如何用Three.js + Blender打造一个web 3D展览馆

,3D展览馆是什么，先来预览下效果：,,看起来像个3D冒险类手游，用户可以操纵屏幕中央的虚拟摇杆，以第一人称视角在房间内自由移动、看展览。,首先介绍一个背景，我们的工作内容是做游戏中心的用户运营活动，会做些好玩的活动让用户参与，并get一些福利。,当时的活动背景是我司一年一度的vivo游戏节，并且元宇宙是大热词。所以做它的原因有几个：,用到的组合方案：Three.js + Blender。,开源的3D框架有很多，但最常用的有两种：Three.js、Babylon.js，我们只需要从中二选一。分析后发现两者各有优势：,,考虑到3D展览馆的几个基本特性：,Three.js包体更小、有更多参考案例、上手更快，所以虽然Babylon.js有它的优势，但Three.js更适合这个项目。,Blender是一款轻量的开源3D建模软件，有很多好用的免费插件，而且Blender能导出GLTF / GLB模型（后面会对GLTF / GLB模型做简介），匹配Three.js的使用方式，整体更简单好用一些。,所以，就是它了。,在进入开发之前，先简单了解Blender和GLTF / GLB模型。,首先，Blender大概长这样，图中是设计师交付的3D展览馆稿子。简单理解为，左侧是模型的层次结构，中间是模型的预览效果，右侧是模型的属性面板。,一般来说，作为开发者我们不需要掌握太多Blender相关知识，只需知道如何看懂模型结构、导出GLTF / GLB模型以及烘焙的基本原理即可。,,GLTF（Graphics Language Transmission Format）是一种标准的3D模型文件格式，它以JSON的形式存储3D模型信息，例如模型的层次结构、材质、动画、纹理等。,模型中依赖的静态资源，比如图片，可以通过外部URI的方式来引入，也可以转成base64直接插入在GLTF文件中。,它包含两种形式的后缀，分别是.gltf（JSON/ASCII）和.glb（Binary）。.gltf是以JSON的形式存储信息。.glb则是.gltf的扩展格式，它以二进制的形式存储信息，因此导出的模型体积也更小一些。如果我们不需要通过JSON对.gltf模型进行直接修改，建议使用.glb模型，它更小、加载更快。,在blender中，可以直接将模型导出为GLTF / GLB格式，三种选项的差别不再赘述，我们先简单选择最高效的.glb格式。,,有了模型之后，我们可以开始通过Three.js创建场景，并导入这个模型了。,为了防止篇幅过长，这里假设大家已经掌握了Three.js的一些基本语法。文章重点放在如何加载模型，并一步步进行调优和实现最终的3D展览馆效果。,怎么加载一个模型？,（1）创建一个空场景,首先创建一个空场景scene，后续所有的模型或材质都会被添加到这个场景中。,（2）导入GLTF / GLB模型,通过GLTFLoader导入.glb模型，并添加到场景中。,（3）开始渲染,通过requestAnimationFrame来调用renderer.render方法，开始实时渲染场景。,ok，这样我们就完成了3D模型的导入，但是发现整个场景一片漆黑。,图片,试试加个环境光。,,ok，亮起来了，但是效果依然很差，很劣质。,原因是模型中的材质效果、光源、阴影、环境纹理，这些全都丢失了，所以当我们导入模型时，看到的就是一堆简陋的纯色形状。,所以我们要一步步将这些丢失东西找回，还原设计稿。,接下来一步步还原设计稿。,（1）加上光源,查看Blender模型，看到设计稿中添加了一堆点光源、平行光源。,,点光源可以理解为房间中的灯泡，光线强弱随着距离衰减；,平行光源可以理解为太阳的直射光，它和点光源不同，光线强弱不随着距离衰减。,于是我们也增加一些光源：,可以看到场景比之前好了一些，有了光源后，模型变得立体和真实了，多了一些反色的光泽。,图片,图片,但是我们注意到，画面中的logo、长椅的两侧都是黑色的，并且旁边的球体、椅子等都显得不够真实。,所以，我们需要进行下一步调整：调整模型材质、增加环境纹理。,（2）调整模型材质，增加环境纹理,先简单了解一下材质和环境纹理。,材质就像物体的皮肤，我们可以调整皮肤的光泽、金属度、粗糙度、透明与否等属性，让物体有不同的视觉效果。,一般从blender导出的模型中，已经包含了一些材质属性，但是Three.js中的材质属性和Blender中的属性并非完全的映射关系，模型在导入到Three.js后，效果和设计稿会有差异。这时候我们需要手动调整材质的属性，来达到和设计稿近似的效果。,环境纹理就是让模型映射周围的环境，让场景或物体更真实。例如我们要渲染一个立方体，把立方体放进一个屋子里，这个屋子的环境就会影响立方体的渲染效果。,比如镜面的物体被贴上环境纹理后，就可以实时反射周围的环境镜像，看起来很real。,设计稿中也是将一个大厅作为了环境纹理，让场景更真实。,,环境纹理分为：球形纹理和立方体形纹理。两者都可以，这里我们采用一张大厅的球形纹理作为环境贴图。,,以画面中的vivo游戏节logo为例，我们通过调整它的材质和环境纹理，让它变得更真实。