Three.js 变形动画-打造花瓣绽放

概述

本文将详细介绍如何使用 Three.js 实现变形动画效果。我们将学习如何利用 Morph Targets（形态目标）技术，让 3D 模型在不同形状之间平滑过渡，创造出花瓣绽放等生动的动画效果。

准备工作

首先，我们需要引入必要的 Three.js 库和相关工具：

import * as THREE from "three";
// 导入轨道控制器
import { OrbitControls } from "three/examples/jsm/controls/OrbitControls";
// 导入动画库
import gsap from "gsap";
// 导入dat.gui
import * as dat from "dat.gui";
import { DRACOLoader } from "three/examples/jsm/loaders/DRACOLoader";
import { GLTFLoader } from "three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader";
import { RGBELoader } from "three/examples/jsm/loaders/RGBELoader";

场景初始化

首先，我们需要创建一个基本的 Three.js 场景：

const gui = new dat.GUI();
// 1、创建场景
const scene = new THREE.Scene();

// 2、创建相机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(
  75,
  window.innerWidth / window.innerHeight,
  0.1,
  1000
);
camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;
// 更新摄像机的投影矩阵
camera.updateProjectionMatrix();

// 设置相机位置
camera.position.set(0, 0, 20);
scene.add(camera);

环境设置

添加 HDR 环境纹理，提升场景的真实感：

// 添加hdr环境纹理
const loader = new RGBELoader();
loader.load("./textures/038.hdr", function (texture) {
  texture.mapping = THREE.EquirectangularReflectionMapping;
  scene.environment = texture;
});

DRACO 压缩模型加载

使用 DRACO 压缩技术加载 GLB 模型：

// 加载压缩的glb模型
const gltfLoader = new GLTFLoader();
const dracoLoader = new DRACOLoader();
dracoLoader.setDecoderPath("./draco/gltf/");
dracoLoader.setDecoderConfig({ type: "js" });
dracoLoader.preload();
gltfLoader.setDRACOLoader(dracoLoader);

变形动画核心实现

这是变形动画的关键部分，通过 Morph Targets 技术实现模型变形：

let params = {
  value: 0,
  value1: 0,
};

let mixer;
let stem, petal, stem1, petal1, stem2, petal2;

// 加载第一个模型（初始状态）
gltfLoader.load("./model/f4.glb", function (gltf1) {
  console.log(gltf1);
  stem = gltf1.scene.children[0];
  petal = gltf1.scene.children[1];
  gltf1.scene.rotation.x = Math.PI;

  // 遍历场景中的对象并处理材质
  gltf1.scene.traverse((item) => {
    if (item.material && item.material.name == "Water") {
      item.material = new THREE.MeshStandardMaterial({
        color: "skyblue",
        depthWrite: false,
        transparent: true,
        depthTest: false,
        opacity: 0.5,
      });
    }
    if (item.material && item.material.name == "Stem") {
      stem = item;
    }
    if (item.material && item.material.name == "Petal") {
      petal = item;
    }
  });

  // 加载第二个模型（中间状态）
  gltfLoader.load("./model/f2.glb", function (gltf2) {
    gltf2.scene.traverse((item) => {
      if (item.material && item.material.name == "Stem") {
        stem1 = item;
        // 将第二个模型的几何体作为第一个形态目标添加到基础模型
        stem.geometry.morphAttributes.position = [
          stem1.geometry.attributes.position,
        ];
        stem.updateMorphTargets();
      }
      if (item.material && item.material.name == "Petal") {
        petal1 = item;
        // 将第二个模型的几何体作为第一个形态目标添加到基础模型
        petal.geometry.morphAttributes.position = [
          petal1.geometry.attributes.position,
        ];
        petal.updateMorphTargets();
        console.log(petal.morphTargetInfluences);
      }

      // 加载第三个模型（最终状态）
      gltfLoader.load("./model/f1.glb", function (gltf2) {
        gltf2.scene.traverse((item) => {
          if (item.material && item.material.name == "Stem") {
            stem2 = item;
            // 将第三个模型的几何体作为第二个形态目标添加到基础模型
            stem.geometry.morphAttributes.position.push(
              stem2.geometry.attributes.position
            );
            stem.updateMorphTargets();
          }
          if (item.material && item.material.name == "Petal") {
            petal2 = item;
            // 将第三个模型的几何体作为第二个形态目标添加到基础模型
            petal.geometry.morphAttributes.position.push(
              petal2.geometry.attributes.position
            );
            petal.updateMorphTargets();
            console.log(petal.morphTargetInfluences);
          }
        });
      });
    });
  });

