用Three.js打造酷炫3D个人网站（含源码）

引言

个人网站是程序员的第二张简历。如果你有酷炫的个人网页，面试官对你的好感度会蹭蹭蹭往上涨。

在疫情隔离期间，我用Three.js和Ammo.js制作了一个可交互的3D个人网页。

在线预览地址： www.ryan-floyd.com/

Three.js的3D世界

当我在Google Experiments闲逛时，我发现非常多的作品都是用three.js写的。

three.js是一个让3D网页应用开发变得简单的库。它诞生于2010年，作者是Ricardo Cabello (Mr.doob),，在github上有超过1300多的贡献者，在所有仓库中star数排行第38。

当看到Google Experiments上那些酷炫的3D效果后，我决定开始学习three.js。

Three.js的工作机制

(3D应用的组件结构，图片来自discoverthreejs.com)

Three.js使得在浏览器展示3D图像变得容易，它的底层是基于WebGL，它使浏览器能借助系统显卡在canvas中绘制3D画面。

WebGL自身只能绘制点（points）、线（lines）和三角形（triangles），而Three.js对WebGL进行了封装，使我们能够非常方便地创建 物体（objects）, 纹理（textures）, 进行 3D 计算等操作。

使用Three.js，我们将所有物体（objects）添加到场景（scene）中，然后将需要渲染的数据传递给渲染器（renderer），渲染器负责将场景在 画布上绘制出来。

（Three.js 应用架构，图片来自threejsfundamentals.org）

对于一个 Three.js 应用，最核心的就是场景（scene object），上面是一张场景图（scene graph）。

在一个3D引擎中，场景图是一个层级结构的树状图，树中的每一个节点代表空间中的一部分。这种结构有点像DOM树，但Three.js的场景（scene）更像虚拟DOM，它只更新和渲染场景中有变化的部分。而这一切的基础，是 Three.js 的 WebGLRenderer 类，它把我们的代码转换成 GPU 中的数据，浏览器再将这些数据渲染出来。

场景中的物体，也叫Mesh。在 Three.js 的世界中，Mesh 是由 几何体Geometry（决定物体形状） + 材质Material（决定物体外观）构成。

场景中的另一个重要元素，就是相机camera，它决定了场景中 哪些部分以怎样的视觉效果 被绘制在canvas画布上。

然后是动画，为了实现动画，渲染器（renderer）通常使用requestAnimationFrame()方法，以每秒60次的频率将场景更新绘制在canvas上。requestAnimationFrame()方法的原理和使用可以参考MDN。

下面这个例子来自Three.js官方文档，创建了一个旋转的 3D 立方体。

  
    
    
  
  
    
    
  

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效果如下：

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Ammo.js物理引擎

Ammo.js 是将 Bullet物理引擎 直接移植到JavaScript的产物（Bullet Physics是一个开源的物理模拟引擎）。我对物理引擎底层的工作原理理解得不太深入，简而言之，物理引擎根据你传入的参数（比如重力），创建循环，在每次循环中更新状态，从而模拟出自然的物理运动和碰撞等效果。

循环中的物体（通常也是刚体），具有力、质量、惯性、摩擦力等物理属性。每次循环，通过不断检查所有物体的位置、状态和运动来检测碰撞和交互。如果发生交互，对象位置将根据经过的时间和对象的物理属性进行更新。下面是我代码中的一个片段，显示了如何创建物理引擎循环以及如何将它添加到Three.js的sphere球体中。

//引入库
import * as THREE from "three";
import * as Ammo from "./builds/ammo";
import {scene} from "./resources/world";

//初始化 Ammo.js 物理引擎
Ammo().then((Ammo) => {

    // 创建物理世界
    function createPhysicsWorld() {

        //完全碰撞检测算法
        let collisionConfiguration = new Ammo.btDefaultCollisionConfiguration();

        // 重叠对/碰撞的调度计算
        let dispatcher = new Ammo.btCollisionDispatcher(collisionConfiguration);

        // 所有可能碰撞对的宽相位碰撞检测列表
        let overlappingPairCache = new Ammo.btDbvtBroadphase();

        // 使物体正确地交互，考虑重力、力、碰撞等
        let constraintSolver = new Ammo.btSequentialImpulseConstraintSolver();

        // 根据这些参数创建物理世界。 参考bullet physics文档
        let physicsWorld = new Ammo.btDiscreteDynamicsWorld(
            dispatcher,
            overlappingPairCache,
            constraintSolver,
            collisionConfiguration
        );

        // 添加重力
        physicsWorld.setGravity(new Ammo.btVector3(0, -9.8, 0));
    }

    //创建球体
    function createBall(){
        //球体参数
        let pos = {x: 0, y: 0, z: 0};
        let radius = 2;
        let quat = {x: 0, y: 0, z: 0, w: 1};
        let mass = 3;

        //three.js相关代码

        //创建球体并添加到场景中
        let ball = new THREE.Mesh(new THREE.SphereBufferGeometry(radius), new THREE.MeshStandardMaterial({color: 0xffffff}));
        ball.position.set(pos.x, pos.y, pos.z);
        scene.add(ball);

        //Ammo.js相关代码

        //设置位置和旋转
        let transform = new Ammo.btTransform();
        transform.setOrigin(new Ammo.btVector3(pos.x, pos.y, pos.z));
        transform.setRotation(
            new Ammo.btQuaternion(quat.x, quat.y, quat.z, quat.w)
        );

        //设置物体运动
        let motionState = new Ammo.btDefaultMotionState(transform);

