Three.js 进阶之旅：物理效果-3D乒乓球小游戏 🏓

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dragonir
     广东
    阅读 14 分钟
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    头图

    声明：本文涉及图文和模型素材仅用于个人学习、研究和欣赏，请勿二次修改、非法传播、转载、出版、商用、及进行其他获利行为。

    摘要

    本文在专栏上一篇内容《Three.js 进阶之旅：物理效果-碰撞和声音》的基础上，将使用新的技术栈 React Three Fiber 和 Cannon.js 来实现一个具有物理特性的小游戏，通过本文的阅读，你将学习到的知识点包括：了解什么是 React Three Fiber 及它的相关生态、使用 React Three Fiber 搭建基础三维场景、如何使用新技术栈给场景中对象的添加物理特性等，最后利用上述知识点，将开发一个简单的乒乓球小游戏。

    效果

    在正式学习之前，我们先来看看本文示例最终实现效果：页面主体内容是一个手握乒乓球拍的模型和一个乒乓球 🏓，对球拍像现实生活中一样进行颠球施力操作，乒乓球可以在球拍上弹起，乒乓球弹起的高度随着施加在球拍上的力的大小的变化而变化，球拍中央显示的是连续颠球次数 5️⃣，当乒乓球从球拍掉落时一局游戏结束，球拍上的数字归零 0️⃣ 。快来试试你一次可以颠多少个球吧 😏。

    打开以下链接，在线预览效果，大屏访问效果更佳。

    本专栏系列代码托管在 Github 仓库【threejs-odessey】，后续所有目录也都将在此仓库中更新。

    🔗 代码仓库地址：git@github.com:dragonir/threejs-odessey.git

    原理

    React-Three-Fiber

    React Three Fiber 是一个基于 Three.js 的 React 渲染器，简称 R3F。它像是一个配置器，把 Three.js 的对象映射为 R3F 中的组件。以下是一些相关链接：

    特点

    • 使用可重用的组件以声明方式构建动态场景图，使 Three.js 的处理变得更加轻松，并使代码库更加整洁。这些组件对状态变化做出反应，具有开箱即用的交互性。
    • Three.js 中所有内容都能在这里运行。它不针对特定的 Three.js 版本，也不需要更新以修改，添加或删除上游功能。
    • 渲染性能与 Three.js 和 GPU 相仿。组件参与 React 之外的 render loop 时，没有任何额外开销。

    写 React Three Fiber 比较繁琐，我们可以写成 R3F 或简称为 Fiber。让我们从现在开始使用 R3F 吧。

    生态系统

    R3F 有充满活力的生态系统，包括各种库、辅助工具以及抽象方法：

    • @react-three/drei – 有用的辅助工具，自身就有丰富的生态
    • @react-three/gltfjsx – 将 GLTFs 转换为 JSX 组件
    • @react-three/postprocessing – 后期处理效果
    • @react-three/test-renderer – 用于在 Node 中进行单元测试
    • @react-three/flex – react-three-fiber 的 flex 盒子布局
    • @react-three/xr – VR/AR 控制器和事件
    • @react-three/csg – 构造实体几何
    • @react-three/rapier – 使用 Rapier 的 3D 物理引擎
    • @react-three/cannon – 使用 Cannon 的 3D 物理引擎
    • @react-three/p2 – 使用 P2 的 2D 物理引擎
    • @react-three/a11y – 可访问工具
    • @react-three/gpu-pathtracer – 真实的路径追踪
    • create-r3f-app next – nextjs 启动器
    • lamina – 基于 shader materials 的图层
    • zustand – 基于 flux 的状态管理
    • jotai – 基于 atoms 的状态管理
    • valtio – 基于 proxy 的状态管理
    • react-spring – 一个 spring-physics-based 的动画库
    • framer-motion-3d – framer motion，一个很受欢迎的动画库
    • use-gesture – 鼠标/触摸手势
    • leva – 创建 GUI 控制器
    • maath – 数学辅助工具
    • miniplex – ECS 实体管理系统
    • composer-suite – 合成着色器、粒子、特效和游戏机制、

    安装

    npm install three @react-three/fiber

    第一个场景

    在一个新建的 React 项目中，我们通过以下的步骤使用 R3F 来创建第一个场景。

    初始化Canvas

    首先，我们从 @react-three/fiber 引入 Canvas 元素，将其放到 React 树中：

    import ReactDOM from 'react-dom'
import { Canvas } from '@react-three/fiber'

function App() {
  return (
    <div id="canvas-container">
      <Canvas />
    </div>
  )
}

