threejs三维地图大屏项目分享
这是最近公司的一个项目。客户的需求是基于总公司和子公司的数据，开发一个数据展示大屏。 大屏两边都是一些图表展示数据，中间部分是一个三维中国地图，点击中国地图的某个省份，可以下钻到省份地图的展示。 地图上，会做一些数据的标注，信息标牌。 如下图所示：
本文将对一些技术原理进行分享。
2d图表
2d图表部分，主要通过echart图表进行开发，另外还会涉及到一些icon 文字的展示。 这个部分相信大部分前端人员都知道如何进行开发，可能需要的就是开发人员对于颜色，字体等有较好的敏感性，可以最大程度还原设计搞。
鉴于大家都比较熟知，不再详细说明。
三维地图的展示
对于中间的三维地图部分。 我们一般有几种方式来实现。
- 建模人员对地图部分进行建模
- 通过json数据生成三维模型
- 通过svg图片生产三维模型。
其中方式1能达到最好的效果，毕竟手动建模了，需要的效果都可以通过建模师智慧的双手进行调整。但是工作量相对来说较大，需要建立中国地图和各个省份的地图。 所以我们最终放弃了建模的这种思路。
通过json数据生成三维地图
首先要获取json数据。
通过datav可以获取中国地图的json数据，参考如下连接
http://datav.aliyun.com/portal/school/atlas/area_selector
获取数据之后，通过解析json数据，然后通过threejs的ExtrudeGeometry生成地图模型。代码如下所示：
let jsonData = await (await fetch(jsonUrl)).json();
// console.log(jsonData);
let map = new dt.Group();
if (type && type === "world") {
jsonData.features = jsonData.features.filter(
(ele) => ele.properties.name === "China"
);
}
jsonData.features.forEach((elem, index) => {
if (filter && filter(elem) == false) {
return;
}
if (!elem.properties.name) {
return;
}
// 定一个省份3D对象
const province = new dt.Group();
// 每个的 坐标 数组
const coordinates = elem.geometry.coordinates;
const color = COLOR_ARR[index % COLOR_ARR.length];
// 循环坐标数组
coordinates.forEach((multiPolygon, index) => {
if (elem.properties.name == "海南省" && index > 0) {
return;
}
if (elem.properties.name == "台湾省" && index > 0) {
return;
}
if (elem.properties.name == "广东省" && index > 0) {
return;
}
multiPolygon.forEach((polygon) => {
const shape = new dt.Shape();
let positions = [];
for (let i = 0; i < polygon.length; i++) {
let [x, y] = projection(polygon[i]);
if (i === 0) {
shape.moveTo(x, -y);
}
shape.lineTo(x, -y);
positions.push(x, -y, 4);
}
const lineMaterial = new dt.LineBasicMaterial({
color: "white",
});
const lineGeometry = new dt.LineXGeometry();
// let attribute = new dt.BufferAttribute(new Float32Array(positions), 3);
// lineGeometry.setAttribute("position", attribute);
lineGeometry.setPositions(positions);
const extrudeSettings = {
depth: 4,
bevelEnabled: false,
bevelSegments: 5,
bevelThickness: 0.1,
};
const geometry = new dt.ExtrudeGeometry(shape, extrudeSettings);
// console.log("geometyr", geometry);
const material = new dt.StandardMaterial({
metalness: 1,
// color: color,
map: texture,
transparent: true,
});
let material1 = new dt.StandardMaterial({
// polygonOffset: true,
// polygonOffsetFactor: 1,
// polygonOffsetUnits: 1,
metalness: 1,
roughness: 1,
color: color, //"#3abcbd",
});
material1 = createSideShaderMaterial(material1);
const mesh = new dt.Mesh(geometry, [material, material1]);
if (index % 2 === 0) {
// mesh.scale.set(1, 1, 1.2);
}
mesh.castShadow = true;
mesh.receiveShadow = true;
mesh._color = color;
mesh.properties = elem.properties;
if (!type) {
province.add(mesh);
}
const matLine = new dt.LineXMaterial({
polygonOffset: true,
polygonOffsetFactor: -1,
polygonOffsetUnits: -1,
color: type === "world" ? "#00BBF4" : 0xffffff,
linewidth: type === "world" ? 3.0 : 0.25, // in pixels
vertexColors: false,
dashed: false,
});
matLine.resolution.set(graph.width, graph.height);
line = new dt.LineX(lineGeometry, matLine);
line.computeLineDistances();
province.add(line);
});
});
// 将geo的属性放到省份模型中
province.properties = elem.properties;
