臥槽！用代碼實現(xiàn)冰墩墩，太浪漫了吧

北京冬奧會正在如火如荼的進(jìn)行中，其吉祥物 —— 冰墩墩也非常受大家的喜愛。

你搶到冰墩墩了么？

沒搶到也沒關(guān)系，作為一名程序員，我們有屬于自己的浪漫，搶不到就自己做一個！

這不，思否的一位大佬 dragonir ，憑借高超的前端技術(shù)和建模技術(shù)，使用 Three.js + React 技術(shù)棧，自己創(chuàng)造了一個充滿趣味和紀(jì)念意義的冬奧主題 3D 頁面！

效果

實現(xiàn)效果如以下 ?? 動圖所示，頁面主要由 2022 冬奧會吉祥物 冰墩墩 、奧運五環(huán)、舞動的旗幟 ??、樹木 ?? 以及下雪效果 ?? 等組成。按住鼠標(biāo)左鍵移動可以改為相機(jī)位置，獲得不同視圖。

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

看了之后，就想說兩個字：臥槽?。魏涡【帥]文化，一句臥槽走天下）

下面分享一下這個網(wǎng)頁的實現(xiàn)過程（作者：dragonir）。

知識點

本文涉及到的知識點主要包括：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 點材質(zhì)等。

實現(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)間動畫實現(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)知識點，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，執(zhí)行 TWEEN 鏡頭補(bǔ)間動畫。

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現(xiàn)類似的效果。使用 Blender 自建模型的優(yōu)點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，從這個網(wǎng)站免費現(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)建奧運五環(huán)

奧運五環(huán)由基礎(chǔ)幾何模型圓環(huán)面 TorusGeometry 來實現(xiàn)，創(chuàng)建五個圓環(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)外觀的對象，具有一個或多個屬性。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，還需要一個旗桿，可以在 Blender中添加了一個柱狀立方體，并調(diào)整好合適的長寬高和旗面結(jié)合起來。

旗面貼圖：

旗面添加了動畫，需要在代碼中執(zhí)行動畫幀播放。

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。添加松樹的時候用到一個技巧非常重要：我們知道因為樹的模型非常復(fù)雜，有非常多的面數(shù)，面數(shù)太多會降低頁面性能，造成卡頓。本文中使用兩個如下圖 ?? 所示的兩個交叉的面來作為樹的基座，這樣的話樹只有兩個面數(shù)，使用這個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)外觀的對象，具有一個或多個屬性。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]：位移貼圖會影響網(wǎng)格頂點的位置，與僅影響材質(zhì)的光照和陰影的其他貼圖不同，移位的頂點可以投射陰影，阻擋其他對象，以及充當(dāng)真實的幾何體。
• .displacementScale[Float]：位移貼圖對網(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，則不會應(yīng)用此值。默認(rèn)值為 1。
• .displacementBias[Float]：位移貼圖在網(wǎng)格頂點上的偏移量。如果沒有設(shè)置位移貼圖，則不會應(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。THREE.Points 是用來創(chuàng)建點的類，也用來批量管理粒子。本例中創(chuàng)建了 1500 個雪花粒子，并為它們設(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)可以接受兩個參數(shù)，一個幾何體和一個材質(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，需要自己指定頂點來確定粒子的位置。

?? PointsMaterial 點材質(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)外觀的對象，具有一個或多個屬性。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

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

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();
  // 旗幟動畫更新
  mixer && mixer.update(new THREE.Clock().getDelta());
  // 鏡頭動畫
  TWEEN && TWEEN.update();
  // 五環(huán)自轉(zhuǎn)
  fiveCyclesGroup && (fiveCyclesGroup.rotation.y += .01);
  // 頂點變動之后需要更新，否則無法實現(xiàn)雨滴特效
  points.geometry.verticesNeedUpdate = true;
  // 雪花動畫更新
  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;
  });
}

?? 完整開源代碼：https://github.com/dragonir/3d/tree/master/src/containers/Olympic

總結(jié)

?? 本文中主要包含的新知識點包括：

• 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畫，并可以通過鼠標(biāo)和鍵盤控制其移動和交互。
  
  

真的是太硬核了！dragonir 同學(xué)寫的那么詳細(xì)，看來他是真的想教會我們。

?? 點擊下方閱讀原文直接查看網(wǎng)頁，3D 可視化方向的同學(xué)，也可以看源碼來學(xué)習(xí)哦~