用 Three.js 和 AudioContext 实现音乐频谱的 3D 可视化-51CTO.COM

[[437041]]

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：

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

context audioCtx = new AudioContext(); 
 
const source = audioCtx.createBufferSource(); 
const analyser = audioCtx.createAnalyser(); 
 
audioCtx.decodeAudioData(音频二进制数据, function(decodedData) { 
    source.buffer = decodedData; 
    source.connect(analyser); 
    analyser.connect(audioCtx.destination); 
});

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：

const frequencyData = new Uint8Array(analyser.frequencyBinCount); 
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。

fetch('./music/一路生花.mp3') 
.then(function(response) { 
    if (!response.ok) { 
        throw new Error("HTTP error, status = " + response.status); 
    } 
    return response.arrayBuffer(); 
}) 
.then(function(arrayBuffer) { 
});

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：

let audioCtx = new AudioContext(); 
let source, analyser; 
 
function getData() { 
    source = audioCtx.createBufferSource(); 
    analyser = audioCtx.createAnalyser(); 
 
    return fetch('./music/一路生花.mp3') 
        .then(function(response) { 
            if (!response.ok) { 
                throw new Error("HTTP error, status = " + response.status); 
            } 
            return response.arrayBuffer(); 
        }) 
        .then(function(arrayBuffer) { 
            audioCtx.decodeAudioData(arrayBuffer, function(decodedData) { 
                source.buffer = decodedData; 
                source.connect(analyser); 
                analyser.connect(audioCtx.destination); 
            }); 
        }); 
};

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。

function triggerHandler() { 
    getData().then(function() { 
        source.start(0); // 从 0 的位置开始播放 
 
        create();  // 创建 Three.js 的各种物体 
        render(); // 渲染 
    }); 
    document.removeEventListener('mousedown', triggerHandler) 
} 
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：

const cubes = new THREE.Group(); 
 
const STEP = 50; 
const CUBE_NUM = Math.ceil(1024 / STEP); 
 
for (let i = 0; i < CUBE_NUM; i ++ ) { 
    const geometry = new THREE.BoxGeometry( 10, 10, 10 ); 
    const material = new THREE.MeshPhongMaterial({color: 'yellowgreen'}); 
    const cube = new THREE.Mesh( geometry, material ); 
 
    cube.translateX((10 + 10) * i); 
 
    cubes.add(cube); 
} 
cubes.translateX(- (10 +10) * CUBE_NUM / 2); 
 
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。

const FLOWER_NUM = 400; 
/** 
 * 花瓣分组 
 */ 
const petal = new THREE.Group(); 
 
var flowerTexture1 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower1.png"); 
var flowerTexture2 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower2.png"); 
var flowerTexture3 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower3.png"); 
var flowerTexture4 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower4.png"); 
var flowerTexture5 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower5.png"); 
var imageList = [flowerTexture1, flowerTexture2, flowerTexture3, flowerTexture4, flowerTexture5]; 
 
for (let i = 0; i < FLOWER_NUM; i++) { 
    var spriteMaterial = new THREE.SpriteMaterial({ 
        map: imageList[Math.floor(Math.random() * imageList.length)], 
    }); 
    var sprite = new THREE.Sprite(spriteMaterial); 
    petal.add(sprite); 
 
    sprite.scale.set(40, 50, 1);  
    sprite.position.set(2000 * (Math.random() - 0.5), 500 * Math.random(), 2000 * (Math.random() - 0.5)) 
} 
 
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。

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

之后设置下灯光，用点光源：

const pointLight = new THREE.PointLight( 0xffffff ); 
pointLight.position.set(0, 300, 40); 
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。

const renderer = new THREE.WebGLRenderer(); 
 
function render() { 
    renderer.render(scene, camera); 
    requestAnimationFrame(render); 
} 
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：

petal.children.forEach(sprite => { 
   sprite.position.y -= 5; 
   sprite.position.x += 0.5; 
   if (sprite.position.y < - height / 2) { 
       sprite.position.y = height / 2; 
   } 
   if (sprite.position.x > 1000) { 
       sprite.position.x = -1000; 
   } 
);

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。

// 获取频谱数据 
const frequencyData = new Uint8Array(analyser.frequencyBinCount); 
analyser.getByteFrequencyData(frequencyData); 
 
// 计算每个分组的平均频谱数据 
const averageFrequencyData = []; 
for (let i = 0; i< frequencyData.length; i += STEP) { 
    let sum = 0; 
    for(let j = i; j < i + STEP; j++) { 
        sum += frequencyData[j]; 
    } 
    averageFrequencyData.push(sum / STEP); 
} 
// 设置立方体的 scaleY 
for (let i = 0; i < averageFrequencyData.length; i++) { 
    cubes.children[i].scale.y = Math.floor(averageFrequencyData[i] * 0.4); 
}

还可以做下场景围绕 X 轴的渲染，每帧转一定的角度。

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。

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。

[[437042]]