ReactDOM.render(<App />, document.getElementById('root'))

    Canvas 组件在幕后做了一些重要的初始化工作：

    • 它初始化了一个场景 Scene 和一个相机 Camera，它们都是渲染所需的基本模块。
    • 它在页面每一帧更新中都渲染场景，我们不需要再到页面重绘方法中循环调用渲染方法。
    🚩 Canvas 大小响应式自适应于父节点，我们可以通过改变父节点的宽度和高度来控制渲染场景的尺寸大小。
    添加一个Mesh组件

    为了真正能够在场景中看到一些物体，现在我们添加一个小写的 <mesh /> 元素，它直接等效于 new THREE.Mesh()。

    <Canvas>
  <mesh />
    🚩 可以看到我们没有特地去额外引入mesh组件，我们不需要引入任何元素，所有Three.js中的对象都将被当作原生的JSX元素，就像在 ReactDom 中写 <div /> 及 <span /> 元素一样。R3F Fiber组件的通用规则是将Three.js中的它们的名字写成驼峰式的DOM元素即可。

    一个 Mesh 是 Three.js 中的基础场景对象，需要给它提供一个几何对象 geometry 以及一个材质 material 来代表一个三维空间的几何形状，我们将使用一个 BoxGeometry 和 MeshStandardMaterial 来创建一个新的网格 Mesh，它们会自动关联到它们的父节点。

    <Canvas>
  <mesh>
    <boxGeometry />
    <meshStandardMaterial />
  </mesh>

    上述代码和以下 Three.js 代码是等价的：

    const scene = new THREE.Scene()
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, width / height, 0.1, 1000)

const renderer = new THREE.WebGLRenderer()
renderer.setSize(width, height)
document.querySelector('#canvas-container').appendChild(renderer.domElement)

const mesh = new THREE.Mesh()
mesh.geometry = new THREE.BoxGeometry()
mesh.material = new THREE.MeshStandardMaterial()

scene.add(mesh)

function animate() {
  requestAnimationFrame(animate)
  renderer.render(scene, camera)
}

animate()

    构造函数参数：

    根据 BoxGeometry 的文档，我们可以选择给它传递三个参数：width、length 及 depth：

    new THREE.BoxGeometry(2, 2, 2)

    为了实现相同的功能，我们可以在 R3F 中使用 args 属性，它总是接受一个数组，其项目表示构造函数参数：

    <boxGeometry args={[2, 2, 2]} />
    添加光源

    接着，我们通过像下面这样添加光源组件来为我们的场景添加一些光线。

    <Canvas>
  <ambientLight intensity={0.1} />
  <directionalLight color="red" position={[0, 0, 5]} />

    属性：

    这里介绍关于 R3F 的最后一个概念，即 React 属性是如何在 Three.js 对象中工作的。当你给一个 Fiber 组件设置任意属性时，它将对 Three.js 设置一个相同名字的属性。我们关注到 ambientLight 上，由它的文档可知，我们可以选择 color 和 intensity 属性来初始化它：

    <ambientLight intensity={0.1} />

    等价于

    const light = new THREE.AmbientLight()
light.intensity = 0.1

    快捷方法：

    在 Three.js 中对于很多属性的设置如 colors、vectors 等都可以使用 set() 方法进行快捷设置：

    const light = new THREE.DirectionalLight()
light.position.set(0, 0, 5)
light.color.set('red')

    在 JSX 中也是相同的：

    <directionalLight position={[0, 0, 5]} color="red" />
    结果
    <Canvas>
  <mesh>
    <boxBufferGeometry />
    <meshBasicMaterial color="#03c03c" />
  </mesh>
  <ambientLight args={[0xff0000]} intensity={0.1} />
  <directionalLight position={[0, 0, 5]} intensity={0.5} />
</Canvas>

    查看React Three Fiber完整API文档

    实现

    到这里，我们已经掌握了 R3F 的基本知识，我们再结合专栏上篇关于物理特性的内容，来实现如文章开头介绍的乒乓球 🏓 小游戏。

    🚩 本文乒乓球小游戏基础版及乒乓球三维模型资源来源于R3F官网示例。

    〇 搭建页面基本结构

    首先，我们创建一个 Experience 文件作为渲染三维场景的组件，并在其中添加 Canvas 组件搭建基本页面结构。

    import { Canvas } from "@react-three/fiber";

export default function Experience() {
  return (
    <>
      <Canvas></Canvas>
    </>
  );
}

