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用 Three.js 和 AudioContext 实现音乐频谱的 3D 可视化

2021-11-29 23:18神光的编程秘籍神说要有光zxg 编程技术

本文我们既学了 AudioContext 获取音频频谱数据,又学了用 Three.js 做 3D 的绘制,数据和绘制的结合,这就是可视化做的事情:通过一种合适的显示方式,更好的展示数据

用 Three.js 和 AudioContext 实现音乐频谱的 3D 可视化

最近听了一首很好听的歌《一路生花》,于是就想用 Three.js 做个音乐频谱的可视化,最终效果是这样的:

用 Three.js 和 AudioContext 实现音乐频谱的 3D 可视化

代码地址在这里:https://‍github.com/Quark‍GluonPlasma/threejs-exercize

这个效果的实现能学到两方面的内容:

  • AudioContext 对音频解码和各种处理
  • Three.js 的 3d 场景绘制

那还等什么,我们开始吧。

思路分析

要做音乐频谱可视化,首先要获取频谱数据,这个用 AudioContext 的 api。

AudioContext 的 api 可以对音频解码并对它做一系列处理,每一个处理步骤叫做一个 Node。

我们这里需要解码之后用 analyser 来拿到频谱数据,然后传递给 audioContext 做播放。所以有三个处理节点:Source、Analyser、Destination

  1. context audioCtx = new AudioContext();
  2. const source = audioCtx.createBufferSource();
  3. const analyser = audioCtx.createAnalyser();
  4. audioCtx.decodeAudioData(音频二进制数据, function(decodedData) {
  5. source.buffer = decodedData;
  6. source.connect(analyser);
  7. analyser.connect(audioCtx.destination);
  8. });

先对音频解码,创建 BufferSource 的节点来保存解码后的数据,然后传入 Analyser 获取频谱数据,最后传递给 Destination 来播放。

调用 source.start() 开始传递音频数据,这样 analyser 就能够拿到音乐频谱的数据了,Destination 也能正常的播放。

analyser 拿到音频频谱数据的 api 是这样的:

  1. const frequencyData = new Uint8Array(analyser.frequencyBinCount);
  2. analyser.getByteFrequencyData(frequencyData);

每一次能拿到的 frequencyData 有 1024 个元素,可以按 50 个分为一份,算下平均值,这样只会有 1024/50 = 21 个频谱单元数据。

之后就可以用 Three.js 把这些频谱数据画出来了。

21 个数值,可以绘制成 21 个 立方体 BoxGeometry,材质的话,用 MeshPhongMaterial(因为这个反光的计算方式是一个姓冯的人提出来的,所以叫 Phong),它的特点是表面可以反光,如果用 MeshBasicMaterial,是不反光的。

之后加入花瓣雨效果,这个我们之前实现过,就是用 Sprite (永远面向相机的一个平面)做贴图,然后一帧帧做位置的改变。

通过“漫天花雨”来入门 Three.js

之后分别设置灯光、相机就可以了:

灯光我们用点光源 PointLight,从一个位置去照射,配合 Phong 的材质可以做到反光的效果。

相机用透视相机 PerspectiveCamera,它的特点是从一个点去看,会有近大远小的效果,比较有空间感。而正交相机 OrthographicCamera 因为是平行投影,就没有近大远小的效果,不管距离多远的物体都是一样大。

之后通过 Renderer 渲染出来,然后用 requestAnimationFrame 来一帧帧的刷新就可以了。

接下来我们具体写下代码:

代码实现

我们先通过 fetch 拿到服务器上的音频文件,转成 ArrayBuffer。

ArrayBuffer 是 JS 语言提供的用于存储二进制数据的 api,和它类似的还有 Blob 和 Buffer,区别如下:

ArrayBuffer 是 JS 语言本身提供的用于存储二进制数据的通用 API

Blob 是浏览器提供的 API,用于文件处理

Buffer 是 Node.js 提供的 API,用于 IO 操作

这里,我们毫无疑问要用 ArrayBuffer 来存储音频的二进制数据。

  1. fetch('./music/一路生花.mp3')
  2. .then(function(response) {
  3. if (!response.ok) {
  4. throw new Error("HTTP error, status = " + response.status);
  5. }
  6. return response.arrayBuffer();
  7. })
  8. .then(function(arrayBuffer) {
  9. });