,,经过上面的处理后，可以看到原先黑色的logo有了金属光泽，并且会反射周围的环境纹理。,其它物体经过类似的处理后，也变得更真实一些。,图片,图片,图片,图片,现在整个场景更接近了设计稿一些，但场景中少了阴影，显得很干瘪。,加上阴影。,（3）增加阴影,增加阴影分四步：,,添加阴影后，有质的提升，发现整个场景立体了很多，此时还原度已经很高。,如果不考虑性能损耗，这个场景的样式已经可以投入使用了。（后续会提到性能优化）,小结一下，刚刚做的几件事：,现在3D展览馆场景已经还原的差不多了，接下来要构造一个虚拟移动摇杆，控制第一人称镜头的移动和转向，实现沉浸式逛展的效果。,要实现通过虚拟移动摇杆控制镜头的移动和转向，我们需要三个东西：,有人会问为什么需要一个player，通过摇杆直接控制镜头不就行了吗？其实player的作用是用于做碰撞检测，当player遇到凳子、墙壁等障碍物时，需要停止镜头移动。直接控制镜头，是无法做碰撞检测的。,所以，实际上镜头移动的逻辑是：,用户操纵摇杆 → 更新player位置和朝向 →从而同步更新camera位置和朝向,（1）创建移动摇杆,移动摇杆的实现原理很简单，这里仅做简述。,核心在于创建一个圆盘，监听触摸手势，并根据手势的方向来实时更新move参数，控制镜头的移动和转向。,（2）创建player,首先创建一个player对象，它是一个1.2 * 2 * 1的透明长方体。,（3）updatePlayer & updateCamera,每次渲染（render）时，更新player的位置和朝向，并同步更新镜头的位置和朝向。,注意：render方法中使用clock.delta()来计算每次渲染之间的时间间隔，并使用这个时间间隔来更新player和camera。因为在理想的60帧率情况下，两帧时间间隔为16.67ms，但实际上该数值会有波动，因此我们要根据实际的渲染时间间隔来更新player和camera，让镜头的移动和转向幅度更自然一些。,完成上述步骤后，我们就可以通过控制虚拟移动摇杆，来让镜头移动和转向了。,接下来加入碰撞检测，对镜头移动加点限制。,碰撞检测的步骤也很简单：,（1）收集障碍物,模型加载完成后，遍历所有的child，如果child是一个物体（mesh），则把它加入到障碍物队列（colliders）中。,（2）检测碰撞,调整刚刚的updatePlayer方法，在其中插入检测碰撞的逻辑。,碰撞检测逻辑基于THREE.Raycaster来实现，racaster可以理解为一个射线，当射线穿过了某个物体，我们就认为射线和物体相交了。,我们让射线的方向和player的朝向保持一致，并且在移动过程中不断判断射线前方/后面是否有相交的物体，如果有相交的物体，且和射线顶点距离distance < 2.5则认为遇到了障碍物，不能再继续前进。,这样镜头的移动和碰撞检测就完成了。,当我们移动到椅子、墙壁等障碍物附近时，镜头会停止移动。镜头的移动范围也被我们限制在房间里，不会穿到房间外部。,,3D展览馆的基本功能已经完成了，但还没有做任何的性能调优。当我们把项目运行在手机上，会发现设备发热发烫，帧率很低，低端机型甚至无法运行。,经过分析，实时的光影渲染是罪魁祸首。,页面中有10+个光源，每个光源都在实时投射阴影（尤其是点光源十分消耗资源，引起卡顿）。但实际，场景中的光源和物体位置都没有发生改变，这意味着我们不需要计算实时阴影，只需要固定的阴影。,这点可以通过纹理烘焙来实现。并且在移动端，经过纹理烘焙的光影效果实际上要优于设备计算的实时光影效果。,纹理烘焙，是指通过将场景效果预渲染到指定纹理上，生成一个模型贴图。在Blender中，我们可以选中任意对象进行烘焙。,,以3D展览馆的地板为例，我们可以通过纹理烘焙，将光影效果直接渲染到贴图上。,左图是原本的棋盘格纹理，右图是结合了光影效果的烘焙贴图。烘焙完成后，地板上的光影效果就被固定下来了，我们也不需要再做实时的光影渲染。,图片,图片,用同样的方式，将地板、墙壁、天花板等物体，一一进行烘焙处理，导出一个新的模型。由于光影效果已经被渲染到贴图上，我们可以将大部分光源去掉，只保留2-3个必要的点、平行光源和全局光。再次运行后，发现卡顿、发烫的问题已经不再明显。并且效果其实比实时渲染更精细一些。,图片,图片,这里没有对烘焙做过多介绍，要生成精致的烘焙结果还需要依赖对UV Map、烘焙参数的了解，虽然这些偏向于设计同学的工作，一般由他们来输出烘焙纹理。但是作为开发者，了解了这些后才能和UI更好地沟通和配合。,模型大小约为23M，首次加载模型需要9s左右。（尤其是在做完纹理烘焙后，由于贴图变得复杂，模型更大了）,以下是几个优化模型大小的建议：,经过优化，初始模型大小由23M缩小为1.2M，首次加载时间由9s缩短到3s以内。,（左图为优化前，右图为优化后）,图片,图片,现在，我们基本完成了整个3D展览馆的开发。虽然有一些细节没有在文中涉及到，但开发过程大致如此。,（1）了解Blender、GLTF / GLB模型,（2）js导入GLTF / GLB模型,（3）还原设计稿,（4）实现虚拟移动摇杆，控制镜头移动,（5）增加碰撞检测,（6）性能调优：,一些建议：