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：

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

contextaudioCtx=newAudioContext();constsource=audioCtx.createBufferSource();constanalyser=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：

constfrequencyData=newUint8Array(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){thrownewError("HTTPerror,status="+response.status);}returnresponse.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：

letaudioCtx=newAudioContext();letsource,analyser;functiongetData(){source=audioCtx.createBufferSource();analyser=audioCtx.createAnalyser();returnfetch('./music/一路生花.mp3').then(function(response){if(!response.ok){thrownewError("HTTPerror,status="+response.status);}returnresponse.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。

functiontriggerHandler(){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：

constcubes=newTHREE.Group();constSTEP=50;constCUBE_NUM=Math.ceil(1024/STEP);for(leti=0;i<CUBE_NUM;i++){constgeometry=newTHREE.BoxGeometry(10,10,10);constmaterial=newTHREE.MeshPhongMaterial({color:'yellowgreen'});constcube=newTHREE.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。

constFLOWER_NUM=400;/***花瓣分组*/constpetal=newTHREE.Group();varflowerTexture1=newTHREE.TextureLoader().load("img/flower1.png");varflowerTexture2=newTHREE.TextureLoader().load("img/flower2.png");varflowerTexture3=newTHREE.TextureLoader().load("img/flower3.png");varflowerTexture4=newTHREE.TextureLoader().load("img/flower4.png");varflowerTexture5=newTHREE.TextureLoader().load("img/flower5.png");varimageList=[flowerTexture1,flowerTexture2,flowerTexture3,flowerTexture4,flowerTexture5];for(leti=0;i<FLOWER_NUM;i++){varspriteMaterial=newTHREE.SpriteMaterial({map:imageList[Math.floor(Math.random()*imageList.length)],});varsprite=newTHREE.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。

constwidth=window.innerWidth;constheight=window.innerHeight;constcamera=newTHREE.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：

constpointLight=newTHREE.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。

constrenderer=newTHREE.WebGLRenderer();functionrender(){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：

constfrequencyData=newUint8Array(analyser.frequencyBinCount);analyser.getByteFrequencyData(frequencyData);0

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constfrequencyData=newUint8Array(analyser.frequencyBinCount);analyser.getByteFrequencyData(frequencyData);//计算每个分组的平均频谱数据constaverageFrequencyData=[];for(leti=0;i<frequencyData.length;i+=STEP){letsum=0;for(letj=i;j<i+STEP;j++){sum+=frequencyData[j];}averageFrequencyData.push(sum/STEP);}//设置立方体的scaleYfor(leti=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。

constfrequencyData=newUint8Array(analyser.frequencyBinCount);analyser.getByteFrequencyData(frequencyData);2

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。

constfrequencyData=newUint8Array(analyser.frequencyBinCount);analyser.getByteFrequencyData(frequencyData);3

最终效果就是这样的：花瓣纷飞，频谱立方体随音乐跳动。

完整代码提交到了 github：

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

也在这里贴一份：

<!DOCTYPEhtml><htmllang="en"><head><metacharset="UTF-8"><title>音乐频谱可视化</title><style>body{margin:0;overflow:hidden;}</style><scriptsrc="./js/three.js"></script><scriptsrc="./js/OrbitControls.js"></script></head><body><script>letaudioCtx=newAudioContext();letsource,analyser;functiongetData(){source=audioCtx.createBufferSource();analyser=audioCtx.createAnalyser();returnfetch('./music/一路生花.mp3').then(function(response){if(!response.ok){thrownewError("HTTPerror,status="+response.status);}returnresponse.arrayBuffer();}).then(function(arrayBuffer){audioCtx.decodeAudioData(arrayBuffer,function(decodedData){source.buffer=decodedData;source.connect(analyser);analyser.connect(audioCtx.destination);});});};functiontriggerHandler(){getData().then(function(){source.start(0);create();render();});document.removeEventListener('mousedown',triggerHandler)}document.addEventListener('mousedown',triggerHandler);constSTEP=50;constCUBE_NUM=Math.ceil(1024/STEP);constFLOWER_NUM=400;constwidth=window.innerWidth;constheight=window.innerHeight;constscene=newTHREE.Scene();constcamera=newTHREE.PerspectiveCamera(45,width/height,0.1,1000);constrenderer=newTHREE.WebGLRenderer();/***花瓣分组*/constpetal=newTHREE.Group();/***频谱立方体*/constcubes=newTHREE.Group();functioncreate(){constpointLight=newTHREE.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(leti=0;i<CUBE_NUM;i++){constgeometry=newTHREE.BoxGeometry(10,10,10);constmaterial=newTHREE.MeshPhongMaterial({color:'yellowgreen'});constcube=newTHREE.Mesh(geometry,material);cube.translateX((10+10)*i);cube.translateY(1);cubes.add(cube);}cubes.translateX(-(10+10)*CUBE_NUM/2);varflowerTexture1=newTHREE.TextureLoader().load("img/flower1.png");varflowerTexture2=newTHREE.TextureLoader().load("img/flower2.png");varflowerTexture3=newTHREE.TextureLoader().load("img/flower3.png");varflowerTexture4=newTHREE.TextureLoader().load("img/flower4.png");varflowerTexture5=newTHREE.TextureLoader().load("img/flower5.png");varimageList=[flowerTexture1,flowerTexture2,flowerTexture3,flowerTexture4,flowerTexture5];for(leti=0;i<FLOWER_NUM;i++){varspriteMaterial=newTHREE.SpriteMaterial({map:imageList[Math.floor(Math.random()*imageList.length)],});varsprite=newTHREE.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);}functionrender(){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;}});constfrequencyData=newUint8Array(analyser.frequencyBinCount);analyser.getByteFrequencyData(frequencyData);constaverageFrequencyData=[];for(leti=0;i<frequencyData.length;i+=STEP){letsum=0;for(letj=i;j<i+STEP;j++){sum+=frequencyData[j];}averageFrequencyData.push(sum/STEP);}for(leti=0;i<averageFrequencyData.length;i++){cubes.children[i].scale.y=Math.floor(averageFrequencyData[i]*0.4);}constfrequencyData=newUint8Array(analyser.frequencyBinCount);analyser.getByteFrequencyData(frequencyData);2renderer.render(scene,camera);requestAnimationFrame(render);}constfrequencyData=newUint8Array(analyser.frequencyBinCount);analyser.getByteFrequencyData(frequencyData);3</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。