Three.js 實(shí)現(xiàn) 2022 冬奧主題 3D 趣味頁面

背景

迎冬奧，一起向未來！2022冬奧會(huì)馬上就要開始了，本文使用 Three.js + React 技術(shù)棧，實(shí)現(xiàn)冬日和奧運(yùn)元素，制作了一個(gè)充滿趣味和紀(jì)念意義的冬奧主題 3D 頁面。本文涉及到的知識(shí)點(diǎn)主要包括：TorusGeometry 圓環(huán)面、MeshLambertMaterial 非光澤表面材質(zhì)、MeshDepthMaterial 深度網(wǎng)格材質(zhì)、custromMaterial 自定義材質(zhì)、Points 粒子、PointsMaterial 點(diǎn)材質(zhì)等。

效果

實(shí)現(xiàn)效果如以下 ?? 動(dòng)圖所示，頁面主要由 2022 冬奧會(huì)吉祥物 冰墩墩 、奧運(yùn)五環(huán)、舞動(dòng)的旗幟 ??、樹木 ?? 以及下雪效果 ?? 等組成。按住鼠標(biāo)左鍵移動(dòng)可以改為相機(jī)位置，獲得不同視圖。

?? 在線預(yù)覽：https://dragonir.github.io/3d/#/olympic （部署在 GitHub，加載速度可能會(huì)有點(diǎn)慢 ??）

實(shí)現(xiàn)

引入資源

首先引入開發(fā)頁面所需要的庫和外部資源，OrbitControls 用于鏡頭軌道控制、TWEEN 用于補(bǔ)間動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)、GLTFLoader 用于加載 glb 或 gltf 格式的 3D 模型、以及一些其他模型、貼圖等資源。

import React from 'react';
import { OrbitControls } from "three/examples/jsm/controls/OrbitControls";
import { TWEEN } from "three/examples/jsm/libs/tween.module.min.js";
import { GLTFLoader } from "three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader";
import bingdundunModel from './models/bingdundun.glb';
// ...

頁面DOM結(jié)構(gòu)

頁面 DOM 結(jié)構(gòu)非常簡單，只有渲染 3D 元素的 #container 容器和顯示加載進(jìn)度的 .olympic_loading元素。

<div>
  <div id\="container"\></div\>
  {this.state.loadingProcess === 100 ? '' : (
    <div className\="olympic\_loading"\>
      <div className\="box"\>{this.state.loadingProcess} %</div\>
    </div\>
  )}
</div>

場景初始化

初始化渲染容器、場景、相機(jī)。關(guān)于這部分內(nèi)容的詳細(xì)知識(shí)點(diǎn)，可以查閱我往期的文章，本文中不再贅述。

container = document.getElementById('container');
renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true });
renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio);
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
renderer.shadowMap.enabled = true;
container.appendChild(renderer.domElement);
scene = new THREE.Scene();
scene.background = new THREE.TextureLoader().load(skyTexture);
camera = new THREE.PerspectiveCamera(60, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
camera.position.set(0, 30, 100);
camera.lookAt(new THREE.Vector3(0, 0, 0));

添加光源

本示例中主要添加了兩種光源：DirectionalLight 用于產(chǎn)生陰影，調(diào)節(jié)頁面亮度、AmbientLight 用于渲染環(huán)境氛圍。

// 直射光
const light = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 1);
light.intensity = 1;
light.position.set(16, 16, 8);
light.castShadow = true;
light.shadow.mapSize.width = 512 \* 12;
light.shadow.mapSize.height = 512 \* 12;
light.shadow.camera.top = 40;
light.shadow.camera.bottom = -40;
light.shadow.camera.left = -40;
light.shadow.camera.right = 40;
scene.add(light);
// 環(huán)境光
const ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xcfffff);
ambientLight.intensity = 1;
scene.add(ambientLight);

