threejs实战数字孪生园区开源（threejs+vue3+vite）

Hello大家好，我是日拱一卒的攻城师不浪，专注前端、后端、AI学习、2D3D、GIS等学习沉淀，这是2024年输出的第10/100篇文章，欢迎志同道合的朋友一起学习交流；

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前言

近两年，web3D的势头逐渐兴起。

例如得物的VR穿戴，贝壳的VR游览，高德地图的3D白模建筑以及VR导航，懂车帝的汽车3D展示等等，这些功能都需要具备一定的3D开发能力。

web3D最直接的需求就是前几年兴起的数字孪生概念，也有很多大厂单独成立了数字孪生部门去抢赛道。

可能有的同学还不知道数字孪生的概念，我将用最通俗易懂的语言去解释：

数字孪生：就好比你有一个双胞胎兄弟，你们长得一模一样，但一个是活在现实里的真人，另一个是活在电脑里的虚拟人。这个虚拟的兄弟，就是你的“数字孪生”。在现实世界中，数字孪生通常指的是通过各种数据和先进的技术手段，创建一个真实物体或系统的虚拟副本。这个副本不仅外观和原型一样，而且还能模拟和反映原型在现实世界中的行为和状态。比如，一座大楼、一辆汽车，甚至是整个城市，都可以有自己的数字孪生。

OK，言归正传，写这篇文章的起因，也是因为前段时间，公司有这方面的需求，需要给公司的园区做一个数字孪生，放在公司的展厅进行展示。

做数字孪生肯定就要涉及3D，在对比了众多3D开发引擎（unreal,unity,Babylonjs,threejs）之后，发现threejs的开发成本是最低的。

所以我就被委以重任，从零开始学习threejs开发。一开始是先在官网上学基础，例如相机视角、矩阵、法线、射线交叉、3D坐标系、光线、Shader材质，模型加载等等。

说实话，对于我这一直写2D的选手来说，确实一脸懵逼，这还没涉及到写更有难度的粒子效果GLSL呢。。。

所以就想着去网上能不能找到相关实战代码，但是网上关于threejs实战开发的案例实在是少之又少，而且大部分都要收费，废了九牛二虎之力才找到了一个实战开发threejs-park项目（由于项目过去很久了，开源的找不到了，找到的同学可以帮忙在评论区@一下），感觉还不错，因此就仿照着他的项目，自己一边熟悉一边梳理，最终改成了threejs+vue3+vite的一个项目。

项目概览

可以看出项目的核心是封装了一些Threejs常用到的基类，这些都封装好之后，再理解一下3D里的一些概念类的东西，剩下的就是纯JS逻辑了。

Viewer视角

这个是threejs里最重要的一个元素，俗称视角，也就是说我们在3D场景里，肯定是需要一个视角去观看场景的，所以它是最基础且必不可少的。

export default class Viewer {
  /**
   * 
   * @param {*} id 场景容器id
   */
  constructor(id) {
    Cache.enabled = true // 开启缓存
    this.id = id
    this.renderer = undefined
    this.scene = undefined
    this.camera = undefined
    this.controls = undefined
    this.animateEventList = []
    this.#initViewer()
  }
  #initViewer() {
    this.#initRenderer()
    this.#initCamera()
    this.#initScene()
    this.#initControl()
    this.#initSkybox()
    this.#initLight()

    const animate = () => {
      requestAnimationFrame(animate)
      this.#updateDom()
      this.#renderDom()
      // 全局的公共动画函数，添加函数可同步执行
      this.animateEventList.forEach(
        event => {
          event.fun && event.content && event.fun(event.content)
        })
    }

    animate()
  }
  /**
   * 创建初始化场景界面
   */
  #initRenderer() {
    // 获取画布dom
    this.viewerDom = document.getElementById(this.id)
    // 初始化渲染器
    this.renderer = new WebGLRenderer({
      // logarithmicDepthBuffer: true, // true/false 表示是否使用对数深度缓冲，true性能不好
      antialias: true, // true/false表示是否开启反锯齿
      alpha: true, // true/false 表示是否可以设置背景色透明
      precision: "highp", // highp/mediump/lowp 表示着色精度选择
      premultipliedAlpha: true, // true/false 表示是否可以设置像素深度（用来度量图像的分辨率）
    })
    this.renderer.clearDepth(); // 设置深度缓冲区
    this.renderer.shadowMap.enabled = true // 场景中的阴影自动更新
    this.viewerDom.appendChild(this.renderer.domElement) // 将渲染器添加到画布中
    // 二维标签
    this.labelRenderer = new CSS2DRenderer() // 标签渲染器
    this.labelRenderer.domElement.style.zIndex = 2
    this.labelRenderer.domElement.style.position = 'absolute'
    this.labelRenderer.domElement.style.top = '0px'
    this.labelRenderer.domElement.style.left = '0px'
    this.labelRenderer.domElement.style.pointerEvents = 'none'// 避免HTML标签遮挡三维场景的鼠标事件
    this.viewerDom.appendChild(this.labelRenderer.domElement)

