本文主要从以下几个方面进行讲述：

创建没有光照效果的立方体；扩展lambert材质，创建有光照效果的立方体；

适用人群：对THREE.js和glsl有基本了解的人。

创建没有光照效果的立方体

本示例会创建一个前后左右面是纯色，上下面是贴图的立方体。该部分的内容主要包括以下部分：

创建bufferGeometry；自定义shaderMaterial，在shaderMaterial里面判断是用纯色还是贴图；创建mesh。创建bufferGeometry

因为想更深入的了解THREE.js的实现原理，所以这块没有直接使用BoxBufferGeometry，而是自己定义顶点信息：

const geometry = new THREE.BufferGeometry()const position = [ // 每个面两个三角形，每个三角形三个顶点，每个顶点三个坐标值，所以一个三角形是3*3=9个值，一个面是3*3*2=18个值  -1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, // front face  1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1,  1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, // right face  1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, 1,  1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, // back face  -1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, -1,  -1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, // left face  -1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1,  -1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, -1, // top face  1, 1, -1, -1, 1, -1, -1, 1, 1,  1, -1, 1, -1, -1, 1, -1, -1, -1, // bottom face  -1, -1, -1, 1, -1, -1, 1, -1, 1]// 定义了一个长宽高都是2的立方体，所以上面xyz的坐标要么是1，要么是-1geometry.setAttribute('position', new THREE.BufferAttribute(Float32Array.from(position), 3))

然后，给每个顶点添加颜色信息，每个顶点既可以是纯色也可以是贴图，纯色需要rgb三个分量，贴图需要uv两个分量，所以每个顶点至少需要三个分量来表示。

那么，如何判断这个顶点是纯色还是贴图呢？

我们当然可以再使用一个数组来表示。但是注意到上面贴图只需要两个分量，那么我们就可以利用第三个分量来判断。glsl语言里面rgb色值的范围是0-1，所以我们可以使用这个范围之外的值表示这是一个贴图。

那取什么值呢？我们这个立方体定义了上下面是贴图，也就是贴图不只一个，那么这个值还要能推导出是第几个贴图。我这里设置了一个textureBaseIndex为2的变量。

const colors = []const textureBaseIndex = 2for (let i = 0; i < 12; i++) {  switch (i) {    case 0: // front color    case 1:      colors.push(1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0) // 红      break    case 2: // right color    case 3:      colors.push(0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0) // 绿      break    case 4: // back color    case 5:      colors.push(0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1) // 蓝      break;    case 6: // left color    case 7:      colors.push(1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0) // 黄      break    case 8: // top texture uv，前两个分量表示uv，第三个分量表示取第几个纹理，在纹理实际索引值的基础上加上textureBaseIndex      colors.push(0, 0, textureBaseIndex + 0, 1, 0, textureBaseIndex + 0, 1, 1, textureBaseIndex + 0)      break    case 9:      colors.push(1, 1, textureBaseIndex + 0, 0, 1, textureBaseIndex + 0, 0, 0, textureBaseIndex + 0)      break    case 10: // bottom texture uv，前两个分量表示uv，第三个分量表示取第几个纹理，在纹理实际索引值的基础上加上textureBaseIndex      colors.push(1, 1, textureBaseIndex + 1, 0, 1, textureBaseIndex + 1, 0, 0, textureBaseIndex + 1)      break    case 11:      colors.push(0, 0, textureBaseIndex + 1, 1, 0, textureBaseIndex + 1, 1, 1, textureBaseIndex + 1)      break  }}geometry.setAttribute('color', new THREE.BufferAttribute(Float32Array.from(colors), 3))

顶点着色器的代码比较简单，把color属性通过varying变量vColor传给片元着色器：

function getVertexShader () {  return `    attribute vec3 color;    varying vec3 vColor;    void main () {      vColor = color;      gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );    }  `}

接下来是片元着色器，主要有以下几点：

通过vColor.z判断是纯色还是贴图；把贴图信息通过sampler2D数组传入，然后在根据vColor.z获取数组下标的时候，前面在生成下标的时候加了一个textureBaseIndex，所以用的时候得先减去；通过下标获取sampler2D数组中的某一项的时候，不能直接使用textures[index]，glsl要求[]里面的内容必须是Integral constant expression，所以使用了一个generateSwitch函数动态生成一系列if代码；

完整代码如下：

function getFragmentShader (textureLength, textureBaseIndex) {  function generateSwitch () {    let str = ''    for (let i = 0; i < textureLength; i++) {      str += `${str.length ? 'else' : ''} if (index == ${i}) {        gl_FragColor = texture2D(textures[${i}], vec2(vColor.x, vColor.y));      }      `    }    return str  }  return `    ${textureLength ? `      uniform sampler2D textures[${textureLength}];    ` : ''}    varying vec3 vColor;    void main () {      ${textureLength ? `        if (vColor.z <= 1.0) {          gl_FragColor = vec4(vColor, 1.0);        } else {          int index = int(vColor.z) - ${textureBaseIndex};          ${generateSwitch()}        }` : `        gl_FragColor = vec4(vColor, 1.0);        `      }    }  `}

生成自定义材质：

const textures = [  new THREE.TextureLoader().load('./textures/colors.png'), // 顶面贴图  new THREE.TextureLoader().load('./textures/colors.png') // 底面贴图]const material = new THREE.ShaderMaterial({  uniforms: {    textures: { value: textures } // 片元着色器中会使用  },  vertexShader: getVertexShader(),  fragmentShader: getFragmentShader(textures.length, textureBaseIndex)})

这步就比较简单了，创建一个mesh，并添加到场景中：

const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material)scene.add(mesh)

