09.ThreeJs開發指南-第九章-創建動畫和移動相機

第九章創建動畫和移動相機

基礎動畫：

render();

function render(){
    renderer.render(scene,camera);

    requestAnimationFrame(render);//通常保持60/s的幀率渲染
}

一、簡單動畫

複雜動畫的基礎

function render(){
    cube.rotation.x += controls.rotationSpeed;
    cube.rotation.y += controls.rotationSpeed;
    cube.rotation.z += controls.rotationSpeed;

    step += controls.bouncingSpeed;
    sphere.position.x = 20 + (10 * (Math.cos(step));
    sphere.position.y = 2 + (10 * Math.abs((Math.sin(step)));

    scalingStep += controls.scalingSpeed;

    var scaleX = Math.abs(Math.sin(scalingStep / 4));
    var scaleY = Math.abs(Math.cos(scalingStep / 5));
    var scaleZ = Math.abs(Math.sin(scalingStep / 7));
    cylinder.scale.set(scaleX,scaleY,scaleZ);

    renderer.render(scene,camera);
    requestAnimationFrame(render);

}

選擇對象

var projector = new THREE.Projector();

function onDocumentMouseDown(event){

    event.preventDefault();

    var vector = new THREE.Vector3(
        (event.clientX / window.innerWidth) * 2 -1,
        (event.clientY / window.innderHeight) * 2 + 1,
        0.5
    );

    projector.unprojectVector(vector,camera);

    var raycaster = new THREE.Raycaster(camera.position,vector.sub(camera.position).normalize());

    var intersects = raycaster.intersectObjects([
        sphere,cylinder,cube
    ]);

    if(intersects.length > 0 ){
        intersects[0].object.material.transparent = true ;
        intersects[0].object.material.opacity = 0.1 ;
    }
}

點擊屏幕：
1.在點擊的位置創建一個向量
2.用unprojectVector函數，將屏幕上點的位置轉換成Three.js場景中的座標。
3.然後，用THREE.Raycaster對象（projector.pickingRay函數的返回值）從屏幕上的點擊位置想場景中發射一束光線。
4.最後，使用raycaster.intersectObjects函數來判斷指定的對象中有沒有被這束光線擊中的。

被擊中的對象信息：

distance：49.2555 // 從相機到被點物體間的距離
face：THREE.Face4 // 該網格被選中的面
faceIndex:4 // 該網格被選中的面
object:THREE.Mesh // 被點擊的網格
point:THREE.Vector3 //被選中的物體上的點

Tween.js

https://github.com/sole.tween.js

這個庫可以定義某個屬性在兩個值之間的過渡，自動計算出起始值和結束值之間的所有中間值。這個過程叫做：補間。

//10s從x=10遞減到x=3
var tween = new THREE.Tween({x:10}).to({x:3},10000).easing(TWEEN.Easing.Elastic.InOut).onUpdate(function(){

});

這個漸變的過程可以是線性的，指數性的，還可能是其他的方式。
http://sole.github.io/tween.js/examples/03_graphs.html

屬性值在指定時間內的變化稱爲 easing （緩動）

var posSrc = {pos:1};
var tween = new THREE.Tween(posSrc).to({pos:0},5000);
tween.easing (TWEEN.Easing.Sinusoidal.InOut);

var tweenBack = new THREE.Tween(posSrc).to({pos:1},5000);
tweenBack.easing(TWEEN.Easing.Sinusoidal.InOut);

//使兩個補間動畫首尾相連
tween.chain(tweenBack);
tweenBack.chain(tween);

//遍歷粒子系統中的每個點，並用補間動畫提供的位置更新頂點的位置。
var onUpdate = function(){

    var count = 0;
    var pos = this.pos;

    loadedGeometry.vertices.forEach(function(e){
        var newY = ((e.y + 3.22544) * pos) - 3.22544;
        particleSystem.geometry.vertices[count++].set(e.x,newY,e.z);
    }); 

    particleSystem.sortPaticles = true;
};

tween.onUpdate(onUpdate);
tweenBack.onUpdate(onUpdate);

補間動畫在模型加載完畢時啓動。

var loader = new THREE.PLYLoader();
loader.load('../assets/models/test.ply',function(geometry){
    ...

    tween.start();

    ...
});

開啓補間動畫之後，我們需要告知Three.js庫什麼時候應該刷新已知的所有補間。調用TWEEN.update().

function render(){
    TWEEN.update();