    // 三维标签
    this.css3DRenderer = new CSS3DRenderer() // 标签渲染器
    this.css3DRenderer.domElement.style.zIndex = 0
    this.css3DRenderer.domElement.style.position = 'absolute'
    this.css3DRenderer.domElement.style.top = '0px'
    this.css3DRenderer.domElement.style.left = '0px'
    this.css3DRenderer.domElement.style.pointerEvents = 'none'// 避免HTML标签遮挡三维场景的鼠标事件
    this.viewerDom.appendChild(this.css3DRenderer.domElement)
  }
  /**
   * 渲染相机
   */
  #initCamera() {
    this.camera = new PerspectiveCamera(45, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 500000) // 透视相机
    this.camera.position.set(50, 0, 50) // 相机位置
    this.camera.lookAt(0, 0, 0) // 设置相机方向
  }
  /**
   * 渲染场景
   */
  #initScene() {
    this.scene = new Scene()
    this.css3dScene = new Scene()
    this.scene.background = new Color('rgb(5,24,38)')
  }
} 

这个类的一些核心代码，包括初始化场景、相机、控制器、光线等，代码里的注释很详细，我就不一一解释了。

Lights光线

一个3D场景，肯定是需要光线去照亮场景以及场景中的物体的，因此光线因素也是必不可少的。

而threejs中又把光线分成了环境光、平行光、点光源、锥形光源、矩形光源等诸多概念，这些我们都在项目中有实际使用到。

import SunLensflare from './SunLensflare.js'
import DirectionalLight from './DirectionalLight.js'
import AmbientLight from './AmbientLight.js'
import PointLight from './PointLight.js'
import SpotLight from './SpotLight.js'
import RectAreaLight from './RectAreaLight.js'

export default class Lights {
  constructor(viewer) {
    this.viewer = viewer
    this.lightList = []
  }

  /**
   * 添加平行光源
   * @param option
   */
  addDirectionalLight(position = [200, 200, 200], option = { color: 'rgb(255,255,255)' }) {
    const directionalLight = new DirectionalLight(this.viewer, position, option)
    this.lightList.push(directionalLight)
    return directionalLight
  }

  /**
   * 添加环境光源
   */
  addAmbientLight() {
    const ambientLight = new AmbientLight(this.viewer)
    this.lightList.push(ambientLight)
    return ambientLight
  }

  /**
   * 添加点状光源
   * @param option
   */
  addPointLight(position = [0, 40, 0], option = { color: 'rgb(255,255,255)' }) {
    const pointLight = new PointLight(this.viewer, position, option)
    this.lightList.push(pointLight)
    return pointLight
  }

  /**
   * 添加锥形光源
   * @param option
   */
  addSpotLight(position = [0, 40, 0], option = { color: 'rgb(255,255,255)' }) {
    const pointLight = new SpotLight(this.viewer, position, option)
    this.lightList.push(pointLight)
    return pointLight
  }

  /**
   * 添加矩形光源
   * @param option
   */
  addRectAreaLight(position = [0, 40, 0], option = { color: 'rgb(255,255,255)' }) {
    const rectAreaLight = new RectAreaLight(this.viewer, position, option)
    this.lightList.push(rectAreaLight)
    return rectAreaLight
  }

  /**
   * 添加炫光
   * @param x
   * @param y
   * @param z
   */
  addSunLensflare(x = 200, y = 200, z = 200) {
    this.sunLensflare = new SunLensflare(this.viewer)
    this.sunLensflare.addToScene(x, y, z)
  }

  /**
   * 移除灯光
   * @param light 灯光
   */
  removeLight(light) {
    this.viewer.scene.remove(light)
  }
}

Models模型

3D场景中，会由大大小小的各种3D模型组合而成，例如房子、道路、车、树、路灯等，这些都是加载3D模型渲染展示。

一些常见的3D模型格式

• OBJ：这是一个非常普遍的3D模型格式，可以包含多种类型的数据，如顶点、面、纹理坐标和法线。OBJ文件通常用于交换数据，因为它们可以被多种3D软件读取和编辑。
• FBX：Filmbox格式（FBX）是一个多功能的3D文件格式，广泛用于游戏开发和电影制作。它支持复杂的模型数据，包括动画、骨骼、纹理等。
• BLEND：Blender的原生文件格式，Blender是一个开源的3D创建套件，支持全面的3D建模、动画、模拟等功能。
• GLTF和GLB：GL Transmission Format（GLTF）是一种用于3D场景和模型的高效、跨平台的文件格式。它旨在为Web和移动设备提供高性能的3D内容。
• 3DS：3D Studio Max的原生格式，虽然主要用于Max软件，但也可以被其他3D软件导入和使用。