加載進(jìn)度管理

使用 THREE.LoadingManager 管理頁面模型加載進(jìn)度，在它的回調(diào)函數(shù)中執(zhí)行一些與加載進(jìn)度相關(guān)的方法。本例中的頁面加載進(jìn)度就是在 onProgress 中完成的，當(dāng)頁面加載進(jìn)度為 100% 時(shí)，執(zhí)行 TWEEN 鏡頭補(bǔ)間動(dòng)畫。

const manager = new THREE.LoadingManager();
manager.onStart = (url, loaded, total) => {};
manager.onLoad = () => { console.log('Loading complete!')};
manager.onProgress = (url, loaded, total) => {
  if (Math.floor(loaded / total \* 100) === 100) {
    this.setState({ loadingProcess: Math.floor(loaded / total \* 100) });
    // 鏡頭補(bǔ)間動(dòng)畫
    Animations.animateCamera(camera, controls, { x: 0, y: -1, z: 20 }, { x: 0, y: 0, z: 0 }, 3600, () => {});
  } else {
    this.setState({ loadingProcess: Math.floor(loaded / total \* 100) });
  }
};

創(chuàng)建地面

本示例中凹凸起伏的地面是使用 Blender 構(gòu)建模型，然后導(dǎo)出 glb 格式加載創(chuàng)建的。當(dāng)然也可以只使用 Three.js 自帶平面網(wǎng)格加凹凸貼圖也可以實(shí)現(xiàn)類似的效果。使用 Blender 自建模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以自由可視化地調(diào)整地面的起伏效果。

var loader = new THREE.GLTFLoader(manager);
loader.load(landModel, function (mesh) {
  mesh.scene.traverse(function (child) {
    if (child.isMesh) {
      child.material.metalness = .1;
      child.material.roughness = .8;
      // 地面
      if (child.name === 'Mesh\_2') {
        child.material.metalness = .5;
        child.receiveShadow = true;
      }
  });
  mesh.scene.rotation.y = Math.PI / 4;
  mesh.scene.position.set(15, -20, 0);
  mesh.scene.scale.set(.9, .9, .9);
  land = mesh.scene;
  scene.add(land);
});

創(chuàng)建冬奧吉祥物冰墩墩

現(xiàn)在添加可愛的冬奧會(huì)吉祥物熊貓冰墩墩 ??，冰墩墩同樣是使用 glb 格式模型加載的。它的原始模型來源于這里，從這個(gè)網(wǎng)站免費(fèi)現(xiàn)在模型后，原模型是使用 3D max 建的我發(fā)現(xiàn)并不能直接用在網(wǎng)頁中，需要在 Blender 中轉(zhuǎn)換模型格式，還需要調(diào)整調(diào)整模型的貼圖法線，才能還原渲染圖效果。

原模型：

冰墩墩貼圖:

轉(zhuǎn)換成Blender支持的模型，并在Blender中調(diào)整模型貼圖法線、并添加貼圖:

導(dǎo)出glb格式:

?? 在 Blender 中給模型添加貼圖教程傳送門：在Blender中怎么給模型貼圖

仔細(xì)觀察冰墩墩 ??可以發(fā)現(xiàn)，它的外面有一層透明塑料或玻璃質(zhì)感外殼，這個(gè)效果可以通過修改模型的透明度、金屬度、粗糙度等材質(zhì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)，最后就可以渲染出如 ?? banner圖 所示的那種效果，具體如以下代碼所示。

loader.load(bingdundunModel, mesh => {
  mesh.scene.traverse(child => {
    if (child.isMesh) {
      // 內(nèi)部
      if (child.name === 'oldtiger001') {
        child.material.metalness = .5
        child.material.roughness = .8
      }
      // 半透明外殼
      if (child.name === 'oldtiger002') {
        child.material.transparent = true;
        child.material.opacity = .5
        child.material.metalness = .2
        child.material.roughness = 0
        child.material.refractionRatio = 1
        child.castShadow = true;
      }
    }
  });
  mesh.scene.rotation.y = Math.PI / 24;
  mesh.scene.position.set(-8, -12, 0);
  mesh.scene.scale.set(24, 24, 24);
  scene.add(mesh.scene);
});

