Three.js 實作3D開放世界小游戲：阿貍的多元宇宙 🦊

宣告：本文涉及圖文和模型素材僅用于個人學習、研究和欣賞，請勿二次修改、非法傳播、轉載、出版、商用、及進行其他獲利行為，

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 技術堆疊，實作通過滑動螢屏控制模型在 3D 世界里運動的 Low Poly 低多邊形風格小游戲，本文主要涉及到的知識點包括：Three.js 陰影型別、創建粒子系統、cannon.js 基本用法、使用 cannon.js 高度場 Heightfield 創建地形、通過輪盤移動控制模型影片等，

效果

• 游戲玩法：點擊開始游戲按鈕，通過操作螢屏底部輪盤來移動阿貍，在倒計時限定時間內找到基地，
• 主線任務：限定時間內找到庇護所，
• 支線任務：自由探索開放世界，

在線預覽：

• ?? 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，隱隱約約聽說基地位于初始位置的西面，開始時應該向左前方前進哦，

設計

游戲流程如下圖所示：頁面加載完成后玩家 ????? 點擊開始按鈕，然后在限定時間內通過控制頁面底部輪盤 ?? 移動模型，找到目標基地所在的位置，尋找成功或失敗都會顯示結果頁 ??，結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，

實作

加載資源

加載開發所需的必備資源：GLTFLoader 用于加載狐貍 ?? 和基地 ?? 模型、CANNON 是用于創建 3D 世界的物理引擎；CannonHelper 是對 CANNON 一些使用方法的封裝；JoyStick 用于創建通過監聽滑鼠移動位置或觸碰螢屏產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';

頁面結構

頁面結構比較簡單，.webgl 用于渲染 WEBGL；.tool 是游戲內的工具列，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度、介紹游戲規則、顯示游戲開始按鈕；.result 是游戲結果頁面，用于顯示游戲成功或失敗結果，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</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>)

資料初始化

資料變數包括加載進度、是否顯示加載頁面、是否顯示結果頁、結果頁文案、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 ??、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
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 陰影型別

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

• THREE.BasicShadowMap：提供未經過濾的陰影貼圖，性能最快，但質量最低，
• THREE.PCFShadowMap：使用 Percentage-Closer Filtering (PCF) 演算法過濾陰影貼圖，是默認型別，
• THREE.PCFSoftShadowMap：使用 PCF 演算法過濾的更加柔和的陰影貼圖，尤其是在使用低解析度陰影貼圖時，
• THREE.VSMShadowMap：使用方差陰影貼圖 VSM 演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驗剛體的碰撞
world.broadphase = new CANNON.SAPBroadphase(world);
// 設定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);
// 創建默認聯系材質
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
  friction: 0,
  // 恢復系數
  restitution: 0,
  // 接觸剛度
  contactEquationStiffness: 1000
});
world.addContactMaterial(wheelGroundContactMaterial);

?? Cannon.js

Cannon.js 是用 JavaScript 實作的物理引擎庫，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，實作 3D 世界 ?? 中更加真實的物理形式的移動和互動，更多 Cannon.js 相關 API 檔案和示例可以參考文章末尾鏈接，

創建星空

創建 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 = https://www.cnblogs.com/dragonir/p/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);

創建地形

通過 CANNON.Heightfield 高度場創建 128 x 128 x 60 可視化漸變色地形，地形的凹凸起伏狀態是通過以下高度圖 HeightMap 實作，它是一張黑白圖片 ??，通過像素點的顏色深淺來記錄高度資訊，根據高度圖資料資訊創建地形網格，可通過文章末尾提供的鏈接在線生成隨機高度圖，地形生成完成并將它添加到世界 ?? 中，然后在 animate 方法中頁面重繪時呼叫 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);
  // 設定從軸角度
  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 實作的，它是 Cannon.js 物理引擎的高度場，在物理學中把某個物理量在空間中一個區域內的分布稱為場，高度場就是與高度相關的場，Heightfield 的高度就是關于兩個變數的函式，可以表達為 HEIGHT(i,j)，

Heightfield(data, options)

• data 是一個 y值 陣列，將用于構建地形，
• options 是一個配置項，有三個可配置引數：
  • minValue 是資料陣列中資料點的最小值，如果未給出，將自動計算，
  • maxValue 最大值，
  • elementSize 是 x軸 方向上資料點之間的世界間距，

加載進度管理

使用 LoadingManager 管理加載進度，當頁面模型加載完成之后，加載進度頁面顯示開始游戲選單，

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

創建基地模型

加載基地模型 ?? 前先創建一個 shelterLocation 網格用來放置基地模型，該網格物件還用于后續地形檢測，然后使用 GLTFLoader 加載基地模型，然后把它添加到 shelterLocation 網格上，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);

創建阿貍模型

狐貍 ?? 模型的加載也是類似的，需要先創建一個目標網格，后續用于地形檢測，然后把狐貍 ?? 模型添加到目標網格上，狐貍 ?? 模型完成加載后，需要保存它的 clip1、 clip1 兩種影片效果，后續需要通過判斷輪盤 ?? 的移動狀態來判斷播放哪種影片，最后添加一個 DirectionalLight ?? 光源來產生陰影，

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，若輪盤產生位移，更新模型位移并播放奔跑影片，否則播放禁止影片，同時根據模型目標的位置，實時更新相機 ?? 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 類來實作，它的主要實作原理是監聽滑鼠或點觸位置，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);
  }
}

?? 輪盤控制器 JoyStick 類具體實作可參考文章末尾 Codepen 鏈接 [5]，

影片更新

在頁面重繪影片中，更新相機、模型狀態、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

頁面產生縮放時，更新渲染場景 ?? 和相機 ??，

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 ?? 已經全部實作完畢了，

添加游戲邏輯

根據前面的游戲流程設計，現在添加游戲邏輯，開始游戲時重置資料并開始 60s 倒計時 ? ；重置游戲時將阿貍 ?? 位置、方向及相機位置設定為初始狀態；自由探索時開啟自由探索狀態，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，即可實作驚艷的毛玻璃，

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

總結

本文涉及到的新知識點主要包括：

• Three.js 陰影型別
• 創建粒子系統
• cannon.js 基本用法
• 使用 cannon.js 高度場 Heightfield 創建地形
• 通過輪盤移動控制模型影片

想了解場景初始化、光照、陰影、基礎幾何體、網格、材質及其他Three.js的相關知識，可閱讀我往期文章，轉載請注明原文地址和作者，如果覺得文章對你有幫助，不要忘了一鍵三連哦 ??，

附錄

• [1]. Three.js 火焰效果實作艾爾登法環動態logo
• [2]. Three.js 實作神奇的3D文字懸浮效果
• [3]. Three.js 實作讓二維圖片具有3D效果
• [4]. Three.js 實作2022冬奧主題3D趣味頁面，冰墩墩 ??
• [5]. Three.js 制作一個專屬3D獎牌
• [6]. Three.js 實作虎年春節3D創意頁面
• [7]. Three.js 實作臉書元宇宙3D動態Logo
• [8]. Three.js 實作3D全景偵探小游戲
• [9]. Three.js 實作炫酷的酸性風格3D頁面

參考資料

• [1] threejs.org
• [2] cannonjs.org
• [3] heightmap-generator
• [4] three.js cannon.js物理引擎之Heightfield
• [5] Joggin' version 0.1

作者：dragonir 本文地址：https://www.cnblogs.com/dragonir/p/16085083.html

標籤：JavaScript

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