基于 webGL 的元素周期表 3D 交互展示

前言

之前在网上看到别人写的有关元素周期表的文章，深深的勾起了一波回忆，记忆里初中时期背的“氢氦锂铍硼，碳氮氧氟氖，钠镁铝硅磷，硫氯氩钾钙”、“养（氧）龟（硅）铝铁盖（钙），哪（钠）家（钾）没（镁）青（氢）菜（钛）”，高中时期记的质量守恒、元素守恒、原子守恒、电子守恒，时间过的飞快，转眼我们都已经这么大了。。。

现在我用 HT 来实现它，HT 有 2D 拓扑和 3D 模型场景，两种形式我都实现了，话不多说，先看效果图。

界面展示

整个页面由 HT UI 组件构成，使用 ht.ui.TabLayout 标签页布局组件，进行 23D 界面的分别展示。

2D界面：整体是一个 ht.ui.SplitLayout 分割组件（左右分割），左边使用 ht.ui.HTView 包装了 GraphView 拓扑图组件，右边是一个 ht.ui.Form 表单组件。

3D界面：整体是一个 ht.ui.SplitLayout 分割组件（上下分割），上边添加了 ht.ui.HBoxLayout 构成的按钮组，下边是使用 ht.ui.HTView 包装了 Graph3dView 场景。

demo 地址：http://www.hightopo.com/demo/elementTable/index.html

2D 界面代码分析

拓扑图组件

先来说左边的拓扑图组件，ht.graph.GraphView 是 HT 框架中 2D 功能最丰富的组件，具有基本图形的呈现和编辑功能，拓扑节点连线及自动布局功能，电力和电信等行业预定义对象，具有动画渲染等特效， 因此其应用面很广泛，可作为监控领域的绘图工具和人机界面，可作为一般性的图形化编辑工具，可扩展成工作流和组织图等企业应用。

拓扑图中展示的 118 个元素，每一个都是 ht.Node 拓扑节点，默认的节点展示是一个小电脑样式，在这里我们通过 setImage 设置节点显示的图片信息，如下图：

矢量图通过点、线和多边形来描述图形，因此在无限放大和缩小图片的情况下依然能保持一致的精确度。上图就是一张矢量图，由 1 个矩形和 6 个文字组成，任意缩放不失真，大家可以访问 demo 地址，通过滚轮来缩放拓扑图进行体验，具体矢量图的绘制请参考矢量手册。

肯定有人会有疑问，118 种元素，是否要绘制 118 张矢量图，感觉稍微还能接受，如果是成千上万呢，那么人会累趴下的。不用怕，HT 帮我们解决了这个问题，对绘制的矢量图进行数据绑定，将绘制内容的属性绑定到节点的属性上，应用中通过更新节点对应属性，图形界面就会自动刷新，达到实时显示数据的效果，比如我的这张矢量图，我将 6 个元素属性文本内容和字体颜色以及矩形背景色都进行了数据绑定，绑定好之后我只需要通过  node.a('background', '#FEB64D') 就可以修改矩形的背景色（backgrouond 是矩形背景色绑定的属性），具体数据绑定请参考数据绑定手册。

既然说到了数据绑定，我们就先看下显示元素分类的功能，如下图对比，节点样式的变化不是通过重新 setImage 设置另一张矢量图，而是修改原矢量中绑定的样式属性。根据元素所属类别，修改矢量图的矩形背景色、元素中文名文本颜色。切换状态的按钮是 ht.ui.ToggleButton 开关按钮，拥有“0/1”两种状态的切换，通过监听按钮是否选中，来切换元素周期表样式。

 1 toggle.on('p:selected', e => {
 2     if (e.newValue) {
 3         this.htView.legend.s('2d.visible', true); // 显示类别图例
 4         this.htView.addClassification(); // 展示分类
 5     }
 6     else {
 7         this.htView.legend.s('2d.visible', false); // 隐藏类别图例
 8         this.htView.initElements(); // 原始样式
 9     }
10 });