創(chuàng)建奧運(yùn)五環(huán)

奧運(yùn)五環(huán)由基礎(chǔ)幾何模型圓環(huán)面 TorusGeometry 來實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)建五個(gè)圓環(huán)面，并調(diào)整它們的材質(zhì)顏色和位置來構(gòu)成藍(lán)黑紅黃綠順序的五環(huán)結(jié)構(gòu)。五環(huán)材質(zhì)使用的是 MeshLambertMaterial。

const fiveCycles = \[
  { key: 'cycle\_0', color: 0x0885c2, position: { x: -250, y: 0, z: 0 }},
  { key: 'cycle\_1', color: 0x000000, position: { x: -10, y: 0, z: 5 }},
  { key: 'cycle\_2', color: 0xed334e, position: { x: 230, y: 0, z: 0 }},
  { key: 'cycle\_3', color: 0xfbb132, position: { x: -125, y: -100, z: -5 }},
  { key: 'cycle\_4', color: 0x1c8b3c, position: { x: 115, y: -100, z: 10 }}
\];
fiveCycles.map(item => {
  let cycleMesh = new THREE.Mesh(new THREE.TorusGeometry(100, 10, 10, 50), new THREE.MeshLambertMaterial({
    color: new THREE.Color(item.color),
    side: THREE.DoubleSide
  }));
  cycleMesh.castShadow = true;
  cycleMesh.position.set(item.position.x, item.position.y, item.position.z);
  meshes.push(cycleMesh);
  fiveCyclesGroup.add(cycleMesh);
});
fiveCyclesGroup.scale.set(.036, .036, .036);
fiveCyclesGroup.position.set(0, 10, -8);
scene.add(fiveCyclesGroup);

?? TorusGeometry 圓環(huán)面

TorusGeometry 一個(gè)用于生成圓環(huán)幾何體的類。

構(gòu)造函數(shù)：

TorusGeometry(radius: Float, tube: Float, radialSegments: Integer, tubularSegments: Integer, arc: Float)

• radius：圓環(huán)的半徑，從圓環(huán)的中心到管道（橫截面）的中心。默認(rèn)值是 1。
• tube：管道的半徑，默認(rèn)值為 0.4。
• radialSegments：圓環(huán)的分段數(shù)，默認(rèn)值為 8。
• tubularSegments：管道的分段數(shù)，默認(rèn)值為 6。
• arc：圓環(huán)的圓心角（單位是弧度），默認(rèn)值為 Math.PI * 2。

?? MeshLambertMaterial 非光澤表面材質(zhì)

一種非光澤表面的材質(zhì)，沒有鏡面高光。該材質(zhì)使用基于非物理的 Lambertian 模型來計(jì)算反射率。這可以很好地模擬一些表面（例如未經(jīng)處理的木材或石材），但不能模擬具有鏡面高光的光澤表面（例如涂漆木材）。

構(gòu)造函數(shù)：

MeshLambertMaterial(parameters : Object)

• parameters：（可選）用于定義材質(zhì)外觀的對(duì)象，具有一個(gè)或多個(gè)屬性。材質(zhì)的任何屬性都可以從此處傳入。

創(chuàng)建旗幟

旗面模型是從sketchfab下載的，還需要一個(gè)旗桿，可以在 Blender中添加了一個(gè)柱狀立方體，并調(diào)整好合適的長寬高和旗面結(jié)合起來。

