如何用Three.js + Blender打造一个web 3D展览馆

原创
2023/07/12 20:59
阅读数 1.5W

作者:vivo 互联网前端团队- Wei Xing


运营活动新玩法层出不穷,web 3D炙手可热,本文将一步步带大家了解如何利用Three.js和Blender来打造一个沉浸式web 3D展览馆。


一、前言


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。


1.1 为什么做3D展览馆


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:

  • vivo游戏节主题

  • 契合元宇宙热点

  • 新玩法、新体验


1.2 技术选型


用到的组合方案:Three.js + Blender


  • why Three.js

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:

  1. 简单的小型3D场景,没有复杂的交互(对镜头的要求不高)

  2. 投放在移动设备,需要尽可能小的包体,以提升性能

  3. 工期短,需要快速上手及更多的案例参考


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。


  • why Blender

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。


二、实践部分


2.1 了解GLTF / GLB模型


在进入开发之前,先简单了解Blender和GLTF / GLB模型。


  • 简单了解 Blender

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 / GLB模型

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).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。


  • Blender导出GLTF / GLB模型

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。


2.2 Three.js 加载模型


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。

import * as THREE from 'three'
// 1. 创建场景const scene = new THREE.Scene(); 

// 2. 创建镜头const camera = new THREE.PerspectiveCamera( 75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000 );// 3. 创建Rendererconst renderer = new THREE.WebGLRenderer();renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );document.body.appendChild( renderer.domElement );


(2)导入GLTF / GLB模型


通过GLTFLoader导入.glb模型,并添加到场景中。

import GLTFLoader from 'GLTFLoader'const loader = new GLTFLoader()loader.load('path/to/gallery.glb',  gltf => {    scene.add(gltf.scene) // 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。

function animate({      requestAnimationFrame( animate );      renderer.render( scene, camera );}animate();


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。



试试加个环境光。

const ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xffffff, 1)
scene.add(ambientLight)



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。


2.3 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:

// 一些灯光选项// 如果是平行光则没有distance、decay选项const lightOptions = [
  {    type'point'// 灯光类型:1. point点光源、2. directional平行光源    color: 0xfff0bf// 灯光颜色    intensity: 0.4// 灯光强度    distance: 30,    // 光照距离    decay: 2,    // 衰减速度    position: { // 光源位置      x: 2,      y6,      z0    }  }, ...
]
function createLights({  pointLightOptions.forEach(option => {    const light = option.type === 'point' ?        new THREE.PointLight(option.color, option.intensity, option.distance, option.decay) :        new THREE.DirectionalLight(option.color, option.intensity)    const position = option.position    light.position.set(position.x, position.y, position.z)    scene.add(light)  })}
createLights()


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。


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(material)

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(environment map)

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。

  1. 根据在blender中的命名,找到logo模型

  2. 调整logo的表面粗糙度和金属度

  3. 加载并设置环境纹理贴图



const loader = new GLTFLoader()loader.load('path/to/gallery.glb',  gltf => {      // 1. 根据Blender中物体的名字,找到logo模型      gltf.scene.traverse(child => {        if (isLogo(child)) {       initLogo(child)   // 2. 调整材质       setEnvMap(child)  // 3. 设置环境纹理      }      })    scene.add(gltf.scene)  } }

// 判断是否为Logoconst isLogo = object.name === 'logo'
function initLogo(object{  object.material.roughness = 0   // 调整表面粗糙度  object.material.metalness = 1   // 调整金属度}// 加载环境纹理
let envMapconst envmaploader = new THREE.PMREMGenerator(renderer)
const setEnvMap = (object) => {      if(envMap) {        object.material.envMap = envMap.texture      } else {        textureLoader.load('path/to/envMap.jpg',             texture => {             texture.encoding = THREE.sRGBEncoding             envMap = envmaploader.fromCubemap(texture)                 object.material.envMap = envMap.texture             })      }}


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。


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:

  1. 对renderer开启阴影支持:renderer.shadowMap.enabled = true

  2. 对光源设置:castShadow = true

  3. 对需要投影的物体设置:castShadow = true

  4. 对需要被投影的平面或物体(比如地板)设置:receiveShadow = true


// 1. rendererconst renderer = new THREE.WebGLRenderer()renderer.shadowMap.enabled = true;renderer.shadowMap.type = THREE.PCFSoftShadowMap;
// 2. lightconst light = new THREE.DirectionalLight()light.castShadow = true;
// 3. objectgltf.scene.traverse(function (child{   if (child.isMesh) {     child.castShadow = true;   }});// 4. floorfloor.receiveShadow = true



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:

  1. 添加光源

  2. 调整模型材质、增加环境纹理

  3. 增加阴影


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。


2.4 虚拟移动摇杆


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:

  • 一个移动摇杆(handler)

  • 一个长方体(player):用于承载第一人称视角

  • 一个镜头(camera):之前已经创建过了


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。

const speed = 8 // 移动速度const turnSpeed = 3  // 转向速度// move option,用于调整第一人称镜头的移动和转向const move = {      turn0,  // 旋转角度      forward: 0     // 前进距离}
// 创建一个handler,并监听手势,调整move optionconst handler = new Handler()handler.onTouchMove = () => { // update move option }


