基于 HTML5 WebGL 的发动机 3D 可视化系统

前言 --     工业机械产品大多体积庞大、运输成本高，在参加行业展会或向海外客户销售时，如果没有实物展示，仅凭静态、简单的图片说明书介绍，无法让客户全面了解产品，不仅工作人员制作麻烦，客户看得也费力。如果能在 Web 上做 3D 设备展示，销售人员可以不限平台随时给客户介绍演示。还可以不受现实条件限制，演示设备拆分和组装的过程，展示产品内部结构和动态运作时的效果，让客户更直观了解产品的部件组成，更准确、全面地了解产品的功能和特点，大大降低了沟通成本。为了解决这些行业痛点，本篇文章采用 [Hightopo](http://www.hightopo.com/) 的 HT for Web 产品实现了一个发动机设备 3D 可视化案例。 系统预览 ---- 预览地址：基于 HTML5 WebGL  的发动机 3D 可视化系统（[http://www.hightopo.comhttps://img.qb5200.com/download-x/demo/engine/](http://www.hightopo.comhttps://img.qb5200.com/download-x/demo/engine/)）  场景搭建 ---- 发动机模型是设计师通过 3ds Max 建模，然后导出 obj 与 mtl 文件，在 HT 中解析 obj 与 mtl 文件生成 3D 场景中可用的模型（可参考 obj 手册《[通过JSON加载](https://www.hightopo.com/guide2/ht/guide/plugin/obj/ht-obj-guide.html#ref_loadbyjson)》章节），因为各个部件需要单独操作，所以设备模型拆分为多个 obj 文件后导入。 2D 面板部分则是通过 HT 的矢量绘制，我们需要创建 ht.graph.GraphView 和 ht.graph3d.Graph3dView 来呈现 2D 和 3D 的内容。相关代码如下： ``` var g2d = new ht.graph.GraphView(); var g3d = new ht.graph3d.Graph3dView(); // 将 3D 组件加入到 body 下 g3d.addToDOM(); // 将 2D 组件加入到 3D 组件的根 div 下 g2d.addToDOM(g3d.getView()); ``` 功能实现 ---- ### 设备拆解动画  当我们点击“展开”按钮时，给各个动画设置不同的延迟，使动画错开执行，以达到更好的视觉效果，让2D图纸和3D场景更好地联动起来。   如果我们的每个动画都匀速运行，那看起来难免有些单调。于是我给不同动画加上了不同的 Easing 函数，Easing 函数通过定义不同曲线的数据公式方式，来描述每一帧回调时需要改变图形参数属性的幅度，从而达到均匀、先快后慢、先慢后快，甚至先超出起始值和结束值再慢慢恢复的各种动画特效。这里还有个例子可以帮助我们更直观的感受不同 Easing 函数的效果：《[From Easing](http://www.hightopo.com/guide/guide/plugin/form/examples/example_easing.html)》。 例如图纸中心的跟随部件拆解旋转放大的圆环，我给它设置了 Easing.backBoth 缓动效果，代码如下： ``` // 圆环动画 animCenter(data) { ht.Default.startAnim({ duration: 4500, // 设置缓动函数 easing: Easing.backBoth, // 延迟一秒执行动画 delay: 1000, action: function (v, t) { // 修改图元缩放值 data.setScale(1 + v \* 0.9, 1 + v \* 0.9); // 修改图元旋转角度 data.setRotation(Math.PI \* v); }, }); } // 缓动函数 Easing.easeOutStrong = function (t) { var BACK\_CONST = 1.70158; if ((t \*= 2) < 1) { return .5 \* (t \* t \* (((BACK\_CONST \*= (1.525)) + 1) \* t - BACK\_CONST)); } return .5 \* ((t -= 2) \* t \* (((BACK\_CONST \*= (1.525)) + 1) \* t + BACK\_CONST) + 2); }; ``` 设备部件的拆解动画，是通过改变节点的坐标和旋转角度来实现的，代码如下： ``` // targetP3 为拆解后的坐标，p3为当前坐标 var p3 = node.p3(); var offset = [targetP3[0] - p3[0], targetP3[1] - p3[1], targetP3[2] - p3[2]]; // targetR3 为拆解后的旋转角度，r3为当前旋转角度 var r3 = node.r3(); var offset = [targetR3[0] - r3[0], targetR3[1] - r3[1], targetR3[2] - r3[2]]; // 拆解动画 ht.Default.startAnim({ duration: 2000, // 设置缓动函数 easing: Easing.easeOutStrong, delay: 1000, action: function (v, t) { // 修改节点坐标 node.p3(p3[0] + offset[0] * v, p3[1] + offset[1] * v, p3[2] + offset[2] * v); // 