下面封装了一个threejs支持的比较好的加载模型GLTF及GLB的类：

import { GLTFLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader'
import { FBXLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/FBXLoader'
import { DRACOLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/DRACOLoader'
import DsModel from './DsModel'

/**
 * 模型加载类（只能加载GLTF及GLB格式）
 */
export default class ModelLoader {
  constructor(viewer) {
    this.viewer = viewer
    this.scene = viewer.scene
    this.loaderGLTF = new GLTFLoader() // 加载gltf模型
    this.loaderFBX = new FBXLoader() // 加载fbx模型
    this.dracoLoader = new DRACOLoader() // 加载draco模型(加载基于Google Draco压缩格式的3D模型的类)
    this.dracoLoader.setDecoderPath('/js/draco/') // 设置draco模型解码器路径
    this.loaderGLTF.setDRACOLoader(this.dracoLoader) // 设置draco模型加载器
  }
  /**
      * 添加模型数据
      * @param url 模型的路径
      * @param callback 返回模型对象，常用一些功能挂接在模型对象上
      * @param progress 返回加载进度，还有问题，需要修改
      */
  loadModelToScene(url, callback, progress) {
    this.loadModel(url, model => {
      this.scene.add(model.object) // 加载模型
      callback?.(model)
    }, num => {
      progress?.(num) // 加载进度
    })
  }
  /**
    * 加载模型
    * @param url 模型路径
    * @param callback 回调模型
    * @param progress 返回加载进度
    */
  loadModel(url, callback, progress) {
    let loader = this.loaderGLTF
    if (url.indexOf('.fbx') !== -1) {
      loader = this.loaderFBX
    }
    loader.load(url, model => {
      callback?.(new DsModel(model, this.viewer))
    }, xhr => {
      progress?.((xhr.loaded / xhr.total).toFixed(2))
    }, (error) => {
      console.error('模型渲染报错：', error)
    })
  }
}

Event鼠标事件

再就是我们需要操作场景中的某些元素，例如：楼体分层，这时就需要鼠标事件去监听，点击的时候我需要计算出当前点击的具体楼层，需要用到射线求交等知识。

import * as THREE from 'three'
import { EffectComposer } from 'three/examples/jsm/postprocessing/EffectComposer'

export default class ThreeMouseEvent {
  constructor(viewer, isSelect, callback, type = 'click') {
    this.viewer = viewer
    this.isSelect = isSelect
    this.callback = callback
    this.type = type
    this.composer = new EffectComposer(this.viewer.renderer)
    return this
  }
  startSelect() {
    this.stopSelect()
    this.bingEvent = this.#event.bind(this, this)
    this.viewer.renderer.domElement.addEventListener(this.type, this.bingEvent)
  }
  stopSelect() {
    this.viewer.renderer.domElement.removeEventListener(this.type, this.bingEvent)
  }
  #event(that, event) {
    const raycaster = new THREE.Raycaster() // 创建射线
    const mouse = new THREE.Vector2() // 创建鼠标坐标
    mouse.x = (event.offsetX / that.viewer.renderer.domElement.clientWidth) * 2 - 1
    mouse.y = -(event.offsetY / that.viewer.renderer.domElement.clientHeight) * 2 + 1
    raycaster.setFromCamera(mouse, that.viewer.camera) // 设置射线的起点和终点
    // TODO: 第一个参数是否需要外部传入，减小监听范围
    const intersects = raycaster.intersectObject(that.viewer.scene, true) // 检测射线与模型是否相交
    if (intersects.length > 0 && intersects[0]) {
      that.callback(intersects[0].object, intersects[0].point)
    }
  }
}

最后

以上，我只列出了实战项目里需要用到的一些关键代码，当这些基础的类封装好之后，那我们基本上就可以构建出一个简单的3D场景。

开源项目地址：https://github.com/day-day-dreamer/threejs-learning

将以上开源项目里的代码照着撸一遍，并理解其中的一些基础概念，对于threejs入门来说足够了，做一些小项目来说足以应对！

最后，如果觉得项目对你有帮助，希望可以随手点一个star，激励我去开源更多优秀的代码。

如果有在做数字孪生或者GIS方面的同学也可以加我交流：brown_7778，我有更多开源代码可以送你。

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