Three.js+React實現(xiàn)3D開放世界小游戲

更新時間：2022年04月01日 08:54:23 作者：Dragonir

本文使用?Three.js?+?React?+?CANNON?技術(shù)棧，實現(xiàn)通過滑動屏幕控制模型在3D世界里運(yùn)動的?Low?Poly?低多邊形風(fēng)格小游戲，感興趣的可以了解一下

背景

2545光年之外的開普勒1028星系，有一顆色彩斑斕的宜居星球，星際移民必須穿戴基地發(fā)放的防輻射服才能生存。阿貍駕駛星際飛行器降臨此地，快幫它在限定時間內(nèi)使用輪盤移動找到基地獲取防輻射服吧！

本文使用 Three.js + React + CANNON 技術(shù)棧，實現(xiàn)通過滑動屏幕控制模型在 3D 世界里運(yùn)動的 Low Poly 低多邊形風(fēng)格小游戲。本文主要涉及到的知識點包括：Three.js 陰影類型、創(chuàng)建粒子系統(tǒng)、cannon.js 基本用法、使用 cannon.js 高度場 Heightfield 創(chuàng)建地形、通過輪盤移動控制模型動畫等。

效果

游戲玩法：點擊開始游戲按鈕，通過操作屏幕底部輪盤來移動阿貍，在倒計時限定時間內(nèi)找到基地。
主線任務(wù)：限定時間內(nèi)找到庇護(hù)所。
支線任務(wù)：自由探索開放世界。

在線預(yù)覽：

地址1：https://3d-eosin.vercel.app/#/metaverse
地址2：https://dragonir.github.io/3d/#/metaverse

已適配:

PC端
移動端

小提示：站得越高看得越遠(yuǎn)，隱隱約約聽說基地位于初始位置的西面，開始時應(yīng)該向左前方前進(jìn)哦。

設(shè)計

游戲流程如下圖所示：頁面加載完成后玩家點擊開始按鈕，然后在限定時間內(nèi)通過控制頁面底部輪盤 ?? 移動模型，找到目標(biāo)基地所在的位置。尋找成功或失敗都會顯示結(jié)果頁，結(jié)果上面有兩個按鈕再試一次和自由探索，點擊再試一次時間會重置，然后重新回到起點開始倒計時。點擊自由探索則不在計時，玩家可以在 3D 開放世界里操作模型自由探索。同時，游戲內(nèi)頁面也提供一個時光倒流按鈕，它的作用是玩家可以在失敗前自己手動重置倒計時，重新回到起點開始游戲。

實現(xiàn)

加載資源

加載開發(fā)所需的必備資源：GLTFLoader 用于加載狐貍和基地模型、CANNON 是用于創(chuàng)建 3D 世界的物理引擎；CannonHelper 是對 CANNON 一些使用方法的封裝；JoyStick 用于創(chuàng)建通過監(jiān)聽鼠標(biāo)移動位置或觸碰屏幕產(chǎn)生的位移來控制模型移動的輪盤。

import * as THREE from 'three';
import { GLTFLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader';
import CANNON from 'cannon';
import CannonHelper from './scripts/CannonHelper';
import JoyStick from './scripts/JoyStick';

頁面結(jié)構(gòu)

頁面結(jié)構(gòu)比較簡單，.webgl 用于渲染 WEBGL；.tool 是游戲內(nèi)的工具欄，用于重置游戲和顯示一些提示語；.loading 是游戲加載頁面，用來顯示游戲加載進(jìn)度、介紹游戲規(guī)則、顯示游戲開始按鈕；.result 是游戲結(jié)果頁面，用于顯示游戲成功或失敗結(jié)果，并提供再試一次和自由探索兩個按鈕。

(<div id="metaverse">
  <canvas className='webgl'></canvas>
  <div className='tool'>
    <div className='countdown'>{ this.state.countdown }</div>
    <button className='reset_button' onClick={this.resetGame}>時光倒流</button>
    <p className='hint'>站得越高看得越遠(yuǎn)</p>
  </div>
  { this.state.showLoading ? (<div className='loading'>
    <div className='box'>
      <p className='progress'>{this.state.loadingProcess} %</p>
      <p className='description'>游戲描述</p>
      <button className='start_button' style={{'visibility': this.state.loadingProcess === 100 ? 'visible' : 'hidden'}} onClick={this.startGame}>開始游戲</button>
    </div>
  </div>) : '' }
  { this.state.showResult ? (<div className='result'>
    <div className='box'>
      <p className='text'>{ this.state.resultText }</p>
      <button className='button' onClick={this.resetGame}>再試一次</button>
      <button className='button' onClick={this.discover}>自由探索</button>
    </div>
  </div>) : '' }
</div>)

