ein 3D-Objekt mit dem Shader-Material
const geometry = new THREE.BoxGeometry();
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);

// Aktualisieren Sie die  time -Uniform in jedem Frame
function animate() {
    // Berechnen Sie die neue Zeit und aktualisieren Sie die Uniform
    material.uniforms.time.value  = 0.01;
    renderer.render(scene, camera);
    requestAnimationFrame(animate);
}
animate();

In diesem Beispiel wird die time-Uniform auf einen initialen Wert von 0.0 gesetzt und dann in der animate-Funktion in jedem Frame aktualisiert. Dies führt zu einer kontinuierlichen Animation des 3D-Objekts.

Weitere Möglichkeiten der Datenübergabe

Neben Uniforms können Sie auch Attribute und Textur-Uniforms verwenden, um Daten an Shader zu übergeben. Attribute sind Werte, die pro Vertex variieren können, und Textur-Uniforms ermöglichen die Verwendung von Texturen in Shadern, um komplexe visuelle Effekte zu erzeugen.

Post-Processing und visuelle Effekte mit Shadern in Three.js

In diesem Abschnitt werden wir uns mit einer fortgeschrittenen Technik in Three.js befassen - dem Post-Processing mit Shadern. Das Post-Processing ermöglicht es, spezielle visuelle Effekte auf das gerenderte Bild anzuwenden, um die Gesamterscheinung Ihrer 3D-Szene zu optimieren.

Post-Processing und Framebuffer

Das Post-Processing in Three.js erfolgt, indem Sie einen zusätzlichen Rendering-Durchgang durchführen. Dieser Durchgang wird in einem sogenannten Framebuffer gerendert, der als Textur auf das ursprüngliche gerenderte Bild angewendet wird. Hier ist eine grobe Übersicht des Ablaufs:

- Rendern Sie Ihre 3D-Szene in den Hauptframebuffer, wie Sie es normalerweise tun würden.
- Kopieren Sie den Inhalt des Hauptframebuffers in einen zweiten Framebuffer.
- Wenden Sie auf den Inhalt des zweiten Framebuffers spezielle Post-Processing-Shaders an, um visuelle Effekte zu erzeugen.
- Rendern Sie den Inhalt des zweiten Framebuffers zurück auf den Hauptframebuffer.

Erstellen eines Post-Processing-Shaders

Um Post-Processing-Effekte in Three.js zu erstellen, schreiben Sie einen Fragment Shader, der auf den Inhalt des zweiten Framebuffers angewendet wird. Dieser Shader kann verschiedene Effekte erzeugen, wie beispielsweise Unschärfe, Farbveränderungen oder Bloom-Effekte.

Hier ist ein einfaches Beispiel für einen Post-Processing-Shader, der ein Bild vergrößert und dabei einen Unschärfeeffekt erzeugt:

// Post-Processing Fragment Shader
uniform sampler2D tDiffuse; // Textur des zweiten Framebuffers
uniform float uTime; // Zeit für Animationen

void main() {
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy / resolution.xy; // Bildkoordinaten normalisieren
    uv -= 0.5; // Zentrieren um den Bildmittelpunkt
    uv *= 1.5; // Vergrößern
    uv  = 0.5; // Zurückverschieben

    vec4 color = texture2D(tDiffuse, uv);
    gl_FragColor = color;
}

Einrichten des Post-Processing in Three.js

Um Post-Processing in Three.js zu verwenden, müssen Sie die EffectComposer-Klasse verwenden, die in der three/examples/jsm/postprocessing-Bibliothek enthalten ist. Hier ist eine grundlegende Anleitung zur Einrichtung des Post-Processing:

// Erstellen Sie eine Instanz des Haupt-Renderers
const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
// ...

// Erstellen Sie eine Instanz des EffectComposer
const composer = new THREE.EffectComposer(renderer);

// Fügen Sie den Haupt-Render-Pass hinzu
const renderPass = new THREE.RenderPass(scene, camera);
composer.addPass(renderPass);

// Erstellen Sie Ihren Post-Processing-Shader
const postProcessingShader = new THREE.ShaderPass(PostProcessingShader);
composer.addPass(postProcessingShader);

// Rendern Sie die Szene mit dem Composer statt dem Hauptrenderer
composer.render();

Fazit

Das Post-Processing mit Shadern in Three.js ermöglicht es Ihnen, spezielle visuelle Effekte hinzuzufügen und die Gesamterscheinung Ihrer 3D-Szene zu optimieren. Sie können kreative Effekte erstellen, die von Bloom bis hin zu Nachbearbeitungseffekten reichen.

Mit diesem Wissen können Sie komplexe 3D-Anwendungen entwickeln, die nicht nur visuell beeindruckend sind, sondern auch interaktive und immersive Erlebnisse bieten. Experimentieren Sie mit verschiedenen Shadern und Techniken, um Ihre 3D-Webanwendungen auf die nächste Stufe zu heben.

Ich hoffe, dieser Artikel hat Ihnen geholfen, die Verwendung von Shader-Programmen und GLSL in Three.js besser zu verstehen. Viel Spaß beim Entwickeln Ihrer eigenen beeindruckenden 3D-Webanwendungen!