旗面貼圖：

旗面添加了動(dòng)畫，需要在代碼中執(zhí)行動(dòng)畫幀播放。

loader.load(flagModel, mesh => {
  mesh.scene.traverse(child => {
    if (child.isMesh) {
      child.castShadow = true;
      // 旗幟
      if (child.name === 'mesh\_0001') {
        child.material.metalness = .1;
        child.material.roughness = .1;
        child.material.map = new THREE.TextureLoader().load(flagTexture);
      }
      // 旗桿
      if (child.name === '柱體') {
        child.material.metalness = .6;
        child.material.roughness = 0;
        child.material.refractionRatio = 1;
        child.material.color = new THREE.Color(0xeeeeee);
      }
    }
  });
  mesh.scene.rotation.y = Math.PI / 24;
  mesh.scene.position.set(2, -7, -1);
  mesh.scene.scale.set(4, 4, 4);
  // 動(dòng)畫
  let meshAnimation = mesh.animations\[0\];
  mixer = new THREE.AnimationMixer(mesh.scene);
  let animationClip = meshAnimation;
  let clipAction = mixer.clipAction(animationClip).play();
  animationClip = clipAction.getClip();
  scene.add(mesh.scene);
});

創(chuàng)建樹木

為了充實(shí)畫面，營造冬日氛圍，于是就添加了幾棵松樹 ?? 作為裝飾。添加松樹的時(shí)候用到一個(gè)技巧非常重要：我們知道因?yàn)闃涞哪Ｐ头浅?fù)雜，有非常多的面數(shù)，面數(shù)太多會(huì)降低頁面性能，造成卡頓。本文中使用兩個(gè)如下圖 ?? 所示的兩個(gè)交叉的面來作為樹的基座，這樣的話樹只有兩個(gè)面數(shù)，使用這個(gè)技巧可以和大程度上優(yōu)化頁面性能，而且樹 ?? 的樣子看起來也是有 3D 感的。

材質(zhì)貼圖：

為了使樹只在貼圖透明部分透明、其他地方不透明，并且可以產(chǎn)生樹狀陰影而不是長方體陰影，需要給樹模型添加如下 MeshPhysicalMaterial、MeshDepthMaterial 兩種材質(zhì)，兩種材質(zhì)使用同樣的紋理貼圖，其中 MeshDepthMaterial 添加到模型的 custromMaterial 屬性上。

 let treeMaterial = new THREE.MeshPhysicalMaterial({
  map: new THREE.TextureLoader().load(treeTexture),
  transparent: true,
  side: THREE.DoubleSide,
  metalness: .2,
  roughness: .8,
  depthTest: true,
  depthWrite: false,
  skinning: false,
  fog: false,
  reflectivity: 0.1,
  refractionRatio: 0,
});
let treeCustomDepthMaterial = new THREE.MeshDepthMaterial({
  depthPacking: THREE.RGBADepthPacking,
  map: new THREE.TextureLoader().load(treeTexture),
  alphaTest: 0.5
});
loader.load(treeModel, mesh => {
  mesh.scene.traverse(child =>{
    if (child.isMesh) {
      child.material = treeMaterial;
      child.custromMaterial = treeCustomDepthMaterial;
    }
  });
  mesh.scene.position.set(14, -9, 0);
  mesh.scene.scale.set(16, 16, 16);
  scene.add(mesh.scene);
  // 克隆另兩棵樹
  let tree2 = mesh.scene.clone();
  tree2.position.set(10, -8, -15);
  tree2.scale.set(18, 18, 18);
  scene.add(tree2)
  // ...
});

實(shí)現(xiàn)效果也可以從 ?? 上面 Banner 圖中可以看到，為了畫面更好看，我取消了樹的陰影顯示。

?? 在 3D 功能開發(fā)中，一些不重要的裝飾模型都可以采取這種策略來優(yōu)化。

?? MeshDepthMaterial 深度網(wǎng)格材質(zhì)

一種按深度繪制幾何體的材質(zhì)。深度基于相機(jī)遠(yuǎn)近平面，白色最近，黑色最遠(yuǎn)。

構(gòu)造函數(shù)：

MeshDepthMaterial(parameters: Object)