    WebGLRenderer.render(scene,camera);
    requestAnimationFrame(render);
}

使用相機：

Three.js提供了幾個相機控件，可以用來控制場景中的相機。

example/js/controls

FirstPersonControls：第一人稱控件，鍵盤移動，鼠標轉動
FlyControls：飛行器模擬控件，鍵盤和鼠標來控制相機的移動和轉動
RollControls：翻滾控件，FlyControls的簡化版，可以繞z軸旋轉
TrackballControls：軌跡球控件，用鼠標來輕鬆移動、平移和縮放場景
OrbitControls：軌道控件，用於特定場景，模擬軌道中的衛星，可以用鼠標和鍵盤在場景中游走
PathControls：路徑控件，相機可以沿着預定義的路徑移動。可以四處觀看，但不能改變自身的位置。

一、軌跡球控件

最常用的控件

引用：TrackballControls.js

var trackballControls = new THREE.TrackballControls(camera);
trackballControls.rotateSpeed = 1.0;
trackballControls.zoomSpeed = 1.0;
trackballControls.panSpeed = 1.0;
//trackballControls.noZoom = true;//禁止縮放場景

更新相機的位置：

var clock = new THREE.Clock();
function render(){
    var delta = clock.getDelta();
    trackballControls.update(delta);

    requestAnimationFrame(render);
    webGLRenderer.render(scene,camera);
}

THREE.Clock對象，用來精確計算出上次調用後經過的時間，或者一個渲染循環耗費的時間。

clock.getDelta() 返回此次調用和上次調用之間的時間間隔。

二、飛行控件

引用：FlyControls.js

綁定到相機上：

var flyControls = new THREE.FlyControls(camera);
flyControls.movementSpeed = 25;
flyControls.domElement = document.querySelector('#WebGL-output');
flyControls.rollSpeed = Math.PI / 24;
flyControls.autoForward = true;
flyControls.dragToLook = false;

三、翻滾控件

RollControls和FLyControls基本一致。

var rollControls = new THREE.RollControls(camera);
rollControls.movementSpeed = 25;
rollControls.lookSpeed = 3;

四、第一人稱控件

FirstPersonControls

var camControls = new THREE.FirstPersonControls(camera);
camControls.lookSpeed = 0.4;
camControls.movementSpeed = 20;
camControls.noFly = true;
camControls.lookVertical = true;
camControls.constrainVertical = true;
camControls.verticalMin = 1.0;
camControls.verticalMax = 2.0;
//下面兩個屬性定義場景初次渲染時相機指向的位置
camControls.lon = -150;
camControls.lat = 120;

五、軌道控件

OrbitControls 控件是在場景中繞某個對象旋轉、平移的好方法。

引用：OrbitControls.js

var orbitControls = new THREE.OrbitControls(camera);
orbitControls.autoRotate = true;
var clock = new THREE.Clock();
...

var delta  = clock.getDelta();
orbitControls.update(delta);

六、路徑控件

創建一個路徑

function getPath(){

    var points = [];
    var r = 20;
    var cX = 0;
    var cY = 0;

    for (var i = 0 ; i < 1440 ; i += 5){

        var x = r * Math.cos(i * (Math.PI / 180)) + cX;
        var z = r * Math.sin(i * (Math.PI / 180)) + cY;
        var y = i / 30;

        points.push(new THREE.Vector3(x,y,z));
    }

    return points;  
}

引用：PathControls.js

注意：加載控件之前要保證沒有手動設置相機的位置，或者使用過相機的lookAt()函數，因爲這可能會跟特定的控件相牴觸。

var pathControls = new THREE.PathControls(camera);

//配置pathControls
pathControls.duration = 70;
pathControls.useConstantSpeed = true;
pathControls.lookSpeed = 0.1;
pathControls.lookVertical = true;
pathControls.lookHorizontal = true;
pathControls.verticalAngleMap = {
    srcRange:[0,2*Math.PI],
    dsRange:[1.1,3.8]
};
pathControls.horizontalRange = {
    srcRange:[0,2*Math.PI],
    dsRange:[0.3,Math.PI - 0.3]
};
pathControls.lon = 300;
pathControls.lat = 40;

//添加路徑
controls.points.forEach(function(e){
    pathControls.wayPoints.push([e.x,e.y,e.z]);
});

//初始化控件
pathControls.init();

//開始動畫，保證相機可以自動移動
scene.add(pathControls.animationParent);
pathControls.animation.play(true,0);


幀循環：
var delta = clock.getDelta();
THREE.AnimationHandler.update(delta);
pathControls.update(delta);