if (elem.properties.centorid) {
const [x, y] = projection(elem.properties.centorid);
province.properties._centroid = [x, y];
}
map.add(province);
中国地图的json数据，实际包括的是每个省份的数据。
上述代码生成中国地图以及省之间的轮廓线。
其中projection 是投影函数，转换经纬度坐标未平面坐标，用的是d3这个库：
const projection = d3
.geoMercator()
.center([104.0, 37.5])
.scale(80)
.translate([0, 0]);
按照设计稿，还需生成整个中国地图的外轮廓。这种情况下，我们先获取world.json，然后只获取中国的部分，通过这个部分来生成轮廓线。
最终效果如下：
可以看出，通过json的方式生产地图，世界地图的json数据和中国地图的json数据，边缘的贴合度并不高，因此外边缘轮廓和地图块不能很好的融合在一块。
基于此，需要找新的方案。
通过svg数据生成三维地图
由于有设计师提供设计稿，所以设计师肯定可以提供中国地图的轮廓数据，以及内部的每个省份的轮廓数据。拿到设计的svg后，对svg路径进行解析，然后通过ExtrudeGeometry生成地图块对下，通过line生成轮廓线。
let childNodes = svg.childNodes;
childNodes.forEach((child) => {
readSVGPath(child, graph, group);
});
if (svg.tagName == "path") {
const shape = getShapeBySvg(svg);
// let shape = $d3g.transformSVGPath(pathStr);
const extrudeSettings = {
depth: 15,
bevelEnabled: false,
bevelSegments: 5,
bevelThickness: 0.1,
};
const color = COLOR_ARR[parseInt(Math.random() * 3) % COLOR_ARR.length];
const geometry = new dt.ExtrudeGeometry(shape, extrudeSettings);
let center = new dt.Vec3();
// console.log(geometry.getBoundingBox().getCenter(center));
// geometry.translate(-center.x, -center.y, -center.z);
geometry.scale(1, -1, -1);
geometry.computeVertexNormals();
// console.log("geometry", geometry);
const material = new dt.StandardMaterial({
metalness: 1,
// color: color,
// visible: false,
map: window.texture,
});
let material1 = new dt.StandardMaterial({
polygonOffset: true,
polygonOffsetFactor: 1,
polygonOffsetUnits: 1,
metalness: 1,
roughness: 1,
color: color, //"#3abcbd",
});
material1 = createSideShaderMaterial(material1);
const mesh = new dt.Mesh(geometry, [material, material1]);
group.add(mesh);
其中解析svg路径的代码如下：
function getShapeBySvg(svg) {
let pathStr = svg.getAttribute("d");
let province = svg.getAttribute("province");
let commonds = new svgpathdata.SVGPathData(pathStr).commands;
const shape = new dt.Shape();
let lastC, cmd, c;
for (let i = 0; i < commonds.length; i++) {
cmd = commonds[i];
let relative = cmd.relative;
if (relative) {
c = copy(cmd);
let x = cmd.x || 0;
let y = cmd.y || 0;
let lx = lastC.x || 0;
let ly = lastC.y || 0;
c.x = x + lx;
c.y = y + ly;
c.x1 = c.x1 + lx;
c.x2 = c.x2 + lx;
c.y1 = c.y1 + ly;
c.y2 = c.y2 + ly;
} else {
c = cmd;
}
if (lastC) {
let lx = lastC.x,
ly = lastC.y;
if (
Math.hypot(lx - c.x, ly - c.y) < 0.2 &&
province == "内蒙" &&
[16, 32, 128, 64, 512, 4, 8].includes(c.type)
) {
console.log(c.type);
continue;
}
}
if (c.type == 2) {
shape.moveTo(c.x, c.y);
} else if (c.type == 16) {
shape.lineTo(c.x, c.y);
} else if (c.type == 32) {
shape.bezierCurveTo(c.x1, c.y1, c.x2, c.y2, c.x, c.y);
// shape.lineTo(c.x, c.y);
} else if (c.type == 128 || c.type == 64) {
shape.quadraticCurveTo(c.x1 || c.x2, c.y1 || c.y2, c.x, c.y);
// shape.lineTo(c.x, c.y);
} else if (c.type == 512) {
// shape.absellipse(c.x, c.y, c.rX, c.rY, 0, Math.PI * 2, true);
shape.lineTo(c.x, c.y);
} else if (c.type == 4) {
c.y = lastC.y;
shape.lineTo(c.x, lastC.y);
} else if (c.type == 8) {
c.x = lastC.x;
shape.lineTo(lastC.x, c.y);
} else if (c.type == 1) {
// shape.closePath();
} else {
// console.log(c);
}
lastC = c;
}
return shape;
}