• parameters：（可選）用于定義材質(zhì)外觀的對(duì)象，具有一個(gè)或多個(gè)屬性。材質(zhì)的任何屬性都可以從此處傳入。

特殊屬性：

• .depthPacking[Constant]：depth packing 的編碼。默認(rèn)為 BasicDepthPacking。
• .displacementMap[Texture]：位移貼圖會(huì)影響網(wǎng)格頂點(diǎn)的位置，與僅影響材質(zhì)的光照和陰影的其他貼圖不同，移位的頂點(diǎn)可以投射陰影，阻擋其他對(duì)象，以及充當(dāng)真實(shí)的幾何體。
• .displacementScale[Float]：位移貼圖對(duì)網(wǎng)格的影響程度（黑色是無位移，白色是最大位移）。如果沒有設(shè)置位移貼圖，則不會(huì)應(yīng)用此值。默認(rèn)值為 1。
• .displacementBias[Float]：位移貼圖在網(wǎng)格頂點(diǎn)上的偏移量。如果沒有設(shè)置位移貼圖，則不會(huì)應(yīng)用此值。默認(rèn)值為 0。

?? custromMaterial 自定義材質(zhì)

給網(wǎng)格添加 custromMaterial 自定義材質(zhì)屬性，可以實(shí)現(xiàn)透明外圍 png 圖片貼圖的內(nèi)容區(qū)域陰影。

創(chuàng)建雪花

創(chuàng)建雪花 ??，就要用到粒子知識(shí)。THREE.Points 是用來創(chuàng)建點(diǎn)的類，也用來批量管理粒子。本例中創(chuàng)建了 1500 個(gè)雪花粒子，并為它們?cè)O(shè)置了限定三維空間的隨機(jī)坐標(biāo)及橫向和豎向的隨機(jī)移動(dòng)速度。

// 雪花貼圖
let texture = new THREE.TextureLoader().load(snowTexture);
let geometry = new THREE.Geometry();
let range = 100;
let pointsMaterial = new THREE.PointsMaterial({
  size: 1,
  transparent: true,
  opacity: 0.8,
  map: texture,
  // 背景融合
  blending: THREE.AdditiveBlending,
  // 景深衰弱
  sizeAttenuation: true,
  depthTest: false
});
for (let i = 0; i < 1500; i++) {
  let vertice = new THREE.Vector3(Math.random() \* range - range / 2, Math.random() \* range \* 1.5, Math.random() \* range - range / 2);
  // 縱向移速
  vertice.velocityY = 0.1 + Math.random() / 3;
  // 橫向移速
  vertice.velocityX = (Math.random() - 0.5) / 3;
  // 加入到幾何
  geometry.vertices.push(vertice);
}
geometry.center();
points = new THREE.Points(geometry, pointsMaterial);
points.position.y = -30;
scene.add(points);

?? Points 粒子

Three.js 中，雨 ???、雪 ??、云 ??、星辰 ? 等生活中常見的粒子都可以使用 Points 來模擬實(shí)現(xiàn)。

構(gòu)造函數(shù)：

new THREE.Points(geometry, material);

• 構(gòu)造函數(shù)可以接受兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)幾何體和一個(gè)材質(zhì)，幾何體參數(shù)用來制定粒子的位置坐標(biāo)，材質(zhì)參數(shù)用來格式化粒子；
• 可以基于簡單幾何體對(duì)象如 BoxGeometry、SphereGeometry等作為粒子系統(tǒng)的參數(shù)；
• 一般來講，需要自己指定頂點(diǎn)來確定粒子的位置。

?? PointsMaterial 點(diǎn)材質(zhì)

通過 THREE.PointsMaterial 可以設(shè)置粒子的屬性參數(shù)，是 Points 使用的默認(rèn)材質(zhì)。

構(gòu)造函數(shù)：

PointsMaterial(parameters : Object)

