基於 HTML5 WebGL 的發動機 3D 視覺化系統

前言

工業機械產品大多體積龐大、運輸成本高，在參加行業展會或向海外客戶銷售時，如果沒有實物展示，僅憑靜態、簡單的圖片說明書介紹，無法讓客戶全面瞭解產品，不僅工作人員製作麻煩，客戶看得也費力。如果能在 Web 上做 3D 裝置展示，銷售人員可以不限平臺隨時給客戶介紹演示。還可以不受現實條件限制，演示裝置拆分和組裝的過程，展示產品內部結構和動態運作時的效果，讓客戶更直觀瞭解產品的部件組成，更準確、全面地瞭解產品的功能和特點，大大降低了溝通成本。為了解決這些行業痛點，本篇文章採用 Hightopo 的 HT for Web 產品實現了一個發動機裝置 3D 視覺化案例。

系統預覽

預覽地址：基於 HTML5 WebGL 的發動機 3D 視覺化系統（http://www.hightopo.com/demo/engine/）

場景搭建

發動機模型是設計師通過 3ds Max 建模，然後匯出 obj 與 mtl 檔案，在 HT 中解析 obj 與 mtl 檔案生成 3D 場景中可用的模型（可參考 obj 手冊《通過JSON載入》章節），因為各個部件需要單獨操作，所以裝置模型拆分為多個 obj 檔案後匯入。

2D 皮膚部分則是通過 HT 的向量繪製，我們需要建立 ht.graph.GraphView 和 ht.graph3d.Graph3dView 來呈現 2D 和 3D 的內容。相關程式碼如下：

var g2d = new ht.graph.GraphView();
var g3d = new ht.graph3d.Graph3dView();
// 將 3D 元件加入到 body 下
g3d.addToDOM();
// 將 2D 元件加入到 3D 元件的根 div 下
g2d.addToDOM(g3d.getView());

功能實現

裝置拆解動畫

當我們點選“展開”按鈕時，給各個動畫設定不同的延遲，使動畫錯開執行，以達到更好的視覺效果，讓2D圖紙和3D場景更好地聯動起來。

如果我們的每個動畫都勻速執行，那看起來難免有些單調。於是我給不同動畫加上了不同的 Easing 函式，Easing 函式通過定義不同曲線的資料公式方式，來描述每一幀回撥時需要改變圖形引數屬性的幅度，從而達到均勻、先快後慢、先慢後快，甚至先超出起始值和結束值再慢慢恢復的各種動畫特效。這裡還有個例子可以幫助我們更直觀的感受不同 Easing 函式的效果：《From Easing》。

例如圖紙中心的跟隨部件拆解旋轉放大的圓環，我給它設定了 Easing.backBoth 緩動效果，程式碼如下：

// 圓環動畫
animCenter(data) {
    ht.Default.startAnim({
        duration: 4500,
        // 設定緩動函式
        easing: Easing.backBoth,
        // 延遲一秒執行動畫
        delay: 1000,
        action: function (v, t) {
            // 修改圖元縮放值
            data.setScale(1 + v \* 0.9, 1 + v \* 0.9);
            // 修改圖元旋轉角度
            data.setRotation(Math.PI \* v);
        },
    });
}

// 緩動函式
Easing.easeOutStrong = function (t) {
    var BACK\_CONST = 1.70158;
    if ((t \*= 2) < 1) {
        return .5 \* (t \* t \* (((BACK\_CONST \*= (1.525)) + 1) \* t - BACK\_CONST));
    }
    return .5 \* ((t -= 2) \* t \* (((BACK\_CONST \*= (1.525)) + 1) \* t + BACK\_CONST) + 2);
};

裝置部件的拆解動畫，是通過改變節點的座標和旋轉角度來實現的，程式碼如下：

// targetP3 為拆解後的座標，p3為當前座標
var p3 = node.p3();
var offset = [targetP3[0] - p3[0], targetP3[1] - p3[1], targetP3[2] - p3[2]];

// targetR3 為拆解後的旋轉角度，r3為當前旋轉角度
var r3 = node.r3();
var offset = [targetR3[0] - r3[0], targetR3[1] - r3[1], targetR3[2] - r3[2]];

// 拆解動畫
ht.Default.startAnim({
    duration: 2000,
    // 設定緩動函式
    easing: Easing.easeOutStrong,
    delay: 1000,
    action: function (v, t) {
        // 修改節點座標
        node.p3(p3[0] + offset[0] * v, p3[1] + offset[1] * v, p3[2] + offset[2] * v);
        // 修改節點旋轉角度
        node.r3(r3[0] + offset[0] * v, r3[1] + offset[1] * v, r3[2] + offset[2] * v);
    },
});

