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# 40| 实战（四）：如何实现3D地球可视化（上）？
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你好，我是月影。
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前几节课我们一起进行了简单图表和二维地图的实战，这节课，我们来实现更炫酷的3D地球可视化。
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3D地球可视化主要是以3D的方式呈现整个地球的模型，视觉上看起来更炫酷。它是可视化应用里常见的一种形式，通常用来实现全球地理信息相关的可视化应用，例如全球黑客攻防示意图、全球航班信息示意图以及全球贸易活动示意图等等。
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因为内容比较多，所以我会用两节课来讲解3D地球的实现效果。而且，由于我们的关注点在效果，因此为了简化实现过程和把重点聚焦在效果上，我就不刻意准备数据了，我们用一些随机数据来实现。不过，即使我们要实现的是包含真实数据的3D可视化应用项目，前面学过的数据处理方法仍然是适用的。这里，我就不多说了。
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在学习之前，你可以先看一下我们最终要实现的3D地球可视化效果，先有一个直观的印象。
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如上面动画图像所示，我们要做的3D可视化效果是一个悬浮于宇宙空间中的地球，它的背后是一些星空背景和浅色的光晕，并且地球在不停旋转的同时，会有一些不同的地点出现飞线动画。
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接下来，我们就来一步步实现这样的效果。
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## 如何实现一个3D地球
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第一步，我们自然是要实现一个旋转的地球。通过前面课程的学习，我们知道直接用SpriteJS的3D扩展就可以方便地绘制3D图形。这里，我们再系统地说一下实现的方法。
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### 1\. 绘制一个3D球体
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首先，我们加载SpriteJS和3D扩展，最简单的方式还是直接使用CDN上打包好的文件，代码如下：
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<script src="http://unpkg.com/spritejs/dist/spritejs.js"></script>
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<script src="http://unpkg.com/sprite-extend-3d/dist/sprite-extend-3d.js"></script>
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加载完成之后，我们创建场景对象，添加Layer，代码如下：
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const {Scene} = spritejs;
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const container = document.getElementById('container');
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const scene = new Scene({
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container,
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});
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const layer = scene.layer3d('fglayer', {
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alpha: false,
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camera: {
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fov: 35,
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pos: [0, 0, 5],
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},
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});
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与2D的Layer不同，SpriteJS的3D扩展创建的Layer需要设置相机。这里，我们设置了一个透视相机，视角为35度，位置为 0, 0, 5
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接着是创建WebGL的Program，我们通过Layer对象的createProgram来创建，代码如下：
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const {Sphere, shaders} = spritejs.ext3d;
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const program = layer.createProgram({
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...shaders.GEOMETRY,
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cullFace: null,
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});
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SpriteJS的3D扩展内置了一些常用的Shader，比如shaders.GEOMETRY 就是一个符合Phong反射模型的几何体Shader，所以这次，我们直接使用它。
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接着，我们创建一个球体，它在SpriteJS的3D扩展中对应Sphere对象。
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const globe = new Sphere(program, {
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colors: '#333',
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widthSegments: 64,
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heightSegments: 32,
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radius: 1,
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});
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layer.append(globe);
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我们给球体设置颜色、宽度、高度和半径这些默认的属性，然后将它添加到layer上，这样我们就能在画布上将这个球体显示出来了，效果如下所示。
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现在，我们只在画布上显示了一个灰色的球体，它和我们要实现的地球还相差甚远。别着急，我们一步一步来。
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### 2\. 绘制地图
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上节课，我们已经讲了绘制平面地图的方法，就是把表示地图的 JSON 数据利用墨卡托投影到平面上。接下来，我们也要先绘制一张平面地图，然后把它以纹理的方式添加到我们创建的3D球体上。
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不过，与平面地图采用墨卡托投影不同，作为纹理的球面地图需要采用**等角方位投影**(Equirectangular Projection)。d3-geo模块中同样支持这种投影方式，我们可以直接加载d3-geo模块，然后使用对应的代码来创建投影。
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从CDN加载d3-geo模块需要加载以下两个JS文件：
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<script src="https://d3js.org/d3-array.v2.min.js"></script>
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<script src="https://d3js.org/d3-geo.v2.min.js"></script>
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然后，我们创建对应的投影：
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const mapWidth = 960;
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const mapHeight = 480;
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const mapScale = 4;
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const projection = d3.geoEquirectangular();
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projection.scale(projection.scale() * mapScale).translate([mapWidth * mapScale * 0.5, (mapHeight + 2) * mapScale * 0.5]);
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这里，我们首先通过 d3.geoEquirectangular 方法来创建等角方位投影，再将它进行缩放。d3的地图投影默认宽高为960 \* 480，我们将投影缩放为4倍，也就是将地图绘制为 3480 \* 1920大小。这样一来，它就能在大屏上显示得更清晰。
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然后，我们通过tanslate将中心点调整到画布中心，因为JSON的地图数据的0,0点在画布正中心。仔细看我上面的代码，你会注意到我们在Y方向上多调整一个像素，这是因为原始数据坐标有一点偏差。
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通过我刚才说的这些步骤，我们就创建好了投影，接下来就可以开始绘制地图了。我们从topoJSON数据加载地图。
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async function loadMap(src = topojsonData, {strokeColor, fillColor} = {}) {
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const data = await (await fetch(src)).json();
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const countries = topojson.feature(data, data.objects.countries);
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const canvas = new OffscreenCanvas(mapScale * mapWidth, mapScale * mapHeight);
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const context = canvas.getContext('2d');
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context.imageSmoothingEnabled = false;
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return drawMap({context, countries, strokeColor, fillColor});
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}
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这里我们创建一个离屏Canvas，用加载的数据来绘制地图到离屏Canvas上，对应的绘制地图的逻辑如下：
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function drawMap({
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context,