• parameters：（可選）用于定義材質(zhì)外觀的對(duì)象，具有一個(gè)或多個(gè)屬性。材質(zhì)的任何屬性都可以從此處傳入。

?? 材質(zhì)屬性 .blending

材質(zhì)的.blending 屬性主要控制紋理融合的疊加方式，.blending 屬性的值包括：

• THREE.NormalBlending：默認(rèn)值
• THREE.AdditiveBlending：加法融合模式
• THREE.SubtractiveBlending：減法融合模式
• THREE.MultiplyBlending：乘法融合模式
• THREE.CustomBlending：自定義融合模式，與 .blendSrc, .blendDst 或 .blendEquation 屬性組合使用

?? 材質(zhì)屬性 .sizeAttenuation

粒子的大小是否會(huì)被相機(jī)深度衰減，默認(rèn)為 true（僅限透視相機(jī)）。

?? Three.js 向量

幾維向量就有幾個(gè)分量，二維向量 Vector2 有 x 和 y 兩個(gè)分量，三維向量 Vector3 有x、y、z 三個(gè)分量，四維向量 Vector4 有 x、y、z、w 四個(gè)分量。

相關(guān)API：

• Vector2：二維向量
• Vector3：三維向量
• Vector4：四維向量

鏡頭控制、縮放適配、動(dòng)畫

controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement);
controls.target.set(0, 0, 0);
controls.enableDamping = true;
// 禁用平移
controls.enablePan = false;
// 禁用縮放
controls.enableZoom = false;
// 垂直旋轉(zhuǎn)角度限制
controls.minPolarAngle = 1.4;
controls.maxPolarAngle = 1.8;
// 水平旋轉(zhuǎn)角度限制
controls.minAzimuthAngle = -.6;
controls.maxAzimuthAngle = .6;

window.addEventListener('resize', () => {
  camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;
  camera.updateProjectionMatrix();
  renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
}, false);

function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);
  renderer.render(scene, camera);
  controls && controls.update();
  // 旗幟動(dòng)畫更新
  mixer && mixer.update(new THREE.Clock().getDelta());
  // 鏡頭動(dòng)畫
  TWEEN && TWEEN.update();
  // 五環(huán)自轉(zhuǎn)
  fiveCyclesGroup && (fiveCyclesGroup.rotation.y += .01);
  // 頂點(diǎn)變動(dòng)之后需要更新，否則無法實(shí)現(xiàn)雨滴特效
  points.geometry.verticesNeedUpdate = true;
  // 雪花動(dòng)畫更新
  let vertices = points.geometry.vertices;
  vertices.forEach(function (v) {
    v.y = v.y - (v.velocityY);
    v.x = v.x - (v.velocityX);
    if (v.y <= 0) v.y = 60;
    if (v.x <= -20 || v.x >= 20) v.velocityX = v.velocityX \* -1;
  });
}

?? 完整代碼：https://github.com/dragonir/3...

總結(jié)

?? 本文中主要包含的新知識(shí)點(diǎn)包括：

• TorusGeometry 圓環(huán)面
• MeshLambertMaterial 非光澤表面材質(zhì)
• MeshDepthMaterial 深度網(wǎng)格材質(zhì)
• custromMaterial 自定義材質(zhì)
• Points 粒子
• PointsMaterial 點(diǎn)材質(zhì)
• 材質(zhì)屬性 .blending、.sizeAttenuation
• Three.js 向量

進(jìn)一步優(yōu)化的空間:

• 添加更多的交互功能、界面樣式進(jìn)一步優(yōu)化；
• 吉祥物冰墩墩添加骨骼動(dòng)畫，并可以通過鼠標(biāo)和鍵盤控制其移動(dòng)和交互。

下期預(yù)告：

• 《Metahuman元人類！Three.js人像優(yōu)化》

想了解場景初始化、光照、陰影、基礎(chǔ)幾何體、網(wǎng)格、材質(zhì)及其他 Three.js 的相關(guān)知識(shí)，可閱讀我往期文章。如果覺得文章對(duì)你有幫助，不要忘了一鍵三連哦 ??。