元素类别图例也是一个 ht.Node 节点，同样是绘制的矢量，它从一开始就在图纸中， node.s('2d.visible', false) 设置为不可见，要展示分类时，再设置为 true 显示。

表单面板

右边的表单面板有 5 行，第 2 行就是上边提到的显示分类功能，第 3 行是一个文本输入框，用来获取元素序数，限制了只能输入数字，还增加了输入数的验证，只能输入 1~118 。

代码如下：

 1 let textField = new ht.ui.TextField();
 2 textField.setFormDataName('textField'); // 设置在表单中的名称
 3 textField.setPlaceholder('请输入查询的元素序数！');
 4 textField.setMaskRe(/\d/); // 限制只能输入数字
 5 textField.setInstant(true); // 开启即时模式，值改变就派发属性改变事件
 6 textField.on('p:value', (e) => { // 监听值改变事件
 7     let value = e.newValue;
 8     if (value > 118) {
 9         textField.setErrorMessage('只有 1 ~ 118 号元素哟！', {
10             placements: ['top']
11         });
12     }
13     else { textField.setErrorMessage(null); }
14 });

第 4 行是一个文本区域 ht.ui.TextArea，用来展示查询的元素信息。

第 5 行是一组按钮，用来提交查询数据和重置表单信息。

3D 界面代码分析

按钮组

上边是一个 ht.ui.HBoxLayout 横向布局器，hbox 中添加了 4 个按钮，来进行 3D 形态转换。

按钮支持图标和文字，提供 normal、hover、active、disabled 四种状态，按钮生成代码：

 1 createButton(text) {
 2     let button = new ht.ui.Button();
 3     button.setBorder(null);
 4     button.setHoverBorder(null);
 5     button.setActiveBorder(null);
 6     button.setBackground(new ht.ui.drawable.ColorDrawable('rgba(37,115,194,0.6)', 4)); // normal 背景
 7     button.setHoverBackground(new ht.ui.drawable.ColorDrawable('rgba(10,92,173,0.50)', 4)); // hover 背景
 8     button.setActiveBackground(new ht.ui.drawable.ColorDrawable('rgba(15,132,250,0.6)', 4)); // active 背景
 9     button.setText(text);
10     button.setTextColor('rgb(0, 211, 255)');
11     button.setHoverTextColor('rgb(0, 211, 255)');
12     button.setActiveTextColor('rgb(0, 211, 255)');
13
14     return button;
15 }

通过 button.on('click', e => { // 切换函数 }) 来监听点击事件。

3D 场景

下边是 ht.graph3d.Graph3dView，通过对 WebGL 底层技术的封装，与 HT 其他组件一样， 基于 HT 统一的 DataModel 数据模型来驱动图形显示，极大降低了 3D 图形技术开发的门槛，在熟悉 HT 数据模型基础上， 一般程序员只需要 1 个小时的学习即可上手 3D 图形开发。

元素在 3D 场景显示为一个面片，对面片进行 2D 时做好的矢量贴图，同样通过修改节点属性，来控制显示样式。

1 node.s({
2     'shape3d': 'billboard', // 设置节点类型为‘billboard’公告板
3     'shape3d.image': 'symbols/元素2.json', // 设置面片贴图
4     'shape3d.reverse.flip': true, // 设置反面是否显示正面内容
5     'shape3d.image.cache': true, // 进行贴图缓存
6     'shape3d.fixSizeOnScreen': false, // 设置是否固定保持屏幕大小，不随缩放而变化
7     'select.brightness': 1 // 设置选中亮度为 1
8 });

接下来说几种旋转变化，dm 是 DataModel 即绑定的数据容器，datasMap 用来存放元素变化前后的位置信息，用于动画驱动时使用。

1. 随机打乱：设置一组空间范围值，生成范围内的（x,y,z）随机值，用以设置节点位置。

 1 let dm = this.dm,
 2     datasMap = {};
 3
 4 dm.each(data => {
 5     let x = Math.random() * 2000 - 1000; // 获取随机 x
 6     let y = Math.random() * 2000 - 1000; // 获取随机 y
 7     let z = Math.random() * 500 - 250; // 获取随机 z
 8
 9     let position = data.getPosition3d(),
10         px = position[0],
11         py = position[1],
12         pz = position[2];
13
14     datasMap[data] = {
15         x: x,
16         y: y,
17         z: z,
18         px: px,
19         py: py,
20         pz: pz
21     };
22 });

