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

时间：2022-08-23 15:44:55

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();
  3. const source = audioCtx.createBufferSource();
  4. const analyser = audioCtx.createAnalyser();
  6. audioCtx.decodeAudioData(音频二进制数据, function(decodedData) {
  7. source.buffer = decodedData;
  8. source.connect(analyser);
  9. analyser.connect(audioCtx.destination);
  10. });

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;
  4. function getData() {
  5. source = audioCtx.createBufferSource();
  6. analyser = audioCtx.createAnalyser();
  8. return fetch('./music/一路生花.mp3')
  9. .then(function(response) {
  10. if (!response.ok) {
  11. throw new Error("HTTP error, status = " + response.status);
  12. }
  13. return response.arrayBuffer();
  14. })
  15. .then(function(arrayBuffer) {
  16. audioCtx.decodeAudioData(arrayBuffer, function(decodedData) {
  17. source.buffer = decodedData;
  18. source.connect(analyser);
  19. analyser.connect(audioCtx.destination);
  20. });
  21. });
  22. };

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
  5. create(); // 创建 Three.js 的各种物体
  6. render(); // 渲染
  7. });
  8. document.removeEventListener('mousedown', triggerHandler)
  9. }
  10. 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();
  3. const STEP = 50;
  4. const CUBE_NUM = Math.ceil(1024 / STEP);
  6. for (let i = 0; i < CUBE_NUM; i ++ ) {
  7. const geometry = new THREE.BoxGeometry( 10, 10, 10 );
  8. const material = new THREE.MeshPhongMaterial({color: 'yellowgreen'});
  9. const cube = new THREE.Mesh( geometry, material );
  11. cube.translateX((10 + 10) * i);
  13. cubes.add(cube);
  14. }
  15. cubes.translateX(- (10 +10) * CUBE_NUM / 2);
  17. 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();
  7. var flowerTexture1 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower1.png");
  8. var flowerTexture2 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower2.png");
  9. var flowerTexture3 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower3.png");
  10. var flowerTexture4 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower4.png");
  11. var flowerTexture5 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower5.png");
  12. var imageList = [flowerTexture1, flowerTexture2, flowerTexture3, flowerTexture4, flowerTexture5];
  14. for (let i = 0; i < FLOWER_NUM; i++) {
  15. var spriteMaterial = new THREE.SpriteMaterial({
  16. map: imageList[Math.floor(Math.random() * imageList.length)],
  17. });
  18. var sprite = new THREE.Sprite(spriteMaterial);
  19. petal.add(sprite);
  21. sprite.scale.set(40, 50, 1);
  22. sprite.position.set(2000 * (Math.random() - 0.5), 500 * Math.random(), 2000 * (Math.random() - 0.5))
  23. }
  25. 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;
  4. const camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, width / height, 0.1, 1000);
  5. camera.position.set(0,300, 400);
  6. 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();
  3. function render() {
  4. renderer.render(scene, camera);
  5. requestAnimationFrame(render);
  6. }
  7. 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);
  5. // 计算每个分组的平均频谱数据
  6. const averageFrequencyData = [];
  7. for (let i = 0; i< frequencyData.length; i += STEP) {
  8. let sum = 0;
  9. for(let j = i; j < i + STEP; j++) {
  10. sum += frequencyData[j];
  11. }
  12. averageFrequencyData.push(sum / STEP);
  13. }
  14. // 设置立方体的 scaleY
  15. for (let i = 0; i < averageFrequencyData.length; i++) {
  16. cubes.children[i].scale.y = Math.floor(averageFrequencyData[i] * 0.4);
  17. }

