Three.js 實現2022冬奧主題3D趣味頁面 ?

背景

迎冬奧，一起向未來！2022冬奧會馬上就要開始了，本文使用 Three.js + React 技術棧，實現冬日和奧運元素，製作了一個充滿趣味和紀念意義的冬奧主題 3D 頁面。本文涉及到的知識點主要包括：TorusGeometry 圓環面、MeshLambertMaterial 非光澤表面材質、MeshDepthMaterial 深度網格材質、custromMaterial 自定義材質、Points 粒子、PointsMaterial 點材質等。

效果

實現效果如以下 ? 動圖所示，頁面主要由 2022 冬奧會吉祥物 冰墩墩 、奧運五環、舞動的旗幟 ?、樹木 ? 以及下雪效果 ❄️ 等組成。按住滑鼠左鍵移動可以改為相機位置，獲得不同檢視。

? 線上預覽：https://dragonir.github.io/3d... （部署在 GitHub，載入速度可能會有點慢 ?）

實現

引入資源

首先引入開發頁面所需要的庫和外部資源，OrbitControls 用於鏡頭軌道控制、TWEEN 用於補間動畫實現、GLTFLoader 用於載入 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結構

頁面 DOM 結構非常簡單，只有渲染 3D 元素的 #container 容器和顯示載入進度的 .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。關於這部分內容的詳細知識點，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));

新增光源

本示例中主要新增了兩種光源：DirectionalLight 用於產生陰影，調節頁面亮度、AmbientLight 用於渲染環境氛圍。

// 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);
// 環境光
const ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xcfffff);
ambientLight.intensity = 1;
scene.add(ambientLight);

載入進度管理

使用 THREE.LoadingManager 管理頁面模型載入進度，在它的回撥函式中執行一些與載入進度相關的方法。本例中的頁面載入進度就是在 onProgress 中完成的，當頁面載入進度為 100% 時，執行 TWEEN 鏡頭補間動畫。

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) });
  }
};

建立地面

本示例中凹凸起伏的地面是使用 Blender 構建模型，然後匯出 glb 格式載入建立的。當然也可以只使用 Three.js 自帶平面網格加凹凸貼圖也可以實現類似的效果。使用 Blender 自建模型的優點在於可以自由視覺化地調整地面的起伏效果。

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);
});

建立冬奧吉祥物冰墩墩

現在新增可愛的冬奧會吉祥物熊貓冰墩墩 ?，冰墩墩同樣是使用 glb 格式模型載入的。它的原始模型來源於這裡，從這個網站免費現在模型後，原模型是使用 3D max 建的我發現並不能直接用在網頁中，需要在 Blender 中轉換模型格式，還需要調整調整模型的貼圖法線，才能還原渲染圖效果。

原模型：

冰墩墩貼圖:

轉換成Blender支援的模型，並在Blender中調整模型貼圖法線、並新增貼圖:

匯出glb格式:

? 在 Blender 中給模型新增貼圖教程傳送門：在Blender中怎麼給模型貼圖

仔細觀察冰墩墩 ?可以發現，它的外面有一層透明塑料或玻璃質感外殼，這個效果可以通過修改模型的透明度、金屬度、粗糙度等材質引數實現，最後就可以渲染出如 ? banner圖 所示的那種效果，具體如以下程式碼所示。

loader.load(bingdundunModel, mesh => {
  mesh.scene.traverse(child => {
    if (child.isMesh) {
      // 內部
      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);
});

建立奧運五環

奧運五環由基礎幾何模型圓環面 TorusGeometry 來實現，建立五個圓環面，並調整它們的材質顏色和位置來構成藍黑紅黃綠順序的五環結構。五環材質使用的是 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 圓環面

TorusGeometry 一個用於生成圓環幾何體的類。

建構函式：

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

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

? MeshLambertMaterial 非光澤表面材質

一種非光澤表面的材質，沒有鏡面高光。該材質使用基於非物理的 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（例如塗漆木材）。

建構函式：

MeshLambertMaterial(parameters : Object)

• parameters：（可選）用於定義材質外觀的物件，具有一個或多個屬性。材質的任何屬性都可以從此處傳入。

建立旗幟

旗面模型是從sketchfab下載的，還需要一個旗杆，可以在 Blender中新增了一個柱狀立方體，並調整好合適的長寬高和旗面結合起來。

旗面貼圖：

旗面新增了動畫，需要在程式碼中執行動畫幀播放。

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);
      }
      // 旗杆
      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);
});

建立樹木

為了充實畫面，營造冬日氛圍，於是就新增了幾棵松樹 ? 作為裝飾。新增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複雜，有非常多的面數，面數太多會降低頁面效能，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，使用這個技巧可以和大程度上優化頁面效能，而且樹 ? 的樣子看起來也是有 3D 感的。