數(shù)據(jù)初始化

數(shù)據(jù)變量包括加載進(jìn)度、是否顯示加載頁面、是否顯示結(jié)果頁、結(jié)果頁文案、倒計時、是否開啟自由探索等。

state = {
  loadingProcess: 0,
  showLoading: true,
  showResult: false,
  resultText: '失敗',
  countdown: 60,
  freeDiscover: false
}

場景初始化

初始化場景、相機(jī)、光源。

const renderer = new THREE.WebGLRenderer({
  canvas: document.querySelector('canvas.webgl'),
  antialias: true,
  alpha: true
});
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
renderer.setPixelRatio(Math.min(window.devicePixelRatio, 2));
renderer.shadowMap.enabled = true;
renderer.shadowMap.type = THREE.PCFSoftShadowMap;
const scene = new THREE.Scene();
// 添加主相機(jī)
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, window.innerWidth / window.innerHeight, .01, 100000);
camera.position.set(1, 1, -1);
camera.lookAt(scene.position);
// 添加環(huán)境光
const ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xffffff, .4);
scene.add(ambientLight)
// 添加平行光
var light = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 1);
light.position.set(1, 1, 1).normalize();
scene.add(light);

Three.js 陰影類型

本文使用了 THREE.PCFSoftShadowMap 以開啟效果更加柔和的陰影，Three.js 提供以下幾種陰影類型：

THREE.BasicShadowMap：提供未經(jīng)過濾的陰影貼圖，性能最快，但質(zhì)量最低。
THREE.PCFShadowMap：使用 Percentage-Closer Filtering (PCF) 算法過濾陰影貼圖，是默認(rèn)類型。
THREE.PCFSoftShadowMap：使用 PCF 算法過濾的更加柔和的陰影貼圖，尤其是在使用低分辨率陰影貼圖時。
THREE.VSMShadowMap：使用方差陰影貼圖 VSM 算法過濾的陰影貼圖。使用 VSMShadowMap 時，所有陰影接收者也會投射陰影。

創(chuàng)建世界

使用 Cannon.js 初始化物理世界。

// 初始化物理世界
const world = new CANNON.World();
// 在多個步驟的任意軸上測試剛體的碰撞
world.broadphase = new CANNON.SAPBroadphase(world);
// 設(shè)置物理世界的重力為沿y軸向上-10米每二次方秒
world.gravity.set(0, -10, 0);
// 創(chuàng)建默認(rèn)聯(lián)系材質(zhì)
world.defaultContactMaterial.friction = 0;
const groundMaterial = new CANNON.Material("groundMaterial");
const wheelMaterial = new CANNON.Material("wheelMaterial");
const wheelGroundContactMaterial = new CANNON.ContactMaterial(wheelMaterial, groundMaterial, {
  // 摩擦系數(shù)
  friction: 0,
  // 恢復(fù)系數(shù)
  restitution: 0,
  // 接觸剛度
  contactEquationStiffness: 1000
});
world.addContactMaterial(wheelGroundContactMaterial);

Cannon.js

Cannon.js 是用 JavaScript 實現(xiàn)的物理引擎庫，可以與任何支持瀏覽器的渲染或游戲引擎，可以用于模擬剛體，實現(xiàn) 3D 世界中更加真實的物理形式的移動和交互。更多 Cannon.js 相關(guān) API 文檔和示例可以參考文章末尾鏈接。

創(chuàng)建星空

創(chuàng)建 1000 個粒子用于模型星空 ?，并將它們添加到場景中。本示例中通過著色器形式創(chuàng)建粒子，這樣更有利于 GPU 渲染效率。

const textureLoader = new THREE.TextureLoader();
const shaderPoint = THREE.ShaderLib.points;
const uniforms = THREE.UniformsUtils.clone(shaderPoint.uniforms);
uniforms.map.value = textureLoader.load(snowflakeTexture);
for (let i = 0; i < 1000; i++) {
  sparkGeometry.vertices.push(new THREE.Vector3());
}
const sparks = new THREE.Points(new THREE.Geometry(), new THREE.PointsMaterial({
  size: 2,
  color: new THREE.Color(0xffffff),
  map: uniforms.map.value,
  blending: THREE.AdditiveBlending,
  depthWrite: false,
  transparent: true,
  opacity: 0.75
}));
sparks.scale.set(1, 1, 1);
sparks.geometry.vertices.map(spark => {
  spark.y = randnum(30, 40);
  spark.x = randnum(-500, 500);
  spark.z = randnum(-500, 500);
  return true;
});
scene.add(sparks);