2. 球形环绕：绕球面螺旋线生成点坐标。

 1 let dm = this.dm,
 2     datas = dm.getDatas(),
 3     datasMap = {};
 4
 5 let r = 400,
 6     theta, phi;
 7
 8 for (let i = 0; i < 118; i++) {
 9     let data = datas.get(i);
10     theta = (i + 1) / 118 * 180; // 获取球系坐标
11     phi = (i + 1) / 118 * 360 * 10; // 获取球系坐标
12 　　 // 球系坐标转换为 HT 三维坐标
13     let z = r * Math.sin(theta * Math.PI / 180) * Math.cos(phi * Math.PI / 180),
14         x = r * Math.sin(theta * Math.PI / 180) * Math.sin(phi * Math.PI / 180),
15         y = r * Math.cos(theta * Math.PI / 180);
16
17     let position = data.getPosition3d(),
18     px = position[0],
19     py = position[1],
20     pz = position[2];
21
22     datasMap[data] = {
23         x: x,
24         y: y,
25         z: z,
26         px: px,
27         py: py,
28         pz: pz
29     };
30 }

3. 环形围绕：设置一个环绕半径、起始高度，以固定角度旋转，每次降低节点的设置高度。

 1 let dm = this.dm,
 2     datasMap = {},
 3     datas = dm.getDatas(),
 4     radius = 400,
 5     angle = 18,
 6     num = 360 / angle;
 7
 8 let y = 300,
 9     count = 0;
10 for (let i = 0; i < 6; i++) {
11     for (let j = 0; j < num; j++) {
12         let data = datas.get(count),
13             radian = Math.PI / 180 * j * angle;
14
15         if (!data) break;
16         count++;
17
18         let x = radius * Math.cos(radian),
19             z = radius * Math.sin(radian);
20
21         let position = data.p3(),
22             px = position[0],
23             py = position[1],
24             pz = position[2];
25
26         datasMap[data] = {
27             x: x,
28             y: y,
29             z: z,
30             px: px,
31             py: py,
32             pz: pz
33         };
34         y -= 6;
35     }
36 }

4. 复原：根据记录的元素的行数和列数，计算元素节点的 xy 值，z 值固定。

 1 let dm = this.dm,
 2     datasMap = {};
 3
 4 dm.each(data => {
 5     let index = data.a('index'),
 6         row = data.a('row'),
 7         col = data.a('col');
 8
 9     let position = data.getPosition3d(),
10         px = position[0],
11         py = position[1],
12         pz = position[2];
13
14     datasMap[data] = {
15         index: index,
16         row: row,
17         col: col,
18         px: px,
19         py: py,
20         pz: pz
21     };
22 });

5. 元素切换状态时的动画：详情了解入门手册动画

 1 ht.Default.startAnim({
 2     duration: 1500,
 3     easing: function(t) {
 4         return t * t;
 5     },
 6     action: function(v, t) {
 7         dm.each(data => {
 8             let info = datasMap[data],
 9                 x = info.x,
10                 y = info.y,
11                 z = info.z,
12                 px = info.px,
13                 py = info.py,
14                 pz = info.pz;
15
16             data.p3(px + v * (x - px), py + v * (y - py), pz + v * (z - pz)); // 移动元素位置
17             data.lookAt([0, y, 0], 'back'); // 调整元素朝向
18         });
19     }
20 });

总结

再次看过元素周期表，你是否想起化学课上满黑板的化学方程式，是否想起了化学实验课酒精灯的燃烧，是否还记得实验操作流程、仪器的正确摆放。

再来操作一次：http://www.hightopo.com/demo/chemistry/index.html