然后用 AudioContext 的 api 做解码和后续处理,分为 Source、Analyser、Destination 3个处理节点:

  1. let audioCtx = new AudioContext();
  2. let source, analyser;
  3. function getData() {
  4. source = audioCtx.createBufferSource();
  5. analyser = audioCtx.createAnalyser();
  6. return fetch('./music/一路生花.mp3')
  7. .then(function(response) {
  8. if (!response.ok) {
  9. throw new Error("HTTP error, status = " + response.status);
  10. }
  11. return response.arrayBuffer();
  12. })
  13. .then(function(arrayBuffer) {
  14. audioCtx.decodeAudioData(arrayBuffer, function(decodedData) {
  15. source.buffer = decodedData;
  16. source.connect(analyser);
  17. analyser.connect(audioCtx.destination);
  18. });
  19. });
  20. };

获取音频,用 AudioContext 处理之后,并不能直接播放,因为浏览器做了限制。必须得用户主动做了一些操作之后,才能播放音频。

为了绕过这个限制,我们监听 mousedown 事件,用户点击之后,就可以播放了。

  1. function triggerHandler() {
  2. getData().then(function() {
  3. source.start(0); // 从 0 的位置开始播放
  4. create(); // 创建 Three.js 的各种物体
  5. render(); // 渲染
  6. });
  7. document.removeEventListener('mousedown', triggerHandler)
  8. }
  9. document.addEventListener('mousedown', triggerHandler);

之后可以创建 3D 场景中的各种物体:

创建立方体:

因为频谱为 1024 个数据,我们 50个分为一组,就只需要渲染 21 个立方体:

  1. const cubes = new THREE.Group();
  2. const STEP = 50;
  3. const CUBE_NUM = Math.ceil(1024 / STEP);
  4. for (let i = 0; i < CUBE_NUM; i ++ ) {
  5. const geometry = new THREE.BoxGeometry( 10, 10, 10 );
  6. const material = new THREE.MeshPhongMaterial({color: 'yellowgreen'});
  7. const cube = new THREE.Mesh( geometry, material );
  8. cube.translateX((10 + 10) * i);
  9. cubes.add(cube);
  10. }
  11. cubes.translateX(- (10 +10) * CUBE_NUM / 2);
  12. scene.add(cubes);

立方体的物体 Mesh,分别设置几何体是 BoxGeometry,长宽高都是 10 ,材质是 MeshPhongMaterial,颜色是黄绿色。

每个立方体要做下 x 轴的位移,最后整体的分组再做下位移,移动整体宽度的一半,达到居中的目的。

频谱就可以通过这些立方体来做可视化。

之后是花瓣,用 Sprite 创建,因为 Sprite 是永远面向相机的平面。贴上随机的纹理贴图,设置随机的位置。

  1. const FLOWER_NUM = 400;
  2. /**
  3. * 花瓣分组
  4. */
  5. const petal = new THREE.Group();
  6. var flowerTexture1 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower1.png");
  7. var flowerTexture2 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower2.png");
  8. var flowerTexture3 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower3.png");
  9. var flowerTexture4 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower4.png");
  10. var flowerTexture5 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower5.png");
  11. var imageList = [flowerTexture1, flowerTexture2, flowerTexture3, flowerTexture4, flowerTexture5];
  12. for (let i = 0; i < FLOWER_NUM; i++) {
  13. var spriteMaterial = new THREE.SpriteMaterial({
  14. map: imageList[Math.floor(Math.random() * imageList.length)],
  15. });
  16. var sprite = new THREE.Sprite(spriteMaterial);
  17. petal.add(sprite);
  18. sprite.scale.set(40, 50, 1);
  19. sprite.position.set(2000 * (Math.random() - 0.5), 500 * Math.random(), 2000 * (Math.random() - 0.5))
  20. }
  21. scene.add(petal);

分别把频谱的立方体和一堆花瓣加到场景中之后,就完成了物体的创建。

然后设置下相机,我们是使用透视相机,要分别指定视角的角度,最近和最远的距离,还有视区的宽高比。

用 Three.js 和 AudioContext 实现音乐频谱的 3D 可视化

  1. const width = window.innerWidth;
  2. const height = window.innerHeight;
  3. const camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, width / height, 0.1, 1000);
  4. camera.position.set(0,300, 400);
  5. camera.lookAt(scene.position);