創(chuàng)建地形

通過 CANNON.Heightfield 高度場創(chuàng)建 128 x 128 x 60 可視化漸變色地形。地形的凹凸起伏狀態(tài)是通過以下高度圖 HeightMap 實現(xiàn)，它是一張黑白圖片，通過像素點的顏色深淺來記錄高度信息，根據(jù)高度圖數(shù)據(jù)信息創(chuàng)建地形網(wǎng)格?？赏ㄟ^文章末尾提供的鏈接在線生成隨機(jī)高度圖。地形生成完成并將它添加到世界中，然后在 animate 方法中頁面重繪時調(diào)用 check 方法，用于檢測和更新模型在地形上的位置。

const cannonHelper = new CannonHelper(scene);
var sizeX = 128, sizeY = 128, minHeight = 0, maxHeight = 60, check = null;
Promise.all([
  // 加載高度圖
  img2matrix.fromUrl(heightMapImage, sizeX, sizeY, minHeight, maxHeight)(),
]).then(function (data) {
  var matrix = data[0];
  // 地形體
  const terrainBody = new CANNON.Body({ mass: 0 });
  // 地形形狀
  const terrainShape = new CANNON.Heightfield(matrix, { elementSize: 10 });
  terrainBody.addShape(terrainShape);
  // 地形位置
  terrainBody.position.set(-sizeX * terrainShape.elementSize / 2, -10, sizeY * terrainShape.elementSize / 2);
  // 設(shè)置從軸角度
  terrainBody.quaternion.setFromAxisAngle(new CANNON.Vec3(1, 0, 0), -Math.PI / 2);
  world.add(terrainBody);
  // 將生成的地形剛體可視化
  cannonHelper.addVisual(terrainBody, 'landscape');
  var raycastHelperGeometry = new THREE.CylinderGeometry(0, 1, 5, 1.5);
  raycastHelperGeometry.translate(0, 0, 0);
  raycastHelperGeometry.rotateX(Math.PI / 2);
  var raycastHelperMesh = new THREE.Mesh(raycastHelperGeometry, new THREE.MeshNormalMaterial());
  scene.add(raycastHelperMesh);
  // 使用 Raycaster檢測并更新模型在地形上的位置
  check = () => {
    var raycaster = new THREE.Raycaster(target.position, new THREE.Vector3(0, -1, 0));
    var intersects = raycaster.intersectObject(terrainBody.threemesh.children[0]);
    if (intersects.length > 0) {
      raycastHelperMesh.position.set(0, 0, 0);
      raycastHelperMesh.lookAt(intersects[0].face.normal);
      raycastHelperMesh.position.copy(intersects[0].point);
    }
    target.position.y = intersects && intersects[0] ? intersects[0].point.y + 0.1 : 30;
    var raycaster2 = new THREE.Raycaster(shelterLocation.position, new THREE.Vector3(0, -1, 0));
    var intersects2 = raycaster2.intersectObject(terrainBody.threemesh.children[0]);
    shelterLocation.position.y = intersects2 && intersects2[0] ? intersects2[0].point.y + .5 : 30;
    shelterLight.position.y = shelterLocation.position.y + 50;
    shelterLight.position.x = shelterLocation.position.x + 5
    shelterLight.position.z = shelterLocation.position.z;
  }
});

CANNON.Heightfield

本示例中凹凸不平的地形是通過 CANNON.Heightfield 實現(xiàn)的，它是 Cannon.js 物理引擎的高度場。在物理學(xué)中把某個物理量在空間中一個區(qū)域內(nèi)的分布稱為場，高度場就是與高度相關(guān)的場。Heightfield 的高度就是關(guān)于兩個變量的函數(shù)，可以表達(dá)為 HEIGHT(i,j)。