  // 使用 GSAP 创建变形动画
  gsap.to(params, {
    value: 1,
    duration: 4,
    onUpdate: function () {
      // 控制第一个形态目标的影响程度
      stem.morphTargetInfluences[0] = params.value;
      petal.morphTargetInfluences[0] = params.value;
    },
    onComplete: function () {
      // 在第一个动画完成后，开始第二个变形动画
      gsap.to(params, {
        value1: 1,
        duration: 4,
        onUpdate: function () {
          // 控制第二个形态目标的影响程度
          stem.morphTargetInfluences[1] = params.value1;
          petal.morphTargetInfluences[1] = params.value1;
        },
      });
    },
  });

  scene.add(gltf1.scene);
});

渲染器设置

配置 WebGL 渲染器：

// 初始化渲染器
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({
  logarithmicDepthBuffer: true,
  antialias: true,
});
// 设置渲染的尺寸大小
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
// 开启场景中的阴影贴图
renderer.shadowMap.enabled = true;
renderer.physicallyCorrectLights = true;
renderer.setClearColor(0xcccccc, 1);
renderer.autoClear = false;
// 设置电影渲染模式
renderer.toneMapping = THREE.ACESFilmicToneMapping;
renderer.outputEncoding = THREE.sRGBEncoding;
renderer.sortObjects = true;
renderer.logarithmicDepthBuffer = true;

// 将webgl渲染的canvas内容添加到body
document.body.appendChild(renderer.domElement);

控制器和动画循环

设置轨道控制器和渲染循环：

// 创建轨道控制器
const controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement);
// 设置控制器阻尼，让控制器更有真实效果,必须在动画循环里调用.update()。
controls.enableDamping = true;

// 添加坐标轴辅助器
const axesHelper = new THREE.AxesHelper(5);
scene.add(axesHelper);

// 设置时钟
const clock = new THREE.Clock();
function render() {
  let time = clock.getDelta();
  if (mixer) {
    mixer.update(time);
  }
  controls.update();

  renderer.render(scene, camera);
  // 渲染下一帧的时候就会调用render函数
  requestAnimationFrame(render);
}

render();

变形动画原理详解

Morph Targets（形态目标）是一种在计算机图形学中用于实现网格变形的技术。其基本原理是：

1. 基础几何体: 定义一个基础的网格几何体
2. 目标几何体: 定义一个或多个"目标"几何体，它们与基础几何体有相同的拓扑结构（相同的顶点数量和连接关系），但顶点位置不同
3. 权重控制: 通过权重值（0到1之间）来控制目标几何体对基础几何体的影响程度

在代码中，我们使用 morphTargetInfluences 数组来控制每个形态目标的影响程度：

• 当 morphTargetInfluences[0] = 0 时，模型呈现初始状态
• 当 morphTargetInfluences[0] = 1 时，模型完全变成第一个目标状态
• 当 morphTargetInfluences[0] = 0.5 时，模型是初始状态和目标状态的中间形态

应用场景

变形动画在 3D 应用中有广泛的应用：

1. 角色面部表情: 实现人物的表情变化
2. 物体形态变化: 如花朵绽放、物体变形等
3. 动画过渡: 在不同模型状态之间平滑过渡
4. 程序化生成: 根据参数动态改变模型形状

性能优化建议

1. 合理使用: Morph Targets 会增加内存消耗，只在必要时使用
2. 减少目标数量: 尽量减少形态目标的数量以提高性能
3. 压缩模型: 使用 DRACO 等压缩技术减少模型文件大小
4. 优化动画: 使用高效的动画库如 GSAP 来控制变形过程

总结

通过这个项目，我们学习了如何使用 Three.js 的 Morph Targets 技术：

1. 如何加载多个具有相同拓扑结构的模型
2. 如何将目标模型的几何体作为形态目标添加到基础模型
3. 如何通过控制权重来实现平滑的变形动画
4. 如何使用 GSAP 等动画库来管理复杂的动画序列

变形动画是一个强大而灵活的技术，能够为你的 3D 应用增添生动有趣的视觉效果，特别是在创建有机形态变化（如植物生长、花朵绽放等）方面特别有效。