    ① 场景初始化

    接着我们开启 Canvas 的阴影并设置相机参数，然后添加环境光 ambientLight 和点光源 pointLight 两种光源：

    <Canvas
  shadows
  camera={{ fov: 50, position: [0, 5, 12] }}
>
  <ambientLight intensity={.5} />
  <pointLight position={[-10, -10, -10]} />
</Canvas>

    如果需要修改 Canvas 的背景色，可以在其中添加一个 color 标签并设置参数 attach 为 background，在 args 参数中设置颜色即可。

    <Canvas>
  <color attach="background" args={["lightgreen"]} />
</Canvas>

    ② 添加辅助工具

    接着，我们在页面顶部引入 Perf，它是 R3F 生态中查看页面性能的组件，它的功能和 Three.js 中 stats.js 是类似的，像下面这样添加到代码中设置它的显示位置，页面对应区域就会出现可视化的查看工具，在上面可以查看 GPU、CPU、FPS 等性能参数。

    如果想使用网格作为辅助线或用作装饰，可以使用 gridHelper 组件，它支持配置 position、rotation、args 等参数。

    import { Perf } from "r3f-perf";

export default function Experience() {
  return (
    <>
      <Canvas>
        <Perf position="top-right" />
        <gridHelper args={[50, 50, '#11f1ff', '#0b50aa']} position={[0, -1.1, -4]} rotation={[Math.PI / 2.68, 0, 0]} />
      </Canvas>
    </>
  );
}

    ③ 创建乒乓球和球拍

    我们创建一个名为 PingPong.jsx 的乒乓球组件文件，然后在文件顶部引入以下依赖，其中 Physics、useBox、usePlane、useSphere 用于创建物理世界；useFrame 是用来进行页面动画更新的 hook，它将在页面每帧重绘时执行，我们可以在它里面执行一些动画函数和更新控制器，相当于 Three.js 中用原生实现的 requestAnimationFrame；useLoader 用于加载器的管理，使用它更方便进行加载错误管理和回调方法执行；lerp 是一个插值运算函数，它可以计算某一数值到另一数值的百分比，从而得出一个新的数值，常用于移动物体、修改透明度、颜色、大小、模拟动画等。

    import { Physics, useBox, usePlane, useSphere } from "@react-three/cannon";
import { useFrame, useLoader } from "@react-three/fiber";
import { Mesh, TextureLoader } from "three";
import { GLTFLoader } from "three-stdlib/loaders/GLTFLoader";
import lerp from "lerp";

    创建物理世界

    然后创建一个 PingPong 类，在其中添加 <Physics> 组件来创建物理世界，像直接使用 Cannon.js 一样，可以给它设置 iterations、tolerance、gravity、allowSleep 等参数来分别设置物理世界的迭代次数、容错性、引力以及是否支持进入休眠状态等，然后在其中添加一个平面几何体和一个平面刚体 ContactGround。

    function ContactGround() {
  const [ref] = usePlane(
    () => ({
      position: [0, -10, 0],
      rotation: [-Math.PI / 2, 0, 0],
      type: "Static",
    }),
    useRef < Mesh > null
  );
  return <mesh ref={ref} />;
}

export default function PingPong() {
  return (
    <>
      <Physics
        iterations={20}
        tolerance={0.0001}
        defaultContactMaterial={{
          contactEquationRelaxation: 1,
          contactEquationStiffness: 1e7,
          friction: 0.9,
          frictionEquationRelaxation: 2,
          frictionEquationStiffness: 1e7,
          restitution: 0.7,
        }}
        gravity={[0, -40, 0]}
        allowSleep={false}
      >
        <mesh position={[0, 0, -10]} receiveShadow>
          <planeGeometry args={[1000, 1000]} />
          <meshPhongMaterial color="#5081ca" />
        </mesh>
        <ContactGround />
      </Physics>
    </>
  );
}

    创建乒乓球

    接着，我们创建一个球体类 Ball，在其中添加球体 🟡 ，可以使用前面介绍的 useLoader 来管理它的贴图加载，为了方便观察到乒乓球的转动情况，贴图中央加了一个十字交叉图案 ➕。然后将其放在 <Physics> 标签下。

    function Ball() {
  const map = useLoader(TextureLoader, earthImg);
  const [ref] = useSphere(
    () => ({ args: [0.5], mass: 1, position: [0, 5, 0] }),
    useRef < Mesh > null
  );
  return (
    <mesh castShadow ref={ref}>
      <sphereGeometry args={[0.5, 64, 64]} />
      <meshStandardMaterial map={map} />
    </mesh>
  );
}

export default function PingPong() {
  return (
    <>
      <Physics>
        { /* ... */ }
        <Ball />
      </Physics>
    </>
  );
}

