Three.js 材质(Material)详解 —— 区别、原理、场景与示例

一、概念

在 Three.js 中，材质（Material）决定了几何体表面的外观——包括颜色、光照反应、透明度、反射率、甚至物理属性。
简单来说，几何体是形状，材质是皮肤。
不同的材质会模拟不同的现实渲染效果，从低成本的“纯色贴图”，到高质量的 PBR（基于物理的渲染） 。

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二、原理

材质的核心是 着色器（Shader） ，即 GPU 上运行的小程序。
Three.js 提供了两类材质：

1. 内置材质：如 MeshPhongMaterial、MeshStandardMaterial，直接调用，简单易用。
2. 自定义材质：如 ShaderMaterial、RawShaderMaterial，需要自己写 GLSL。

不同材质的底层实现基于不同的 光照模型：

• Lambert（漫反射） → 粗糙表面，无镜面高光。
• Phong（冯氏模型） → 漆面、陶瓷，带镜面反射。
• Standard / Physical（PBR 模型） → 金属、玻璃、水，逼真模拟。

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三、对比

材质	是否受光照影响	主要参数	适用场景	性能开销
SpriteMaterial	否	map, color	2D 图标、UI、特效	★
ShadowMaterial	特殊	opacity	阴影接收	★
ShaderMaterial	自定义	uniforms, vertex/fragmentShader	特效、波纹、火焰	★★★★
RawShaderMaterial	自定义	完全自写 GLSL	高级渲染	★★★★★
PointsMaterial	否	size, map	粒子系统、星空、点云	★
MeshToonMaterial	是	gradientMap	卡通渲染、漫画风	★★
MeshStandardMaterial	是	metalness, roughness, map	木材、金属、石头	★★★
MeshPhysicalMaterial	是	transmission, clearcoat	玻璃、水、宝石	★★★★
MeshPhongMaterial	是	shininess, specular	漆面、塑料	★★
MeshNormalMaterial	否	无需参数	法线调试	★
MeshLambertMaterial	是	color	布料、纸张	★
MeshMatcapMaterial	否	matcap 纹理	ZBrush 风格快速预览	★
MeshDistanceMaterial	特殊	near, far	阴影、深度编码	★

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四、实践（示例代码）

import * as THREE from 'three';

// 初始化场景
const scene = new THREE.Scene();

// 相机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(60, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
camera.position.set(0, 2, 10);

// 渲染器
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true });
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
renderer.shadowMap.enabled = true;
document.body.appendChild(renderer.domElement);

// 灯光
const light = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 1);
light.position.set(5, 5, 5);
light.castShadow = true;
scene.add(light);

// 地面接收阴影
const ground = new THREE.Mesh(
  new THREE.PlaneGeometry(20, 20),
  new THREE.ShadowMaterial({ opacity: 0.3 })
);
ground.rotation.x = -Math.PI / 2;
ground.receiveShadow = true;
scene.add(ground);

// 常见几何体
const geometry = new THREE.SphereGeometry(0.7, 32, 32);

// 各种材质
const materials = [
  new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000 }),
  new THREE.MeshLambertMaterial({ color: 0x00ff00 }),
  new THREE.MeshPhongMaterial({ color: 0x0000ff, shininess: 80 }),
  new THREE.MeshStandardMaterial({ color: 0xffff00, metalness: 0.8, roughness: 0.2 }),
  new THREE.MeshPhysicalMaterial({ color: 0x00ffff, transmission: 0.9, thickness: 0.5 }),
  new THREE.MeshToonMaterial({ color: 0xff00ff }),
  new THREE.MeshNormalMaterial(),
  new THREE.MeshMatcapMaterial({ matcap: new THREE.TextureLoader().load('matcap.png') })
];

// 逐个摆放材质球
materials.forEach((mat, i) => {
  const mesh = new THREE.Mesh(geometry, mat);
  mesh.position.x = (i - 3.5) * 2;
  mesh.castShadow = true;
  scene.add(mesh);
});

// 粒子系统
const particlesGeo = new THREE.BufferGeometry();
const count = 500;
const positions = new Float32Array(count * 3);
for (let i = 0; i < count * 3; i++) positions[i] = (Math.random() - 0.5) * 10;
particlesGeo.setAttribute('position', new THREE.BufferAttribute(positions, 3));
const particles = new THREE.Points(particlesGeo, new THREE.PointsMaterial({ color: 0xffffff, size: 0.05 }));
scene.add(particles);

// 精灵
const spriteTex = new THREE.TextureLoader().load('https://threejs.org/examples/textures/sprite.png');
const sprite = new THREE.Sprite(new THREE.SpriteMaterial({ map: spriteTex }));
sprite.position.set(0, 3, 0);
scene.add(sprite);

// 渲染循环
function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);
  renderer.render(scene, camera);
}
animate();

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五、拓展

1. 性能优化：移动端尽量避免 PhysicalMaterial，优先 Lambert 或 Matcap。
2. 项目应用：建筑可视化用 StandardMaterial，游戏用 ToonMaterial，展示产品用 PhysicalMaterial。
3. 调试工具：NormalMaterial 和 DistanceMaterial 特别适合调试几何体和阴影效果。

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六、潜在问题

• 性能瓶颈：PBR 在低端设备上容易掉帧。
• 阴影丢失：如果 renderer.shadowMap 没启用，ShadowMaterial 不生效。
• 光照依赖：忘记添加光源时，Lambert、Phong、Standard 会显示黑色。
• 兼容性：RawShaderMaterial 在不同浏览器可能表现差异。

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