元素周期表 3D 交互可视化展示， 程序员的学生时代回忆录

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“氢氦锂氦硼，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。

闲来无事和程序员同事探讨着学生时期学习元素周期表时候的事情，我的程序员同事决定用 HT 来做一个关于元素周期表的可视化展示。HT 有 2D 拓扑和 3D 模型场景，这次的分享两种形式都实现了，那么让我们来看看吧~

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。

动态预览地址：https://www.hightopo.com/demos/index.html

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。

整体视频演示：

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。

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

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：

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

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：

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

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 是最好的矢量贴图，同样通过修改节点属性，来控制显示样式。

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

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。

let dm = this.dm,
    datasMap = {};
dm.each(data => {
    let x = Math.random() * 2000 - 1000; // 获取随机 x
    let y = Math.random() * 2000 - 1000; // 获取随机 y
    let z = Math.random() * 500 - 250; // 获取随机 z
    let position = data.getPosition3d(),
        px = position[0],
        py = position[1],
        pz = position[2];
    datasMap[data] = {
        x: x,
        y: y,
        z: z,
        px: px,
        py: py,
        pz: pz
    };
});

2. 球形环绕：绕球面螺旋线生成点坐标。

let dm = this.dm,
    datas = dm.getDatas(),
    datasMap = {};
let r = 400,
    theta, phi;
for (let i = 0; i < 118; i++) { 
    let data = datas.get(i);
    theta = (i + 1) / 118 * 180; // 获取球系坐标
    phi = (i + 1) / 118 * 360 * 10; // 获取球系坐标
　　 // 球系坐标转换为 HT 三维坐标
    let z = r * Math.sin(theta * Math.PI / 180) * Math.cos(phi * Math.PI / 180),
        x = r * Math.sin(theta * Math.PI / 180) * Math.sin(phi * Math.PI / 180),
        y = r * Math.cos(theta * Math.PI / 180);
    let position = data.getPosition3d(),
    px = position[0],
    py = position[1],
    pz = position[2];
    datasMap[data] = {
        x: x,
        y: y,
        z: z,
        px: px,
        py: py,
        pz: pz
    };
}

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。

var dm = this.dm,
    datasMap = {},
    datas = dm.getDatas(),
    radius = 400,
    angle = 18,
    num = 360 / angle;
var y = 300, 
    count = 0;
for (var i = 0; i < 6; i++) {
    for (var j = 0; j < num; j++) {
        let data = datas.get(count),
            radian = Math.PI / 180 * j * angle;
        if (!data) break;
        count++;
        let x = radius * Math.cos(radian),
            z = radius * Math.sin(radian);
        let position = data.p3(),
            px = position[0],
            py = position[1],
            pz = position[2];
        datasMap[data] = {
            x: x,
            y: y,
            z: z,
            px: px,
            py: py,
            pz: pz
        };                
        y -= 6;
    }
}

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。

var dm = this.dm,
    datasMap = {};
dm.each(data => {
    var index = data.a('index'),
        row = data.a('row'),
        col = data.a('col');
    var position = data.getPosition3d(),
        px = position[0],
        py = position[1],
        pz = position[2];
    datasMap[data] = {
        index: index,
        row: row,
        col: col,
        px: px,
        py: py,
        pz: pz
    };
});

5. 元素切换状态时的动画：详情了解入门手册动画https://www.hightopo.com/guide/guide/core/beginners/ht-beginners-guide.html#ref_animation

ht.Default.startAnim({
    duration: 1500,
    easing: function(t) { 
        return t * t;
    },
    action: function(v, t) {
        dm.each(data => {
            let info = datasMap[data],
                x = info.x,
                y = info.y,
                z = info.z,
                px = info.px,
                py = info.py,
                pz = info.pz;
            data.p3(px + v * (x - px), py + v * (y - py), pz + v * (z - pz)); // 移动元素位置
            data.lookAt([0, y, 0], 'back'); // 调整元素朝向
        });
    }
});