        //设置碰撞边界框
        let collisionShape = new Ammo.btSphereShape(radius);
        collisionShape.setMargin(0.05);

        //设置惯性
        let localInertia = new Ammo.btVector3(0, 0, 0);
        collisionShape.calculateLocalInertia(mass, localInertia);

        //生成创建刚体（物体）的结构信息
        let rigidBodyStructure = new Ammo.btRigidBodyConstructionInfo(
            mass,
            motionState,
            collisionShape,
            localInertia
        );

        //基于上面的结构信息创建物体
        let body = new Ammo.btRigidBody(rigidBodyStructure);

        //当物体运动时，为其添加摩擦力
        body.setFriction(10);
        body.setRollingFriction(10);

        // 将物体添加到物理世界，这样Ammo.js引擎才能不断更新物体的状态
        physicsWorld.addRigidBody(body);
    }

    createPhysicsWorld();
    createBall()
}
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运动和交互

在Ammo.js模拟的物理世界中，交互是基于属性和力计算的。

每个对象有一个边界框（bounding box）属性，物理引擎会根据这个边界框来检测物体的位置。

在每个动画循环中检查所有对象的边界框后，如果任意两个对象的边界框位于同一位置，引擎将记录为“碰撞”，并相应地更新对象。 对于刚体来说，这意味着阻止两个物体处于同一位置。

下面是我的代码片段，显示了渲染循环和世界物理是如何更新的。

//渲染框架
function renderFrame() {

    //记录上一次渲染的时间
    let deltaTime = clock.getDelta();

    //基于用户输入，计算球会受到的力和产生的速度
    moveBall();

    //根据时间更新物理世界状态
    updatePhysics(deltaTime);

    //进行渲染
    renderer.render(scene, camera);

    // 循环
    requestAnimationFrame(renderFrame);
}

//更新物理世界状态的方法定义
function updatePhysics(deltaTime) {

    physicsWorld.stepSimulation(deltaTime, 10);

    //遍历“刚体”列表，并更新物理世界中的所有刚体状态
    for (let i = 0; i < rigidBodies.length; i++) {

        //变量定义：three.js需要的meshObject，和ammo.js需要的ammoObject
        let meshObject = rigidBodies[i];
        let ammoObject = meshObject.userData.physicsBody;

        //获取物体当前运动状态
        let objectMotion = ammoObject.getMotionState();

        //如果物体正在移动，则获取物体的当前位置和旋转信息
        if (objectMotion) {
            objectMotion.getWorldTransform(transform);
            let mPosition = transform.getOrigin();
            let mQuaternion = transform.getRotation();

            // 更新物体的位置和旋转状态
            meshObject.position.set(mPosition.x(), mPosition.y(), mPosition.z());
            meshObject.quaternion.set(mQuaternion.x(), mQuaternion.y(), mQuaternion.z(), mQuaternion.w());
        }
    }
}
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用户输入

我们希望用户在桌面和触摸屏移动设备上都能够在应用中移动球体。

对于键盘事件，当按下箭头键时，通过监听“keydown”和“keyup”事件对球体添加相应方向的力。

对于触摸屏，在屏幕上创建了一个操纵杆控制器。然后，我们将“touchstart”、“touchmove”和“touchend”事件监听器添加到用于控制的div元素（控制器）中。

控制器会跟踪用户手指移动的起始、当前和结束坐标，然后在每次渲染时相应地更新球的受力。

下面只是控制器代码的一个片段，展示了一些大致的概念。有关完整代码，请从本文底部的源代码地址获取。

// 在坐标平面上保持对当前球体运动的跟踪
let moveDirection = { left: 0, right: 0, forward: 0, back: 0 };

//控制器div在屏幕上的位置坐标
let coordinates = { x: 0, y: 0 };

//保存触摸事件的起始坐标的变量
let dragStart = null;

//创建控制器div元素
const stick = document.createElement("div");

//监听用户触摸点的移动
function handleMove(event) {
    //没有移动，返回
    if (dragStart === null) return;

    //有移动，获取新的触摸点的x、y坐标
    if (event.changedTouches) {
        event.clientX = event.changedTouches[0].clientX;
        event.clientY = event.changedTouches[0].clientY;
    }

    //根据触摸点的移动，计算出控制器div的实时坐标
    const xDiff = event.clientX - dragStart.x;
    const yDiff = event.clientY - dragStart.y;
    const angle = Math.atan2(yDiff, xDiff);
    const distance = Math.min(maxDiff, Math.hypot(xDiff, yDiff));
    const xNew = distance * Math.cos(angle);
    const yNew = distance * Math.sin(angle);
    coordinates = { x: xNew, y: yNew };

    //根据实时坐标更新样式
    stick.style.transform = `translate3d(${xNew}px, ${yNew}px, 0px)`;

    //根据坐标计算出球的运动方向
    touchEvent(coordinates);
}

//根据用户的触摸点移动坐标计算出球的运动方向
function touchEvent(coordinates) {

    // 向右运动
    if (coordinates.x > 30) {
        moveDirection.right = 1;
        moveDirection.left = 0;
    // 向左运动
    } else if (coordinates.x < -30) {
        moveDirection.left = 1;
        moveDirection.right = 0;
    } else {
        moveDirection.right = 0;
        moveDirection.left = 0;
    }

    //向前运动
    if (coordinates.y > 30) {
        moveDirection.back = 1;
        moveDirection.forward = 0;
    //向后运动
    } else if (coordinates.y < -30) {
        moveDirection.forward = 1;
        moveDirection.back = 0;
    } else {
        moveDirection.forward = 0;
        moveDirection.back = 0;
    }
}