完整代码提交到了 github：

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

也在这里贴一份：

<!DOCTYPE html> 
<html lang="en"> 
<head> 
    <meta charset="UTF-8"> 
    <title>音乐频谱可视化</title> 
    <style> 
        body { 
            margin: 0; 
            overflow: hidden; 
        } 
    </style> 
    <script src="./js/three.js"></script> 
    <script src="./js/OrbitControls.js"></script> 
</head> 
<body> 
<script> 
    let audioCtx = new AudioContext(); 
    let source, analyser; 
 
    function getData() { 
        source = audioCtx.createBufferSource(); 
        analyser = audioCtx.createAnalyser(); 
 
        return fetch('./music/一路生花.mp3') 
            .then(function(response) { 
                if (!response.ok) { 
                    throw new Error("HTTP error, status = " + response.status); 
                } 
                return response.arrayBuffer(); 
            }) 
            .then(function(arrayBuffer) { 
                audioCtx.decodeAudioData(arrayBuffer, function(decodedData) { 
                    source.buffer = decodedData; 
                    source.connect(analyser); 
                    analyser.connect(audioCtx.destination); 
                }); 
            }); 
    }; 
 
    function triggerHandler() { 
        getData().then(function() { 
            source.start(0); 
            create(); 
            render(); 
        }); 
        document.removeEventListener('mousedown', triggerHandler) 
    } 
    document.addEventListener('mousedown', triggerHandler); 
 
    const STEP = 50; 
    const CUBE_NUM = Math.ceil(1024 / STEP); 
    const FLOWER_NUM = 400; 
 
    const width = window.innerWidth; 
    const height = window.innerHeight; 
 
    const scene = new THREE.Scene(); 
 
    const camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, width / height, 0.1, 1000); 
 
    const renderer = new THREE.WebGLRenderer(); 
    /** 
     * 花瓣分组 
     */ 
    const petal = new THREE.Group(); 
 
    /** 
     * 频谱立方体 
     */ 
    const cubes = new THREE.Group(); 
 
    function create() { 
        const pointLight = new THREE.PointLight( 0xffffff ); 
        pointLight.position.set(0, 300, 40); 
        scene.add(pointLight); 
 
 
        camera.position.set(0,300, 400); 
        camera.lookAt(scene.position); 
 
        renderer.setSize(width, height); 
        document.body.appendChild(renderer.domElement) 
 
        renderer.render(scene, camera) 
 
        for (let i = 0; i < CUBE_NUM; i ++ ) { 
            const geometry = new THREE.BoxGeometry( 10, 10, 10 ); 
            const material = new THREE.MeshPhongMaterial({color: 'yellowgreen'}); 
            const cube = new THREE.Mesh( geometry, material ); 
            cube.translateX((10 + 10) * i); 
            cube.translateY(1); 
 
            cubes.add(cube); 
        } 
        cubes.translateX(- (10 +10) * CUBE_NUM / 2); 
 
 
        var flowerTexture1 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower1.png"); 
        var flowerTexture2 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower2.png"); 
        var flowerTexture3 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower3.png"); 
        var flowerTexture4 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower4.png"); 
        var flowerTexture5 = new THREE.TextureLoader().load("img/flower5.png"); 
        var imageList = [flowerTexture1, flowerTexture2, flowerTexture3, flowerTexture4, flowerTexture5]; 
 
        for (let i = 0; i < FLOWER_NUM; i++) { 
            var spriteMaterial = new THREE.SpriteMaterial({ 
                map: imageList[Math.floor(Math.random() * imageList.length)], 
            }); 
            var sprite = new THREE.Sprite(spriteMaterial); 
            petal.add(sprite); 
 
            sprite.scale.set(40, 50, 1);  
            sprite.position.set(2000 * (Math.random() - 0.5), 500 * Math.random(), 2000 * (Math.random() - 0.5)) 
        } 
 
        scene.add(cubes); 
        scene.add(petal); 
    } 
 
    function render() { 
        petal.children.forEach(sprite => { 
            sprite.position.y -= 5; 
            sprite.position.x += 0.5; 
            if (sprite.position.y < - height / 2) { 
                sprite.position.y = height / 2; 
            } 
            if (sprite.position.x > 1000) { 
                sprite.position.x = -1000; 
            } 
        }); 
 
        const frequencyData = new Uint8Array(analyser.frequencyBinCount); 
        analyser.getByteFrequencyData(frequencyData); 
 
        const averageFrequencyData = []; 
        for (let i = 0; i< frequencyData.length; i += STEP) { 
            let sum = 0; 
            for(let j = i; j < i + STEP; j++) { 
                sum += frequencyData[j]; 
            } 
            averageFrequencyData.push(sum / STEP); 
        } 
        for (let i = 0; i < averageFrequencyData.length; i++) { 
            cubes.children[i].scale.y = Math.floor(averageFrequencyData[i] * 0.4); 
        } 
 
        scene.rotateX(0.005); 
        renderer.render(scene, camera); 
 
        requestAnimationFrame(render); 
    } 
 
    const controls = new THREE.OrbitControls(camera); 
 
</script> 
</body> 
</html>

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。