    创建球拍

    球拍 🏓 采用的是一个 glb 格式的模型，在 Blender 中我们可以看到模型的样式和详细的骨骼结构，对于模型的加载，我们同样使用 useLoader 来管理，此时的加载器需要使用 GLTFLoader。

    我们创建一个 Paddle 类并将其添加到 <Physics> 标签中，在这个类中我们实现模型加载，模型加载完成后绑定骨骼，并在 useFrame 页面重绘方法中，根据鼠标所在位置更新乒乓球拍模型的位置 position，并根据是否一开始游戏状态以及鼠标的位置来更新球拍的 x轴 和 y轴 方向的 rotation 值。

    function Paddle() {
  const { nodes, materials } = useLoader(
    GLTFLoader,
    '/models/pingpong.glb',
  );
  const model = useRef();
  const [ref, api] = useBox(() => ({
    type: 'Kinematic',
    args: [3.4, 1, 3.5],
  }));
  const values = useRef([0, 0]);
  useFrame((state) => {
    values.current[0] = lerp(
      values.current[0],
      (state.mouse.x * Math.PI) / 5,
      0.2
    );
    values.current[1] = lerp(
      values.current[1],
      (state.mouse.x * Math.PI) / 5,
      0.2
    );
    api.position.set(state.mouse.x * 10, state.mouse.y * 5, 0);
    api.rotation.set(0, 0, values.current[1]);
    if (!model.current) return;
    model.current.rotation.x = lerp(
      model.current.rotation.x,
      started ? Math.PI / 2 : 0,
      0.2
    );
    model.current.rotation.y = values.current[0];
  });

  return (
    <mesh ref={ref} dispose={null}>
      <group
        ref={model}
        position={[-0.05, 0.37, 0.3]}
        scale={[0.15, 0.15, 0.15]}
      >
        <group rotation={[1.88, -0.35, 2.32]} scale={[2.97, 2.97, 2.97]}>
          <primitive object={nodes.Bone} />
          <primitive object={nodes.Bone003} />
          { /* ... */ }
          <skinnedMesh
            castShadow
            receiveShadow
            material={materials.glove}
            material-roughness={1}
            geometry={nodes.arm.geometry}
            skeleton={nodes.arm.skeleton}
          />
        </group>
        <group rotation={[0, -0.04, 0]} scale={[141.94, 141.94, 141.94]}>
          <mesh
            castShadow
            receiveShadow
            material={materials.wood}
            geometry={nodes.mesh.geometry}
          />
          { /* ... */ }
        </group>
      </group>
    </mesh>
  );
}

    到这里，我们已经实现乒乓球颠球的基本功能了 🤩

    颠球计数

    为了显示每次游戏可以颠球的次数，现在我们在乒乓球拍中央加上数字显示 5️⃣ 。我们可以像下面这样创建一个 Text 类，在文件顶部引入 TextGeometry、FontLoader、fontJson 作为字体几何体、字体加载器以及字体文件，添加一个 geom 作为创建字体几何体的方法，当 count 状态值发生变化时，实时更新创建字体几何体模型。

    import { useMemo } from "react";
import { TextGeometry } from "three/examples/jsm/geometries/TextGeometry";
import { FontLoader } from "three/examples/jsm/loaders/FontLoader";
import fontJson from "../public/fonts/firasans_regular.json";

const font = new FontLoader().parse(fontJson);
const geom = ['0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9'].map(
  (number) => new TextGeometry(number, { font, height: 0.1, size: 5 })
);

export default function Text({ color = 0xffffff, count, ...props }) {
  const array = useMemo(() => [...count], [count]);
  return (
    <group {...props} dispose={null}>
      {array.map((char, index) => (
        <mesh
          position={[-(array.length / 2) * 3.5 + index * 3.5, 0, 0]}
          key={index}
          geometry={geom[parseInt(char)]}
        >
          <meshBasicMaterial color={color} transparent opacity={0.5} />
        </mesh>
      ))}
    </group>
  );
}