// 緩動函式
Easing.easeOutStrong = function (t) {
    return 1 - (--t) * t * t * t;
};

還有圖紙兩側的皮膚，可以通過設定它的裁剪方向和裁剪比例實現隱藏效果，程式碼如下：

// 設定圖元裁剪方向為從右到左
node.s('clip.direction', 'left');

// 裁剪動畫
ht.Default.startAnim({
    duration: 1800,
    easing: Easing.easeOutStrong,
    action: function (v, t) {
        // 修改圖元裁剪比例
        node.s('clip.percentage', 1 - v);
    }
});

// 緩動函式
Easing.easeOutStrong = function (t) {
    return 1 - (--t) \* t \* t \* t;
};

裝置內部運作動畫

接下來我們實現視角變化動畫來觀察裝置不同部件構造，3D 場景中的視角是由 Graph3dView 提供的 center（目標點座標）和 eye（攝像機座標）兩個引數決定的，所以視角動畫只要動態改變這兩個引數，這裡用了 HT 提供的 moveCamera 方法實現，程式碼如下：

g3d.moveCamera([-466, 93, -280], [40, -40, -40], {
    duration: 2500,
    easing: function (t) {
        return 1 - (--t) * t * t * t;
    },
});

裝置中一些小的部件吸附在大部件上，會跟隨大部件移動旋轉。比如這個液壓桿，當我們要實現小部件的運動動畫時，如果用修改座標的方式計算起來比較麻煩，所以我們用修改錨點的方式來實現，錨點影響著節點的位置，錨點也是旋轉和縮放的中心點。這裡通過修改液壓桿的 Y 軸錨點實現動畫，效果如下：

相關程式碼如下：

ht.Default.startAnim({
        duration: 800,
        action: function (v, t) {
            // 修改節點 Y 軸錨點
            node.setAnchor3d(0.5,v,0.5);
        },
};

點選流動按鈕後，我們可以看到管道內有液體流動的動畫。要實現流動效果，首先我們需要一張二方連續貼圖（左右或上下可以無縫銜接的貼圖），然後我們再通過程式碼驅動 UV 向 U 軸的正值方向偏移一個象限，並無限迴圈這一動作，效果如下：

程式碼如下：

ht.Default.startAnim({
    duration: 2000,
    action: function (v, t) {
        // 修改貼圖uv值
        node.s('shape3d.uv.offset', [v, 0]);
    },
};

裝置復原動畫

滑鼠移入效果

為了能透過外殼清楚的觀察到裝置內部結構，所以當滑鼠懸停在部件上時，我調整了外殼模型透明度並設定模型高亮模式，相關程式碼如下：

// 設定高亮顏色
ht.Style['highlight.color'] = 'rgba(255,255,255,0.6)';
// 設定當前高亮的模式
g3d.setHighlightMode('mouseover');
// 節點啟用高亮效果
data.s('highlight.visible', true);

// 節點設定為可互動
data.s('interactive', true);
// 節點開啟互動後，不阻止場景上預設的互動行為
data.s('preventDefaultWhenInteractive', false);

// 監聽互動事件
g3d.mi(function (e) {
    // 滑鼠移入事件
    if (e.kind === 'onEnter') {
        // 節點開啟透明
        data.s('shape3d.transparent', true);
        // 設定節點透明度
        data.s('shape3d.opacity', 0.25);
    }

    // 滑鼠移出事件
    if (e.kind === 'onLeave') {
        data.s('shape3d.transparent', false);
    }
});

場景視角限制

最後，我們再對整個場景的視角範圍做下限制，程式碼如下：

// 設定最大角度
ht.Default.graph3dViewMaxPhi = Math.PI \* 1 / 2;
// 設定最小角度
ht.Default.graph3dViewMinPhi = Math.PI \* 1 / 4;

總結

通過案例我們可以感受到，相較於傳統方式，裝置的三維展示具有更靈活的表現形式和更直觀生動的效果，對於出口型企業，生動的演示動畫能讓外商更快了解產品的工作原理和優勢，還能避免因語言誤差而造成誤解。而且比起普通的工業動畫，Web 上的視覺化系統展示內容更豐富、自由度更高，後續需求更改也更為靈活、成本更低。

本文使用的裝置模型是設計師虛構的核動力發動機，更注重於模型的展示效果，如果應用於實際產品中，還可以製作更還原實際的裝置拆解流程，通過線上的 3D 產品操作演練，對工作人員進行產品組裝、拆分、維修培訓。有興趣可以參考我們另一個案例《基於 HTML5 WebGL + WebVR 的 3D 虛擬現實視覺化培訓系統》。