原文地址： dev.to/mrryanfloyd…
作者github：github.com/0xFloyd
作者twitter：twitter.com/mrryanfloyd
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 <canvas> 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。
<html>
<head>
<title>My first three.js app</title>
<style>
body {
margin: 0;
}
canvas {
display: block;
}
</style>
</head>
<body>
<script src="https://unpkg.com/three@0.119.0/build/three.js"></script>
<script>
//创建场景和相机
var scene = new THREE.Scene();
var camera = new THREE.PerspectiveCamera(
75,
window.innerWidth / window.innerHeight,
0.1,
1000
);
//创建渲染器，设置尺寸为窗口尺寸，并将渲染后的元素添加到body
var renderer = new THREE.WebGLRenderer();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);
//创建一个Mesh（绿色的3D立方体），并添加到场景中
var geometry = new THREE.BoxGeometry();
var material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 });
var cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);
//设置照相机的位置
camera.position.z = 5;
//浏览器每次渲染的时候更新立方体的旋转角度
var animate = function () {
requestAnimationFrame(animate);
cube.rotation.x += 0.01;
cube.rotation.y += 0.01;
renderer.render(scene, camera);
};
animate();
</script>
</body>
</html>
效果如下：
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()
}
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());
}
}
}
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;
}
}
下面是使用操纵杆的效果：
结语
现在，我们有了创建一个模拟真实物理世界的、可交互的3D应用的所有工具。用你富有想象力的头脑，创造美的愿望来打造属于你的3D应用吧！在互联网时代，任何人都是终身学习者。
这个项目的源代码可以在我的Github上找到，地址：github.com/0xFloyd/Por…
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