之后设置下灯光,用点光源:

  1. const pointLight = new THREE.PointLight( 0xffffff );
  2. pointLight.position.set(0, 300, 40);
  3. scene.add(pointLight);

然后就可以用 renderer 来做渲染了,结合 requestAnimationFrame 做一帧帧的渲染。

  1. const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
  2. function render() {
  3. renderer.render(scene, camera);
  4. requestAnimationFrame(render);
  5. }
  6. render();

在渲染的时候,每帧都要计算花瓣的位置,和频谱立方体的高度。

花瓣的位置就是不断下降,到了一定的高度就回到上面:

  1. petal.children.forEach(sprite => {
  2. sprite.position.y -= 5;
  3. sprite.position.x += 0.5;
  4. if (sprite.position.y < - height / 2) {
  5. sprite.position.y = height / 2;
  6. }
  7. if (sprite.position.x > 1000) {
  8. sprite.position.x = -1000;
  9. }
  10. );

频谱立方体的话,要用 analyser 获取最新频谱数据,计算每个分组的平均值,然后设置到立方体的 scaleY 上。

  1. // 获取频谱数据
  2. const frequencyData = new Uint8Array(analyser.frequencyBinCount);
  3. analyser.getByteFrequencyData(frequencyData);
  4. // 计算每个分组的平均频谱数据
  5. const averageFrequencyData = [];
  6. for (let i = 0; i< frequencyData.length; i += STEP) {
  7. let sum = 0;
  8. for(let j = i; j < i + STEP; j++) {
  9. sum += frequencyData[j];
  10. }
  11. averageFrequencyData.push(sum / STEP);
  12. }
  13. // 设置立方体的 scaleY
  14. for (let i = 0; i < averageFrequencyData.length; i++) {
  15. cubes.children[i].scale.y = Math.floor(averageFrequencyData[i] * 0.4);
  16. }

还可以做下场景围绕 X 轴的渲染,每帧转一定的角度。

  1. scene.rotateX(0.005);

最后,加入轨道控制器就可以了,它的作用是可以用鼠标来调整相机的位置,调整看到的东西的远近、角度等。

  1. const controls = new THREE.OrbitControls(camera);

最终效果就是这样的:花瓣纷飞,频谱立方体随音乐跳动。

用 Three.js 和 AudioContext 实现音乐频谱的 3D 可视化

完整代码提交到了 github:

https://github.com/QuarkGluonPlasm‍a/threejs-exercize

也在这里贴一份:

  1. "en">
  2. "UTF-8">

总结

本文我们学习了如何做音频的频谱可视化。

首先,通过 fetch 获取音频数据,用 ArrayBuffer 来保存,它是 JS 的标准的存储二进制数据的 api。其他的类似的 api 有 Blob 和 Buffer。Blob 是 浏览器里的保存文件二进制数据的 API,Buffer 是 Node.js 里的用于保存 IO 数据 api,。

然后使用 AudioContext 的 api 来获取频谱数据和播放音频,它是由一系列 Node 组成的,我们这里通过 Source 保存音频数据,然后传递给 Analyser 获取频谱数据,最后传入 Destination。

之后是 3D 场景的绘制,分别绘制了频谱立方体和花瓣雨,用 Mesh 和 Sprite 两种物体,Mesh 是一中由几何体和材质构成的物体,这里使用 BoxGeometry 和 MeshPhongMaterial(可反光)。Sprite 是永远面向相机的平面,用来展示花瓣。

然后设置了点光源,配合 Phong 的材质能达到反光效果。

使用了透视相机,可以做到近大远小的 3D 透视效果,而正交相机就做不到这种效果,它是平面投影,多远都一样大小。

然后在每帧的渲染中,改变花瓣的位置和获取频谱数据改变立方体的 scaleY 就可以了。

本文我们既学了 AudioContext 获取音频频谱数据,又学了用 Three.js 做 3D 的绘制,数据和绘制的结合,这就是可视化做的事情:通过一种合适的显示方式,更好的展示数据。

可视化是 Three.js 的一个应用场景,还有游戏也是一个应用场景,后面我们都会做一些探索。

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/Ot8GoJc-6E7LddSDAKWa8Q

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