Heightfield(data, options)

data 是一個 y值 數(shù)組，將用于構(gòu)建地形。

options 是一個配置項，有三個可配置參數(shù)：

minValue 是數(shù)據(jù)數(shù)組中數(shù)據(jù)點的最小值。如果未給出，將自動計算。
maxValue 最大值。
elementSize 是 x軸 方向上數(shù)據(jù)點之間的世界間距。

加載進(jìn)度管理

使用 LoadingManager 管理加載進(jìn)度，當(dāng)頁面模型加載完成之后，加載進(jìn)度頁面顯示開始游戲菜單。

const loadingManager = new THREE.LoadingManager();
loadingManager.onProgress = async (url, loaded, total) => {
  this.setState({ loadingProcess: Math.floor(loaded / total * 100) });
};

創(chuàng)建基地模型

加載基地模型前先創(chuàng)建一個 shelterLocation 網(wǎng)格用來放置基地模型，該網(wǎng)格對象還用于后續(xù)地形檢測。然后使用 GLTFLoader 加載基地模型，然后把它添加到 shelterLocation 網(wǎng)格上。最后添加一個 PointLight給基地模型添加彩色點光源，添加一個 DirectionalLight用于生成陰影。

const shelterGeometry = new THREE.BoxBufferGeometry(0.15, 2, 0.15);
const shelterLocation = new THREE.Mesh(shelterGeometry, new THREE.MeshNormalMaterial({
  transparent: true,
  opacity: 0
}));
shelterLocation.position.set(this.shelterPosition.x, this.shelterPosition.y, this.shelterPosition.z);
shelterLocation.rotateY(Math.PI);
scene.add(shelterLocation);
// 加載模型
gltfLoader.load(Shelter, mesh => {
  mesh.scene.traverse(child => {
    child.castShadow = true;
  });
  mesh.scene.scale.set(5, 5, 5);
  mesh.scene.position.y = -.5;
  shelterLocation.add(mesh.scene)
});
// 添加光源
const shelterPointLight = new THREE.PointLight(0x1089ff, 2);
shelterPointLight.position.set(0, 0, 0);
shelterLocation.add(shelterPointLight);
const shelterLight = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 0);
shelterLight.position.set(0, 0, 0);
shelterLight.castShadow = true;
shelterLight.target = shelterLocation;
scene.add(shelterLight);

創(chuàng)建阿貍模型

狐貍模型的加載也是類似的，需要先創(chuàng)建一個目標(biāo)網(wǎng)格，后續(xù)用于地形檢測，然后把狐貍模型添加到目標(biāo)網(wǎng)格上。狐貍模型完成加載后，需要保存它的 clip1、 clip1 兩種動畫效果，后續(xù)需要通過判斷輪盤的移動狀態(tài)來判斷播放哪種動畫。最后添加一個 DirectionalLight 光源來產(chǎn)生陰影。

var geometry = new THREE.BoxBufferGeometry(.5, 1, .5);
geometry.applyMatrix4(new THREE.Matrix4().makeTranslation(0, .5, 0));
const target = new THREE.Mesh(geometry, new THREE.MeshNormalMaterial({
  transparent: true,
  opacity: 0
}));
scene.add(target);

var mixers = [], clip1, clip2;
const gltfLoader = new GLTFLoader(loadingManager);
gltfLoader.load(foxModel, mesh => {
  mesh.scene.traverse(child => {
    if (child.isMesh) {
      child.castShadow = true;
      child.material.side = THREE.DoubleSide;
    }
  });
  var player = mesh.scene;
  player.position.set(this.playPosition.x, this.playPosition.y, this.playPosition.z);
  player.scale.set(.008, .008, .008);
  target.add(player);
  var mixer = new THREE.AnimationMixer(player);
  clip1 = mixer.clipAction(mesh.animations[0]);
  clip2 = mixer.clipAction(mesh.animations[1]);
  clip2.timeScale = 1.6;
  mixers.push(mixer);
});

const directionalLight = new THREE.DirectionalLight(new THREE.Color(0xffffff), .5);
directionalLight.position.set(0, 1, 0);
directionalLight.castShadow = true;
directionalLight.target = target;
target.add(directionalLight);