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：

  2. "en">
  4. "UTF-8">
  7. body {
  8. margin: 0;
  9. overflow: hidden;
  10. }
  12. >
  13. >
  17. let audioCtx = new AudioContext();
  18. let source, analyser;
  20. function getData() {
  21. source = audioCtx.createBufferSource();
  22. analyser = audioCtx.createAnalyser();
  24. return fetch('./music/一路生花.mp3')
  25. .then(function(response) {
  26. if (!response.ok) {
  27. throw new Error("HTTP error, status = " + response.status);
  28. }
  29. return response.arrayBuffer();
  30. })
  31. .then(function(arrayBuffer) {
  32. audioCtx.decodeAudioData(arrayBuffer, function(decodedData) {
  33. source.buffer = decodedData;
  34. source.connect(analyser);
  35. analyser.connect(audioCtx.destination);
  36. });
  37. });
  38. };
  40. function triggerHandler() {
  41. getData().then(function() {
  42. source.start(0);
  43. create();
  44. render();
  45. });
  46. document.removeEventListener('mousedown', triggerHandler)
  47. }
  48. document.addEventListener('mousedown', triggerHandler);
  50. const STEP = 50;
  51. const CUBE_NUM = Math.ceil(1024 / STEP);
  52. const FLOWER_NUM = 400;
  54. const width = window.innerWidth;
  55. const height = window.innerHeight;
  57. const scene = new THREE.Scene();
  59. const camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, width / height, 0.1, 1000);
  61. const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
  62. /**
  63. * 花瓣分组
  64. */
  65. const petal = new THREE.Group();
  67. /**
  68. * 频谱立方体
  69. */
  70. const cubes = new THREE.Group();
  72. function create() {
  73. const pointLight = new THREE.PointLight( 0xffffff );
  74. pointLight.position.set(0, 300, 40);
  75. scene.add(pointLight);
  78. camera.position.set(0,300, 400);
  79. camera.lookAt(scene.position);
  81. renderer.setSize(width, height);
  82. document.body.appendChild(renderer.domElement)
  84. renderer.render(scene, camera)
  86. for (let i = 0; i
  87. const geometry = new THREE.BoxGeometry( 10, 10, 10 );
  88. const material = new THREE.MeshPhongMaterial({color: 'yellowgreen'});
  89. const cube = new THREE.Mesh( geometry, material );
  90. cube.translateX((10 + 10) * i);
  91. cube.translateY(1);
  93. cubes.add(cube);
  94. }
  95. cubes.translateX(- (10 +10) * CUBE_NUM / 2);
  98. var flowerTexture1 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower1.png");
  99. var flowerTexture2 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower2.png");
  100. var flowerTexture3 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower3.png");
  101. var flowerTexture4 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower4.png");
  102. var flowerTexture5 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower5.png");
  103. var imageList = [flowerTexture1, flowerTexture2, flowerTexture3, flowerTexture4, flowerTexture5];
  105. for (let i = 0; i
  106. var spriteMaterial = new THREE.SpriteMaterial({
  107. map: imageList[Math.floor(Math.random() * imageList.length)],
  108. });
  109. var sprite = new THREE.Sprite(spriteMaterial);
  110. petal.add(sprite);
  112. sprite.scale.set(40, 50, 1);
  113. sprite.position.set(2000 * (Math.random() - 0.5), 500 * Math.random(), 2000 * (Math.random() - 0.5))
  114. }
  116. scene.add(cubes);
  117. scene.add(petal);
  118. }
  120. function render() {
  121. petal.children.forEach(sprite => {
  122. sprite.position.y -= 5;
  123. sprite.position.x += 0.5;
  124. if (sprite.position.y
  125. sprite.position.y = height / 2;
  126. }
  127. if (sprite.position.x > 1000) {
  128. sprite.position.x = -1000;
  129. }
  130. });
  132. const frequencyData = new Uint8Array(analyser.frequencyBinCount);
  133. analyser.getByteFrequencyData(frequencyData);
  135. const averageFrequencyData = [];
  136. for (let i = 0; i
  137. let sum = 0;
  138. for(let j = i; j
  139. sum += frequencyData[j];
  140. }
  141. averageFrequencyData.push(sum / STEP);
  142. }
  143. for (let i = 0; i
  144. cubes.children[i].scale.y = Math.floor(averageFrequencyData[i] * 0.4);
  145. }
  147. scene.rotateX(0.005);
  148. renderer.render(scene, camera);
  150. requestAnimationFrame(render);
  151. }
  153. const controls = new THREE.OrbitControls(camera);

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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