> 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： ![图片](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/c6c69308875347eaa2ada67fa7e80aa0~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) 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）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。 * **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。 ```java 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Renderer const 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。 ```java 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。 ```java 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。 ```java 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： ```java // 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, y: 6, z: 0 } }, ... ] 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

```java 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Logo const 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 envMap const 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 ```java // 1. renderer const renderer = new THREE.WebGLRenderer() renderer.shadowMap.enabled = true; renderer.shadowMap.type = THREE.PCFSoftShadowMap; // 2. light const light = new THREE.DirectionalLight() light.castShadow = true; // 3. object gltf.scene.traverse(function (child) { if (child.isMesh) { child.castShadow = true; } }); // 4. floor floor.receiveShadow = true ```

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： 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。 ```java 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 = { turn: 0, // 旋转角度 forward: 0 // 前进距离 } // 创建一个handler，并监听手势，调整move option const 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。 ```java function createPlayer() { const box = new THREE.BoxGeometry(1.2, 2, 1) const mat = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x000000, wireframe: true }) const mesh = new THREE.Mesh(box, mat) box.translate(0, 1, 0) return mesh } const player = createPlayer() // 创建player player.position.set(4.5, 2, 12) // 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。 ```java 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。 ```java 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。 ```java 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： * [Threejs+Blender打造3D全景VR画展「1」 – 码语派教室](https://dev.xingway.com/threejs-3d-gallery-part1/) * [three js blender animation - Google Search](https://www.google.com.hk/search?q=three+js++blender+animation\&newwindow=1\&sxsrf=APq-WBtVmrD-A70Ya5dHh3RL-yz897dEUw%3A1650267266642\&ei=ghRdYvroJuLO2roP5tiIqAI\&ved=0ahUKEwj6sdnRjJ33AhVip1YBHWYsAiUQ4dUDCA4\&uact=5\&oq=three+js++blender+animation\&gs_lcp=Cgdnd3Mtd2l6EAMyCAghEBYQHRAeMggIIRAWEB0QHjIICCEQFhAdEB46BwgAEEcQsAM6BggAEBYQHjoFCAAQhgNKBAhBGABKBAhGGABQywRYiJ1wYMmecGgCcAF4AIABfIgB-AGSAQMwLjKYAQCgAQHIAQjAAQE\&sclient=gws-wiz#kpvalbx=_txtdYubjMufv2roPx9ONqAI24) * [Loading Animated Characters in React Three Fiber](https://www.youtube.com/watch?v=q7yH_ajINpA) * [浅谈three.js中的needsUpdate - pissang - 博客园](https://www.cnblogs.com/pissang/archive/2012/11/05/2755458.html) * [Directional Light Shadow - Three.js Tutorials](https://sbcode.net/threejs/directional-light-shadow/) * [Shadows not working](https://discourse.threejs.org/t/shadows-not-working/30269) * [自适应Shadow Bias算法](https://zhuanlan.zhihu.com/p/370951892) * [GLB Modify Material and add emission](https://discourse.threejs.org/t/glb-modify-material-and-add-emission/4661/5) * [How can I improve the performance of a three.js script?](https://stackoverflow.com/questions/70202950/how-can-i-improve-the-performance-of-a-three-js-script) * [HTML5 Audio events not triggering on Chrome](https://stackoverflow.com/questions/10790091/html5-audio-events-not-triggering-on-chrome) * * 部分代码参考自：