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countries,
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strokeColor = '#666',
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fillColor = '#000',
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strokeWidth = 1.5,
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} = {}) {
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const path = d3.geoPath(projection).context(context);
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context.save();
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context.strokeStyle = strokeColor;
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context.lineWidth = strokeWidth;
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context.fillStyle = fillColor;
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context.beginPath();
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path(countries);
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context.fill();
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context.stroke();
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context.restore();
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return context.canvas;
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这样，我们就完成了地图加载和绘制的逻辑。当然，我们现在还看不到地图，因为我们只是将它绘制到了一个离屏的Canvas对象上，并没有将这个对象显示出来。
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### 3\. 将地图作为纹理
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要显示地图为3D地球，我们需要将刚刚绘制的地图作为纹理添加到之前绘制的球体上。之前我们绘制球体时，使用的是SpriteJS中默认的shader，它是符合Phong光照模型的几何材质的。因为考虑到地球有特殊光照，我们现在自己实现一组自定义的shader。
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const vertex = `
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precision highp float;
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precision highp int;
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attribute vec3 position;
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attribute vec3 normal;
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attribute vec4 color;
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attribute vec2 uv;
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uniform mat4 modelViewMatrix;
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uniform mat4 projectionMatrix;
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uniform mat3 normalMatrix;
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varying vec3 vNormal;
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varying vec2 vUv;
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varying vec4 vColor;
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uniform vec3 pointLightPosition; //点光源位置
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void main() {
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vNormal = normalize(normalMatrix * normal);
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vUv = uv;
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vColor = color;
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gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
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}
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`;
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const fragment = `
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precision highp float;
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precision highp int;
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varying vec3 vNormal;
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varying vec4 vColor;
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uniform sampler2D tMap;
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varying vec2 vUv;
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uniform vec2 uResolution;
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void main() {
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vec4 color = vColor;
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vec4 texColor = texture2D(tMap, vUv);
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vec2 st = gl_FragCoord.xy / uResolution;
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float alpha = texColor.a;
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color.rgb = mix(color.rgb, texColor.rgb, alpha);
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color.rgb = mix(texColor.rgb, color.rgb, clamp(color.a / max(0.0001, texColor.a), 0.0, 1.0));
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color.a = texColor.a + (1.0 - texColor.a) * color.a;
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float d = distance(st, vec2(0.5));
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gl_FragColor.rgb = color.rgb + 0.3 * pow((1.0 - d), 3.0);
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gl_FragColor.a = color.a;
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}
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`;
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```
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我们用上面的Shader来创建Program。这组Shader并不复杂，原理我们在视觉篇都已经解释过了。如果你觉得理解起来依然有困难，可以复习一下视觉篇的内容。接着，我们创建一个Texture对象，将它赋给Program对象，代码如下。
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```
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const texture = layer.createTexture({});
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const program = layer.createProgram({
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vertex,
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fragment,
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texture,
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cullFace: null,
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});
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```
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现在，画布上就显示出了一个中心有些亮光的球体。
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从中，我们还是看不出地球的样子。这是因为我们给的texture对象是一个空的纹理对象。接下来，我们只要执行loadMap方法，将地图加载出来，再添加给这个空的纹理对象，然后刷新画布就可以了。对应代码如下：
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```
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loadMap().then((map) => {
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texture.image = map;
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texture.needsUpdate = true;
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layer.forceUpdate();
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|
});
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```
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最终，我们就显示出了地球的样子。
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我们还可以给地球添加轨迹球控制，并让它自动旋转。在SpriteJS中非常简单，只需要一行代码即可完成。
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layer.setOrbit({autoRotate: true}); // 开启旋转控制
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```
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这样我们就得到一个自动旋转的地球效果了。