變形動畫和骨骼動畫

變形動畫：通過變形目標，可以定義經過變形之後的版本，或者說關鍵位置。對於這個變形目標其所有的頂點都會被存儲下來。

骨骼動畫（蒙皮動畫）：通過定義骨骼，並把頂點綁定到特定的骨頭上。當移動一塊骨頭時，任何相連的骨頭都會做相應的移動，骨頭上的綁定的頂點也會隨之移動。

變形動畫比骨骼動畫能夠在three.js中更好的工作。骨骼動畫的主要問題是，如何從Blender等三維程序中比較好的導出數據。

一、變形動畫

變形目標是製作變形動畫直接的方法。

原理：爲所有的頂點都指定一個關鍵位置，然後讓three.js將這些頂點從一個關鍵位置移動到另一個。

不足：對於大型網格，模型文件會變得非常大。因爲在每個關鍵位置上，所有頂點的位置都要存儲兩遍。

Three.js提供了一種方法使得模型可以從一個位置遷移到另一個位置，但是這也意味着我們可能不得不手工記錄當前所處的位置，以及下一個變形目標的位置。一旦到達目標位置，我們就得重複這個過程以達到下一個位置。

爲此，Three.js爲我們提供了MorphAnimMesh 變形動畫網格

1.MorphAnimMesh 變形動畫網格

var loader = new THREE.JSONLoader();
loader.load('../assets/models/horse.js',function(geometry,mat){

    var mat = new THREE.MeshLambertMaterial({
        color:0xffffff,
        morphNormals:false,
        morphTargets:true,//使Mesh可以執行動畫
        vertexColors:THREE.FaceColors
    });

    morphColorsToFaceColors(geometry);
    geometry.computeMorphNormals();//確保變形目標的所有法向量都會被計算。這對於正確的光照和陰影是必須的。

    meshAnim = new THREE.MorphAnimMesh(geometry,mat);

    scene.add(meshAnim);

},'../assets/models');

//在某個特定的變形目標上爲某些面指定顏色是可能的。
//該函數保證動畫過程中使用正確的顏色。
function morphColorsToFaceColors(geometry){

    if(geometry.morphColors && geometry.morphColors.length){

        var colorMap = geometry.morphColors[0];

        for(var i = 0; i < colorMap.colors.length;i++){
            geometry.faces[i].color = colorMap.colors[i];
            geometry.faces[i].color.offsetHSL(0,0.3,0);
        }
    }
}

幀循環：

function render(){

    var delta = color.getDelta();

    webGLRenderer.clear();
    if(meshAnim){
        meshAnim.updateAnimation(delta*100);
        meshAnim.rotation.y += 0.01;
    }

    requestAnimationFrame(render);
    webGLRenderer.render(scene,camera);
}

2.通過設置morphTargetInfluence屬性創建動畫

var cubeGeometry = new THREE.CubeGeometry(4,4,4);
var cubeMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial({
    morphTargets:true,
    color:0xff0000
});

var cubeTarget1 = new THREE.CubeGeometry(2,10,2);
var cubeTarget2 = new THREE.CubeGeometry(8,2,8);

cubeGeometry.morphTargets[0] = {name:'t1',vertices:cubeTarget2.vertices};
cubeGeometry.morphTargets[1] = {name:'t2',vertices:cubeTarget1.vertices};

cubeGeometry.computeMorphNormals();

var cube = new THREE.Mesh(cubeGeometry,cubeMaterial);

var controls = new function(){
    this.influence1 = 0.01;
    this.influence2 = 0.01;

    this.update = function(){

        cube.morphTargetInfluences[0] = controls.influence1;
        cube.morphTargetInfluences[1] = controls.influence2;
    }
}

二、用骨骼和蒙皮製作動畫 THREE.SkinnedMesh

加載Three.js骨骼動畫模型,該文件中帶有骨骼的定義。

var loader = new THREE.JSONLoader();
loader.load('../assets/models/hand-1.js',function(geometry,mat){

    var mat = new THREE.MeshLambertMaterial({
        color:0xF0C8C9,
        skinning:true //使用帶有蒙皮的網格對象，需要對模型所用材質的skinning屬性設置爲true。
    });

    //帶有蒙皮的網格對象
    mesh = new THREE.SkinnedMesh(geometry,mat);

    mesh.rotation.x = 0.5 * Math.PI;
    mesh.rotation.z = 0.7 * Math.PI;

    mesh.bones.forEach(function(e){
        u.useQuaternion = false;//如果爲true，則必須使用四元素來定義骨頭的旋轉。爲false，我們就可以使用一般方式來設置這個旋轉。
    });

    scene.add(mesh);

    tween.start();