控制阿貍運(yùn)動

使用輪盤控制器移動阿貍模型時，實時更新模型的方向，若輪盤產(chǎn)生位移，更新模型位移并播放奔跑動畫，否則播放禁止動畫。同時根據(jù)模型目標(biāo)的位置，實時更新相機(jī)的位置，生成第三人稱視角。輪盤移動控制模型移動功能是通過引入 JoyStick 類來實現(xiàn)，它的主要實現(xiàn)原理是監(jiān)聽鼠標(biāo)或點觸位置，然后通過計算映射到模型位置變化上。

var setup = { forward: 0, turn: 0 };
new JoyStick({ onMove: (forward, turn) => {
  setup.forward = forward;
  setup.turn = -turn;
}});
const updateDrive = (forward = setup.forward, turn = setup.turn) => {
  let maxSteerVal = 0.05;
  let maxForce = .15;
  let force = maxForce * forward;
  let steer = maxSteerVal * turn;
  if (forward !== 0) {
    target.translateZ(force);
    clip2 && clip2.play();
    clip1 && clip1.stop();
  } else {
    clip2 && clip2.stop();
    clip1 && clip1.play();
  }
  target.rotateY(steer);
}
// 生成第三人稱視角
const followCamera = new THREE.Object3D();
followCamera.position.copy(camera.position);
scene.add(followCamera);
followCamera.parent = target;
const updateCamera = () => {
  if (followCamera) {
    camera.position.lerp(followCamera.getWorldPosition(new THREE.Vector3()), 0.1);
    camera.lookAt(target.position.x, target.position.y + .5, target.position.z);
  }
}

動畫更新

在頁面重繪動畫中，更新相機(jī)、模型狀態(tài)、Cannon 世界、場景渲染等。

var clock = new THREE.Clock();
var lastTime;
var fixedTimeStep = 1.0 / 60.0;
const animate = () => {
  updateCamera();
  updateDrive();
  let delta = clock.getDelta();
  mixers.map(x => x.update(delta));
  let now = Date.now();
  lastTime === undefined && (lastTime = now);
  let dt = (Date.now() - lastTime) / 1000.0;
  lastTime = now;
  world.step(fixedTimeStep, dt);
  cannonHelper.updateBodies(world);
  check && check();
  renderer.render(scene, camera);
  requestAnimationFrame(animate);
};

頁面縮放適配

頁面產(chǎn)生縮放時，更新渲染場景和相機(jī)。

window.addEventListener('resize', () => {
  var width = window.innerWidth, height = window.innerHeight;
  renderer.setSize(width, height);
  camera.aspect = width / height;
  camera.updateProjectionMatrix();
}, false);

到此，游戲三維世界已經(jīng)全部實現(xiàn)完畢了。

添加游戲邏輯

根據(jù)前面的游戲流程設(shè)計，現(xiàn)在添加游戲邏輯，開始游戲時重置數(shù)據(jù)并開始 60s 倒計時；重置游戲時將阿貍位置、方向及相機(jī)位置設(shè)置為初始狀態(tài)；自由探索時開啟自由探索狀態(tài)，并清除倒計時。

startGame = () => {
  this.setState({
    showLoading : false,
    showResult: false,
    countdown: 60,
    resultText: '失敗',
    freeDiscover: false
  },() => {
    this.interval = setInterval(() => {
      if (this.state.countdown > 0) {
        this.setState({
          countdown: --this.state.countdown
        });
      } else {
        clearInterval(this.interval)
        this.setState({
          showResult: true
        });
      }
    }, 1000);
  });
}
resetGame = () => {
  this.player.position.set(this.playPosition.x, this.playPosition.y, this.playPosition.z);
  this.target.rotation.set(0, 0, 0);
  this.target.position.set(0, 0, 0);
  this.camera.position.set(1, 1, -1);
  this.startGame();
}
discover = () => {
  this.setState({
    freeDiscover: true,
    showResult: false,
    countdown: 60
  }, () => {
    clearInterval(this.interval);
  });
}

毛玻璃效果

Loading 頁面、結(jié)果頁面以及回到過去按鈕都采用了毛玻璃效果樣式，通過以下幾行樣式代碼，即可實現(xiàn)驚艷的毛玻璃。

background rgba(0, 67, 170, .5)
backdrop-filter blur(10px)
filter drop-shadow(0px 1px 1px rgba(0, 0, 0, .25))

總結(jié)

本文涉及到的新知識點主要包括：

Three.js 陰影類型
創(chuàng)建粒子系統(tǒng)
cannon.js 基本用法
使用 cannon.js 高度場 Heightfield 創(chuàng)建地形
通過輪盤移動控制模型動畫

以上就是Three.js+React實現(xiàn)3D開放世界小游戲的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Three.js React 3D游戲的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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