(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。

function createPlayer({  const box = new THREE.BoxGeometry(1.221)  const mat = new THREE.MeshBasicMaterial({    color0x000000,    wireframetrue  })
  const mesh = new THREE.Mesh(box, mat)  box.translate(010)  return mesh}
const player = createPlayer() // 创建playerplayer.position.set(4.5212)     // 设置player的初始位置


(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。


const clock = THREE.clock()
function render() {  const dt = clock.delta()   // 获取每帧之间的时间间隔,根据时间间隔长短来更新player和camera的移动距离和转向的多少  updatePlayer(dt)  updateCamera(dt)  renderer.render(scene, camera)  window.requestAnimationFrame(render)}
// 更新player的位置和朝向
function updatePlayer(dt) {  const pos = player.position.clone()  pos.y -= 1.5 // 降低高度,后续用于计算碰撞检测  const dir = new THREE.Vector3()  player.getWorldDirection(dir)  dir.negate() if (move.forward < 0) dir.negate() // 调整镜头前进 or 后退
  if (move.forward !== 0) {    player.translateZ(move.forward > 0 ? -dt * speed : dt * speed * 0.5) } // 调整镜头朝向
  if (move.turn !== 0) {    player.rotateY(move.turn * 1.2 * dt)  }}
// 根据player的位置和朝向,同步更新camera的位置和朝向
function updateCamera(dt) {  camera.position.lerp(activeCamera.getWorldPosition(new THREE.Vector3()), 0.08)  const pos = player.position.clone()  pos.y += 2.5  camera.lookAt(pos)}


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。


2.5 碰撞检测


碰撞检测的步骤也很简单:

  • 收集障碍物(colliders)

  • 检测碰撞(基于THREE.Raycaster)


(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。

const colliders = []
loader.load('path/to/gallery.glb',  gltf => {    gltf.scene.traverse(child => {        // 收集障碍物        if(isMesh(child)) {          colliders.push(child)         }    })  } })


(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。

function updatePlayer(dt{  const pos = player.position.clone()  pos.y -= 1.5 // 降低高度,用于计算collision  const dir = new THREE.Vector3()
  // 获取当前player的朝向  player.getWorldDirection(dir) dir.negate()  // 如果是向后退,需要对朝向取反  if (move.forward < 0) dir.negate()
  // 利用Raycaster判断player是否和colliders有碰撞行为  const raycaster = new THREE.Raycaster(pos, dir)  let blocked = false
  if (colliders.length > 0) {    const intersect = raycaster.intersectObjects(colliders)    if (intersect.length > 0) {      // 如果相交距离<2.5,表示前方或后面有障碍物      if (intersect[0].distance < 2.5) {        blocked = true      }    } } // 如果遇到障碍物,则停滞移动
  if (!blocked) {    // 调整镜头前进 or 后退    if (move.forward !== 0) {      player.translateZ(move.forward > 0 ? -dt * speed : dt * speed * 0.5)    } }
  // 调整镜头朝向  if (move.turn !== 0) {    player.rotateY(move.turn * 1.2 * dt)  }}


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。



三、性能调优


3.1 纹理烘培


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(Texture Baking)

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。



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。



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。


3.2 优化模型大小


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:

  1. 优先使用.glb而非.gltf格式。.glb是二进制格式,它比.gltf的JSON格式小25% - 30%左右。

  2. 将纹理(Texture)和模型分离,并行加载。23M的模型中,其实只有2.3M为模型大小,其余都为纹理贴图。将模型和纹理分开后,可以极大减少模型的加载速度。

  3. 使用Draco、gltfpack等工具或一些online compressor来压缩模型(Blender在导出gltf模型时,就带有基于Draco的压缩选项)。本项目通过该步骤压缩了50%的模型大小:3M → 1.2M。

  4. 压缩纹理(Texture)。本项目用到了5张的Texture,压缩后:18M→ 2M。


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)


四、总结


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

  • 添加光源

  • 调整模型材质、增加环境纹理

  • 增加阴影

(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:

  • 纹理烘培:通过纹理烘焙降低实时光影的性能损耗。

  • 优化包体大小:

    - 优先使用.glb而非.gltf格式

    - 纹理和模型分离

    - 压缩模型

    - 压缩纹理


五、其他


一些建议:

  • 设计师在Blender中命名物体、材质时要规范化,避免出现奇怪或没有标识意义的命名,因为在开发过程中会使用到,容易混淆。


  • 设计师在在Blender中复用材质要谨慎,避免开发在调整某个材质时,影响到其它使用到相同材质的物体(潜在bug)。


  • 模型加载缓慢时,可以增加loading进度条,缓解等待焦虑。Three.js loader支持加载进度查询。


  • Three.js在不同版本之间,接口频繁变更,在使用时注意版本差异,google问题时也要注意接口兼容性。


  • Three.js实现物体发光效果较繁琐,且消耗性能,设计时可尽量避免使用。


  • Three.js的镜头移动不够丝滑,注重镜头切换流畅性的项目,可以尝试用Babylon.js。


  • 部分浏览器不支持videoTexture(在模型中播放视频),谨慎设计该类型功能,或做好兼容处理。


参考:



END

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