},'../assets/models');


var onUpdate = function(){

    var pos = this.pos;

    //旋轉手指
    mesh.bones[5].rotation.set(0,0,pos);
    mesh.bones[6].rotation.set(0,0,pos);
    mesh.bones[10].rotation.set(0,0,pos);
    mesh.bones[11].rotation.set(0,0,pos);
    mesh.bones[15].rotation.set(0,0,pos);
    mesh.bones[16].rotation.set(0,0,pos);
    mesh.bones[20].rotation.set(0,0,pos);
    mesh.bones[21].rotation.set(0,0,pos);

    //旋轉手腕
    mesh.bones[1].rotation.set(pos,0,0);

}

這裏我們是手動變化骨骼的位置，以達到動畫的效果。

這裏缺少的是如何以固定的時間間隔調用update方法，即更新骨骼的位置，爲此，我們使用了Tween.js庫。

使用外部模型創建動畫

支持動畫的幾個模型：

1.帶有JSON導出器的Blender
2.Collada模型
3.MD2模型

一、加載Blender中導出的動畫：

在Blender中創建動畫：
1.模型中的頂點至少要在一個頂點組中
2.blender中頂點組的名字必須跟控制這個頂點組的骨頭的名字相對應。只有這樣，當骨頭被移動時Three.js才能找到需要修改的頂點。
3.只有第一個action可以導出，所以要保證你想要導出的動畫是第一個action。
4.創建keyframes（關鍵幀名）時，最好選擇所有骨頭，即便它們沒有變化。
5.導出模型時，要保證模型處於靜止狀態。如果不是這樣，那麼你看到的動畫將非常混亂。

var loader = new THREE.JSONLoader();

loader.load('../assets/models/hand-2.js',function(geometry,mat){

    THREE.AnimationHandler.add(geometry.animation);//註冊動畫

    var mat = new THREE.MeshLambertMaterial({
        color:0xF0C8C9,
        skinning:true
    });

    mesh = new THREE.SkinnedMesh(geometry,mat);
    mesh.rotation.x = 0.5 * Math.PI;
    mesh.rotation.z = 0.7 * Math.PI;

    scene.add(mesh);

    var animation = new THREE.Animation(mesh,'wave');//創建動畫，動畫的名字要和Blender中的名字一致

    animation.play();

},'../assets/models');

幀循環：

THREE.AnimationHandler.update(clock.getDelta());

二、從Collada模型中加載動畫

引入：ColladaLoader.js

var loader = new THREE.ColladaLoader();
loader.load('../assets/models/moster.dae',function(collada){

    var geom = collada.skins[0].geometry;
    var mat = collada.skins[0].material;

    geom.computeMorphNormals();
    mat.morphNormals = true;

    meshAnim = new THREE.MorphAnimMesh(geom,mat);

    meshAnim.scale.set(0.15,0.15,0.15);
    meshAnim.rotation.x = -0.15 * Math.PI;
    meshAnim.rotation.z = -100;
    meshAnim.rotation.y = -60;

    scene.add(meshAnim);
    meshAnim.duration = 5000;

});

一個Collada文件中不僅可以包含模型，還可以保存整個場景，包括相機、光源、動畫等。

使用Collada模型最好的方式是將loader.load函數調用結果輸出到控制檯，然後決定使用哪些組件。

幀循環：

function render(){
    ...
    meshAnim.updateAnimation(delta*1000);
    ...
}

從雷神之錘模型中加載動畫

首先得將MD2格式轉換爲Three.js中的JavaScript格式。

http://oos.moxiecode.com/js_webgl/md2_converter/

MD2模型文件中通常會保存幾個角色動畫。Three.js提供了一種功能可以讓我們選擇動畫，並調用playAniamtion()進行播放。

mesh.parseAnimations();//返回一組動畫的名稱。

mesh.parseAnimations();

var animLabels = [];

for(var key in mesh.geometry.animations){
    if(key == 'length' || !mesh.geometry.animations.hasOwnProperty(key))
        continue;

    animLabels.push(key);
}

gui.add(controls,'animations',animLabels).onchange(function(e){
    mesh.playAnimation(controls.animations,controls.fps);
});

小結：

變形目標：MorphAnimMesh類
骨骼動畫：SkinnedMesh類

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