材質貼圖：

為了使樹只在貼圖透明部分透明、其他地方不透明，並且可以產生樹狀陰影而不是長方體陰影，需要給樹模型新增如下 MeshPhysicalMaterial、MeshDepthMaterial 兩種材質，兩種材質使用同樣的紋理貼圖，其中 MeshDepthMaterial 新增到模型的 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 功能開發中，一些不重要的裝飾模型都可以採取這種策略來優化。

? MeshDepthMaterial 深度網格材質

一種按深度繪製幾何體的材質。深度基於相機遠近平面，白色最近，黑色最遠。

建構函式：

MeshDepthMaterial(parameters: Object)

• parameters：（可選）用於定義材質外觀的物件，具有一個或多個屬性。材質的任何屬性都可以從此處傳入。

特殊屬性：

• .depthPacking[Constant]：depth packing 的編碼。預設為 BasicDepthPacking。
• .displacementMap[Texture]：位移貼圖會影響網格頂點的位置，與僅影響材質的光照和陰影的其他貼圖不同，移位的頂點可以投射陰影，阻擋其他物件，以及充當真實的幾何體。
• .displacementScale[Float]：位移貼圖對網格的影響程度（黑色是無位移，白色是最大位移）。如果沒有設定位移貼圖，則不會應用此值。預設值為 1。
• .displacementBias[Float]：位移貼圖在網格頂點上的偏移量。如果沒有設定位移貼圖，則不會應用此值。預設值為 0。

? custromMaterial 自定義材質

給網格新增 custromMaterial 自定義材質屬性，可以實現透明外圍 png 圖片貼圖的內容區域陰影。

建立雪花

建立雪花 ❄️，就要用到粒子知識。THREE.Points 是用來建立點的類，也用來批量管理粒子。本例中建立了 1500 個雪花粒子，併為它們設定了限定三維空間的隨機座標及橫向和豎向的隨機移動速度。

// 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 ❄️、雲 ☁️、星辰 ✨ 等生活中常見的粒子都可以使用 Points 來模擬實現。

建構函式：

new THREE.Points(geometry, material);

• 建構函式可以接受兩個引數，一個幾何體和一個材質，幾何體引數用來制定粒子的位置座標，材質引數用來格式化粒子；
• 可以基於簡單幾何體物件如 BoxGeometry、SphereGeometry等作為粒子系統的引數；
• 一般來講，需要自己指定頂點來確定粒子的位置。

? PointsMaterial 點材質

通過 THREE.PointsMaterial 可以設定粒子的屬性引數，是 Points 使用的預設材質。

建構函式：

PointsMaterial(parameters : Object)

• parameters：（可選）用於定義材質外觀的物件，具有一個或多個屬性。材質的任何屬性都可以從此處傳入。

? 材質屬性 .blending

材質的.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：預設值
• 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

? 材質屬性 .sizeAttenuation

粒子的大小是否會被相機深度衰減，預設為 true（僅限透視相機）。

? 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;
// 垂直旋轉角度限制
controls.minPolarAngle = 1.4;
controls.maxPolarAngle = 1.8;
// 水平旋轉角度限制
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();
  // 五環自轉
  fiveCyclesGroup && (fiveCyclesGroup.rotation.y += .01);
  // 頂點變動之後需要更新，否則無法實現雨滴特效
  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;
  });
}

? 完整程式碼：https://github.com/dragonir/3...

總結

? 本文中主要包含的新知識點包括：

• TorusGeometry 圓環面
• MeshLambertMaterial 非光澤表面材質
• MeshDepthMaterial 深度網格材質
• custromMaterial 自定義材質
• Points 粒子
• PointsMaterial 點材質
• 材質屬性 .blending、.sizeAttenuation
• Three.js 向量

進一步優化的空間:

• 新增更多的互動功能、介面樣式進一步優化；
• 吉祥物冰墩墩新增骨骼動畫，並可以通過滑鼠和鍵盤控制其移動和互動。

下期預告：

• 《Metahuman元人類！Three.js人像優化》

想了解場景初始化、光照、陰影、基礎幾何體、網格、材質及其他 Three.js 的相關知識，可閱讀我往期文章。如果覺得文章對你有幫助，不要忘了一鍵三連哦 ?。

附錄

• [1]. 1000粉！使用Three.js製作一個專屬3D獎牌 ?
• [2]. Three.js 實現虎年春節3D創意頁面
• [3]. Three.js 實現臉書元宇宙3D動態Logo
• [4]. Three.js 實現3D全景偵探小遊戲
• [5]. Three.js實現炫酷的酸性風格3D頁面
• [6]. 3dx模型轉換為blender支援格式