这样，立方体就创建好了。本例使用了基本的WebGLRenderer，Scene，PerspectiveCamera，没有特殊处理，这里就不再写了。实现效果截图如下：

front/right/top面效果截图

back/left/bottom面效果截图

扩展lambert材质，创建有光照效果的立方体

我的实际应用场景中的物体是lambert材质，也就是MeshLambertMaterial。所以，下面的实例代码以扩展lamert材质的光照效果为例。要想使用该实现方案，最好研究下THREE.js的源码。

THREE.js里面预先定义了一系列材质，MeshLambertMaterial材质就是其中之一。这部分代码在src/renderers/shaders文件夹下面，ShaderLib.js里面是材质的入口，比如MeshLambertMaterial:

const ShaderLib = {    lambert: {        uniforms: mergeUniforms( [ // uniform变量            UniformsLib.common,            UniformsLib.specularmap,            UniformsLib.envmap,            UniformsLib.aomap,            UniformsLib.lightmap,            UniformsLib.emissivemap,            UniformsLib.fog,            UniformsLib.lights,            {                emissive: { value: new Color( 0x000000 ) }            }        ] ),        vertexShader: ShaderChunk.meshlambert_vert, // 顶点着色器代码        fragmentShader: ShaderChunk.meshlambert_frag // 片元着色器代码    },}

ShaderChunk和ShaderLib文件夹下面就是实际的着色器代码，区别是ShaderLib是THREE.js给我们直接使用的，ShaderChunk是更细粒度的代码。ShderLib里面的不同材质有很多共有的代码，所以这个共有的代码就提取成一个个ShaderChunk，达到复用的目的。一个材质是由多个ShaderChunk生成的。我们可以打开ShaderLib/meshlambert_vert.glsl.js文件，会发现里面有很多#include语句，这些语句最后会被替换为实际的ShaderChunk里面的片段。

我们看到shaders文件夹下面只是定义了材质的结构以及glsl代码片段，那么，完整效果的代码是在哪生成的呢？

src/renderers/webgl/WebGLProgram.js文件。

列一下这个文件我了解的一些知识点：

首先根据我们创建材质时的参数，定义一些#define变量，添加在着色器代码的前面；解析ShaderLib里面的代码，把#include语句替换为实际代码，参见resolveIncludes函数；

更重要的是，ShaderLib里面预定义的一些材质，挂在了THREE变量上，这样我们就可以获得原始代码，并通过修改部分glsl代码达到扩展材质的目的。

比如，上面的那个例子，首先改造一下顶点着色器：

在默认的lambert顶点着色器代码前面添加属性变量和varying变量；在main函数里面给varying变量赋值；具体插在原始main函数的哪一行看你的需求；

function getVertexShader () {  let shader = `    attribute vec3 color;    varying vec3 vColor;  ` + THREE.ShaderLib.lambert.vertexShader  const index = shader.indexOf('#include <uv_vertex>')  shader = shader.slice(0, index) + `    vColor = color;  ` + shader.slice(index)  return shader}

片元着色器的改造如下：

在默认的lambert片元着色器代码前面添加uniform变量和varying变量；在main函数里面插入我们的代码，插入位置我选在了#include <color_fragment>后面，因为这个代码片段和我现在的修改做了类似的事情，所以插在这个位置是可以的。注意，此时就不是直接给gl_FragColor赋值了，而是把效果加在diffuseColor变量上。实际开发的时候，具体修改哪个值就得参考THREE.js源码了。

function getFragmentShader (textureLength, textureBaseIndex) {  function generateSwitch () {    let str = ''    for (let i = 0; i < textureLength; i++) {      str += `${str.length ? 'else' : ''} if (index == ${i}) {        diffuseColor *= texture2D(textures[${i}], vec2(vColor.x, vColor.y));      }      `    }    return str  }  let shader = `    uniform sampler2D textures[${textureLength}];    varying vec3 vColor;  ` + THREE.ShaderLib.lambert.fragmentShader  const index = shader.indexOf('#include <color_fragment>')  shader = shader.slice(0, index) + `    ${textureLength ? `      if (vColor.z <= 1.0) {        diffuseColor.rgb *= vColor;      } else {        int index = int(vColor.z) - ${textureBaseIndex};        ${generateSwitch()}      }` : `      diffuseColor.rgb *= vColor;      `    }  ` + shader.slice(index)  return shader}

然后，创建着色器：

修改一下uniform变量，把lambert默认的uniform变量也添加进去；添加lights参数为true，否则代码报错；THREE源码默认diffuse是0xeeeeee，覆盖一下，修改为0xffffff；

const material = new THREE.ShaderMaterial({  uniforms: THREE.UniformsUtils.merge([    THREE.ShaderLib.lambert.uniforms,    {      textures: { value: textures }    },    {      diffuse: {        value: new THREE.Color(0xffffff)      }    }  ]),  vertexShader: getVertexShader(),  fragmentShader: getFragmentShader(textures.length, textureBaseIndex),  lights: true})

这个时候刷新页面，会发现是一个黑色的立方体，这是因为我们还没有添加光源：

const light = new THREE.DirectionalLight( 0xffffff ); // 平行光light.position.set( 1, 1, 1 );scene.add( light );const ambient = new THREE.AmbientLight(0xffffff, 0.7); // 环境光scene.add(ambient)

之所以添加两个光源是因为发现：

环境光不受几何物体法线影响；平行光受几何物体法线影响；

添加上述代码后，如果把环境光注释掉，会发现材质还是黑色的，这是因为上面创建的geometry没有法线信息，所以需要使用下面的方法添加一下法线信息：

geometry.computeVertexNormals()

最终效果截图如下：

front/right/top面效果截图，同时受平行光和环境光影响

back/left/bottom面效果截图，不在平行光照射范围内，只受环境光影响

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