其中里面涉及到相对定位的概念，一个cmd的坐标是相对于上一个坐标的，而不是绝对定位。这就需要我们在解析的时候，通过累加的方式获取绝对定位坐标。
另外cmd的type主要包括:
// ARC: 512
// CLOSE_PATH: 1
// CURVE_TO: 32
// DRAWING_COMMANDS: 1020
// HORIZ_LINE_TO: 4
// LINE_COMMANDS: 28
// LINE_TO: 16
// MOVE_TO: 2
// QUAD_TO: 128
// SMOOTH_CURVE_TO: 64
// SMOOTH_QUAD_TO: 256
// VERT_LINE_TO: 8
通过Shape的moveTo，lineTo，bezierCurveTo，quadraticCurveTo等等与之对应。
最终效果如下图：
可以看出轮廓线更加圆滑，外轮廓和地图块的贴合度更高。
这是我们项目最终采用的技术方案。
侧边渐变效果
上述两种方案的效果图，可以看出侧边地图的侧面都有渐变效果，这种是通过定制threejs的材质的shader来实现的。大致代码如下：
function createSideShaderMaterial(material) {
material.onBeforeCompile = function (shader, renderer) {
// console.log(shader.fragmentShader);
shader.vertexShader = shader.vertexShader.replace(
"void main() {",
"varying vec4 vPosition;\nvoid main() {"
);
shader.vertexShader = shader.vertexShader.replace(
"#include <fog_vertex>",
"#include <fog_vertex>\nvPosition=modelMatrix * vec4( transformed, 1.0 );"
);
shader.fragmentShader = shader.fragmentShader.replace(
"void main() {",
"varying vec4 vPosition;\nvoid main() {"
);
shader.fragmentShader = shader.fragmentShader.replace(
"#include <transmissionmap_fragment>",
`
#include <transmissionmap_fragment>
float z = vPosition.z;
float s = step(2.0,z);
vec3 bottomColor = vec3(.0,1.,1.0);
diffuseColor.rgb = mix(bottomColor,diffuseColor.rgb,s);
// float r = abs( 1.0 * (1.0 - s) + z * (0.0 - s * 1.0) + s * 4.0) ;
float r = abs(z * (1.0 - s * 2.0) + s * 4.0) ;
diffuseColor.rgb *= pow(r, 0.5 + 2.0 * s);
// float c =
`
);
};
return material;
}
通过material.onBeforeCompile方法实现材质的动态更改，然后通过z坐标的高度进行颜色的渐变差值运算。
三维地图的贴图
上面实现的效果，都是简单的颜色。没有贴图效果，而设计师提供的原型是有渐变效果的：
这需要我们的贴图来进行解决。 但是贴图并不简单，涉及到uv的offset和repeat的计算。 通过计算整个中国地图的boundingbox，通过bongdingbox的size 和min 值来设置uv 的offset和repeat，可以很好的对其贴图和模型，如下代码：
let box = new dt.Box3();
box.setFromObject(map);
et size = new dt.Vec3(),
center = new dt.Vec3();
console.log(box.getSize(size));
console.log(box.getCenter(center));
console.log(box);
texture.repeat.set(1 / size.x, 1 / size.y);
texture.offset.set(box.min.x / size.x, box.min.y / size.y);
通过这种方式，贴图可以很好的和模型对齐，最终效果和设计稿差别很小。
三维地图icon标注定位
图片上的图标定位数据是经纬度，所以需要把定位度转换为三维中的坐标。此处使用的是双线性差值。先获取模型左上，右上，左下，右下四个点的经纬度坐标和三维坐标，然后通过双线性差值，结合某个特定点的经纬度值 计算出三维坐标。 这种方式肯定不是最精确的，却是最简单的。如果对于定位的精确性要求不高，可以采用这种方式。
icon动画（APNG）
icon的动画是通过apng的图片实现的。 解析apng的每一帧，然后绘制到canvas上面，作为sprite的贴图，并不断刷新贴图的内容，实现了动效效果。 有关apng的解析，网上有开源的JavaScript的解析包。读者可以自行进行研究，下面是一个参考链接：
https://github.com/movableink/three-gif-loader
其他
其他方面包括
- 点击省份下钻 技术实现就是隐藏其他省份模型，显示当前省份模型，并加载当前省份的点位数据。技术思路比较简单。
- 鼠标悬浮显示名称等信息 通过div实现信息标签，通过三维坐标转平面坐标的投影算法,计算标签位置,代码如下：
getViewPosition(vector) {
this.camera.updateMatrixWorld();
var ret = new Vec3();
// ret = this.projector.projectVector(vector, this._camera, ret);
ret = vector.project(this.camera);
ret.x = ret.x / 2 + 0.5;
ret.y = -ret.y / 2 + 0.5;
var point = {
x: (this._canvas.width * ret.x) / this._pixelRatio,
y: (this._canvas.height * ret.y) / this._pixelRatio,
h: this._canvas.height,
};
return point;
}
总结
上面分享的三维地图大屏。涉及到的技术点并不少，包括主要如下技术点：
- echart使用
- json解析生成地图projection投影
- svg 解析生成三维地图模型
- 动态材质修改
- 贴图的offset和repeat算法等
- 经纬度定位，双线性差值
- 三维的三维坐标转平面坐标的投影算法
最终多个技术的融合，做出了文章开头的效果。
其中比较难的是中间三维地图的生成和效果优化方案，如果有类似需求的读者可以参考。
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