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## 如何实现星空背景
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不过，这个孤零零的地球悬浮在黑色背景的空间里，看起来不是很吸引人，所以我们可以给地球添加一些背景，比如星空，让它真正悬浮在群星闪耀的太空中。
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要实现星空的效果，第一步是要创建一个天空包围盒。天空包围盒也是一个球体（Sphere）对象，只不过它要比地球大很多，以此让摄像机处于整个球体内部。为了显示群星，天空包围盒有自己特殊的Shader。我们来看一下：
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const skyVertex = `
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precision highp float;
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precision highp int;
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attribute vec3 position;
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attribute vec3 normal;
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attribute vec2 uv;
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uniform mat3 normalMatrix;
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uniform mat4 modelViewMatrix;
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uniform mat4 projectionMatrix;
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varying vec2 vUv;
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void main() {
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vUv = uv;
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gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
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}
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`;
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const skyFragment = `
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|
precision highp float;
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|
|
precision highp int;
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varying vec2 vUv;
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highp float random(vec2 co)
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{
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highp float a = 12.9898;
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highp float b = 78.233;
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highp float c = 43758.5453;
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highp float dt= dot(co.xy ,vec2(a,b));
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highp float sn= mod(dt,3.14);
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return fract(sin(sn) * c);
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}
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// Value Noise by Inigo Quilez - iq/2013
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// https://www.shadertoy.com/view/lsf3WH
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highp float noise(vec2 st) {
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vec2 i = floor(st);
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vec2 f = fract(st);
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vec2 u = f * f * (3.0 - 2.0 * f);
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return mix( mix( random( i + vec2(0.0,0.0) ),
|
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|
|
random( i + vec2(1.0,0.0) ), u.x),
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|
|
mix( random( i + vec2(0.0,1.0) ),
|
|||
|
|
random( i + vec2(1.0,1.0) ), u.x), u.y);
|
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|
}
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void main() {
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gl_FragColor.rgb = vec3(1.0);
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gl_FragColor.a = step(0.93, noise(vUv * 6000.0));
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```
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上面的代码是天空包围盒的Shader，实际上它是我们使用二维噪声的技巧来实现的。在第16节课中也有过类似的做法，当时我们是用它来模拟水滴滚过的效果。
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但在这里，我们通过step函数和vUv的缩放，将它缩小之后，最终呈现出来星空效果。
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对应的创建天空盒子的JavaScript代码如下：
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```
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function createSky(layer, skyProgram) {
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skyProgram = skyProgram || layer.createProgram({
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vertex: skyVertex,
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|
fragment: skyFragment,
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transparent: true,
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cullFace: null,
|
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});
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const skyBox = new Sphere(skyProgram);
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skyBox.attributes.scale = 100;
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|
layer.append(skyBox);
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return skyBox;
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}
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createSky(layer);
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不过，光看这些代码，你可能还不能完全明白，为什么二维噪声技巧就能实现星空效果。那也不要紧，完整的示例代码在[GitHub仓库](https://github.com/akira-cn/graphics/tree/master/vis-geo-earth)中，最好的理解方式还是你自己试着手动修改一下skyFragment中的绘制参数，看看实现出来效果，你就能明白了。
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## 要点总结
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这节课，我们讲了实现3D地球可视化效果的方法，以及给3D地球添加天空背景的方法。
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要实现3D地球效果，我们可以使用SpriteJS和它的3D扩展库。首先，我们绘制一个3D球体。然后，我们用topoJSON数据绘制地图，注意地图的投影方式必须选择等角方位投影。最后，我们把地图作为纹理添加到3D球体上，这样就绘制出了3D地球。
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而要实现星空背景，我们需要创建一个天空盒子，它可以看成是一个放大很多倍的球体，包裹在地球的外面。具体的思路就是，我们创建一组特殊的Shader，通过二维噪声来实现星空的效果。
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说的这里，你可能会有一些疑问，我们为什么要用topoJSON数据来绘制地图，而不采用现成的等角方位投影的平面地图图片，直接用它来作为纹理，那样不是能够更快绘制出3D地球吗？的确，这样确实也能够更简单地绘制出3D地球，但这么做也有代价，就是我们没有地图数据就不能进一步实现交互效果了，比如说，点击某个地理区域实现当前国家地区的高亮效果了。
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那在下节课，我们就会进一步讲解怎么在3D地球上添加交互效果，以及根据地理位置来放置各种记号。你的疑问也都会一一解开。
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## 小试牛刀
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我们说，如果不考虑交互，可以直接使用更简单的等角方位投影地图作为纹理来直接绘制3D地球。你能试着在网上搜索类似的纹理图片来实现3D地球效果吗？
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另外，你可以找类似的其他行星的图片，比如火星、木星图片来实现3D火星、木星的效果吗？
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最后，你也可以想想，除了星空背景，如果我们还想在地球外部实现一层淡绿色的光晕，又该怎么做呢（提示：你可以使用距离场和颜色插值来实现）？
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今天的3D地球可视化实战就到这里了。欢迎把你实现的效果分享到留言区，我们一起交流。也欢迎把这节课转发出去，我们下节课见！
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## 源码
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[课程完整示例代码详](https://github.com/akira-cn/graphics/tree/master/vis-geo-earth)
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