修改节点旋转角度 node.r3(r3[0] + offset[0] * v, r3[1] + offset[1] * v, r3[2] + offset[2] * v); }, }); // 缓动函数 Easing.easeOutStrong = function (t) { return 1 - (--t) * t * t * t; }; ``` 还有图纸两侧的面板，可以通过设置它的裁剪方向和裁剪比例实现隐藏效果，代码如下： ``` // 设置图元裁剪方向为从右到左 node.s('clip.direction', 'left'); // 裁剪动画 ht.Default.startAnim({ duration: 1800, easing: Easing.easeOutStrong, action: function (v, t) { // 修改图元裁剪比例 node.s('clip.percentage', 1 - v); } }); // 缓动函数 Easing.easeOutStrong = function (t) { return 1 - (--t) \* t \* t \* t; }; ``` ### 设备内部运作动画  接下来我们实现视角变化动画来观察设备不同部件构造，3D 场景中的视角是由 Graph3dView 提供的 center（目标点坐标）和 eye（摄像机坐标）两个参数决定的，所以视角动画只要动态改变这两个参数，这里用了 HT 提供的 moveCamera 方法实现，代码如下： ``` g3d.moveCamera([-466, 93, -280], [40, -40, -40], { duration: 2500, easing: function (t) { return 1 - (--t) * t * t * t; }, }); ``` 设备中一些小的部件吸附在大部件上，会跟随大部件移动旋转。比如这个液压杆，当我们要实现小部件的运动动画时，如果用修改坐标的方式计算起来比较麻烦，所以我们用修改锚点的方式来实现，锚点影响着节点的位置，锚点也是旋转和缩放的中心点。这里通过修改液压杆的 Y 轴锚点实现动画，效果如下：  相关代码如下： ``` ht.Default.startAnim({ duration: 800, action: function (v, t) { // 修改节点 Y 轴锚点 node.setAnchor3d(0.5,v,0.5); }, }; ```   点击流动按钮后，我们可以看到管道内有液体流动的动画。要实现流动效果，首先我们需要一张二方连续贴图（左右或上下可以无缝衔接的贴图），然后我们再通过代码驱动 UV 向 U 轴的正值方向偏移一个象限，并无限循环这一动作，效果如下：   代码如下： ``` ht.Default.startAnim({ duration: 2000, action: function (v, t) { // 修改贴图uv值 node.s('shape3d.uv.offset', [v, 0]); }, }; ``` ### 设备复原动画  ### 鼠标移入效果  为了能透过外壳清楚的观察到设备内部结构，所以当鼠标悬停在部件上时，我调整了外壳模型透明度并设置模型高亮模式，相关代码如下： ``` // 设置高亮颜色 ht.Style['highlight.color'] = 'rgba(255,255,255,0.6)'; // 设置当前高亮的模式 g3d.setHighlightMode('mouseover'); // 节点启用高亮效果 data.s('highlight.visible', true); // 节点设置为可交互 data.s('interactive', true); // 节点开启交互后，不阻止场景上默认的交互行为 data.s('preventDefaultWhenInteractive', false); // 监听交互事件 g3d.mi(function (e) { // 鼠标移入事件 if (e.kind === 'onEnter') { // 节点开启透明 data.s('shape3d.transparent', true); // 设置节点透明度 data.s('shape3d.opacity', 0.25); } // 鼠标移出事件 if (e.kind === 'onLeave') { data.s('shape3d.transparent', false); } }); ``` ### 场景视角限制 最后，我们再对整个场景的视角范围做下限制，代码如下： ``` // 设置最大角度 ht.Default.graph3dViewMaxPhi = Math.PI \* 1 / 2; // 设置最小角度 ht.Default.graph3dViewMinPhi = Math.PI \* 1 / 4; ``` 总结 --     通过案例我们可以感受到，相较于传统方式，设备的三维展示具有更灵活的表现形式和更直观生动的效果，对于出口型企业，生动的演示动画能让外商更快了解产品的工作原理和优势，还能避免因语言误差而造成误解。而且比起普通的工业动画，Web 上的可视化系统展示内容更丰富、自由度更高，后续需求更改也更为灵活、成本更低。     本文使用的设备模型是设计师虚构的核动力发动机，更注重于模型的展示效果，如果应用于实际产品中，还可以制作更还原实际的设备拆解流程，通过线上的 3D 产品操作演练，对工作人员进行产品组装、拆分、维修培训。有兴趣可以参考我们另一个案例《[基于 HTML5 WebGL + WebVR 的 3D 虚拟现实可视化培训系统](https://www.cnblogs.com/htdaydayup/p/12159507.html)》。