    然后将 Text 字体类放入球拍几何体中，其中 count 字段需要在物理世界中刚体发生碰撞时进行更新，该方法加载下节内容添加碰撞音效时一起实现。

    function Paddle() {
  return (
    <mesh ref={ref} dispose={null}>
      <group ref={model}>
        { /* ... */ }
        <Text
          rotation={[-Math.PI / 2, 0, 0]}
          position={[0, 1, 2]}
          count={count.toString()}
        />
      </group>
    </mesh>
  );
}

    ④ 页面装饰

    到这里，整个小游戏的全部流程都开发完毕了，现在我们来加一些页面提示语、颠球时的碰撞音效，页面的光照效果等，使 3D 场景看起来更加真实。

    音效

    实现音效 🔈 前，我们先像下面这样添加一个状态管理器 📦 ，来进行页面全局状态的管理。zustand 是一个轻量级的状态管理库；_.clamp(number, [lower], upper) 用于返回限制在 lower 和 upper 之间的值；pingSound 是需要播放的音频文件。我们在其中添加一个 pong 方法用来更新音效和颠球计数，添加一个 reset 方法重置颠球数字。count 字段表示每次的颠球次数，welcome 表示是否在欢迎界面。

    import create from "zustand";
import clamp from "lodash-es/clamp";
import pingSound from "/medias/ping.mp3";

const ping = new Audio(pingSound);

export const useStore = create((set) => ({
  api: {
    pong(velocity) {
      ping.currentTime = 0;
      ping.volume = clamp(velocity / 20, 0, 1);
      ping.play();
      if (velocity > 4) set((state) => ({ count: state.count + 1 }));
    },
    reset: (welcome) =>
      set((state) => ({ count: welcome ? state.count : 0, welcome })),
  },
  count: 0,
  welcome: true,
}));

    然后我们可以在上述 Paddle 乒乓球拍类中像这样在物体发生碰撞时触发 pong 方法：

    function Paddle() {
  {/* ... */}
  const [ref, api] = useBox(() => ({
    type: "Kinematic",
    args: [3.4, 1, 3.5],
    onCollide: (e) => pong(e.contact.impactVelocity),
  }));
}

    光照

    为了是场景更加真实，我们可以开启 Canvas 的阴影，然后添加多种光源 💡 来优化场景，如 spotLight 就能起到视觉聚焦的作用。

    <Canvas
  shadows
  camera={{ fov: 50, position: [0, 5, 12] }}
>
  <ambientLight intensity={.5} />
  <pointLight position={[-10, -10, -10]} />
  <spotLight
    position={[10, 10, 10]}
    angle={0.3}
    penumbra={1}
    intensity={1}
    castShadow
    shadow-mapSize-width={2048}
    shadow-mapSize-height={2048}
    shadow-bias={-0.0001}
  />
  <PingPong />
</Canvas>

    提示语

    为了提升小游戏的用户体验，我们可以添加一些页面文字提示来指引使用者和提升页面视觉效果，需要注意的是，这些额外的元素不能添加到 <Canvas /> 标签内哦 😄。

    const style = (welcome) => ({
  color: '#000000',
  display: welcome ? 'block' : 'none',
  fontSize: '1.8em',
  left: '50%',
  position: "absolute",
  top: 40,
  transform: 'translateX(-50%)',
  background: 'rgba(255, 255, 255, .2)',
  backdropFilter: 'blur(4px)',
  padding: '16px',
  borderRadius: '12px',
  boxShadow: '1px 1px 2px rgba(0, 0, 0, .2)',
  border: '1px groove rgba(255, 255, 255, .2)',
  textShadow: '0px 1px 2px rgba(255, 255, 255, .2), 0px 2px 2px rgba(255, 255, 255, .8), 0px 2px 4px rgba(0, 0, 0, .5)'
});

<div style={style(welcome)}>🏓 点击任意区域开始颠球</div>

    🔗 源码地址： https://github.com/dragonir/threejs-odessey

    总结

    本文中主要包含的知识点包括：

    • 了解什么是 React Three Fiber 及相关生态。
    • React Three Fiber 基础入门。
    • 使用 React Three Fiber 开发一个乒乓球小游戏，学会如何场景构建、模型加载、物理世界关联、全局状态管理等。
    想了解其他前端知识或其他未在本文中详细描述的Web 3D开发技术相关知识，可阅读我往期的文章。如果有疑问可以在评论中留言，如果觉得文章对你有帮助，不要忘了一键三连哦 👍。

    附录

    参考

    three.js前端javascriptcssreact
    dragonir
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