使用three.js实现机器人手臂的运动效果


  Three.js 是一款运行在浏览器中的 3D 引擎,你可以用它创建各种三维场景,包括了摄影机、光影、材质等各种对象。你可以在它的主页上看到许多精彩的演示。不过,这款引擎目前还处在比较不成熟的开发阶段,其不够丰富的 API 以及匮乏的文档增加了初学者的学习难度(尤其是文档的匮乏)three.js的代码托管在github上面。——百度百科

  Three.js封装了OpenGl ES 2.0 的API,使得我们更容易在浏览器上开发各种图形效果。比起使用winform,MFC等形式,这个代码库可以让我们避开一些winform和MFC的细节问题,而专注于图形的绘制。不过由于这个库也并没有封装到非常完美,所以有些部分还需要我们自己来实现。

  在此贴上Three.js中文文档的连接地址Three.js 中文文档 | 参考手册 | 使用指南 | 动画特效实例 | 踏得网

  虽然这个链接上的文档有一些错误,还有许多坑,很多东西都没有说明清楚,不过,也是可以参考的。

  如果要直接看效果,可以直接下载文章末尾的源代码,附带了操作方式。还需要使用电脑浏览器打开代码,因为没有对移动端做适配,所以移动端效果不好。

  接下来,让我们实现一个机器人的手臂运动效果。效果如下图

  

  很丑对不对,但这只是一个教程,所以美化可以自己来做,过多的美化工作反而会增加学习的复杂程度。

  我们制作这个机器人,需要解决的一些问题是:

    1.如何让我们的图形沿着任意轴转动;

    2.如何使用键盘控制其转动;

  这两个问题解决了,那么我们的机器人也就非常容易绘制了。接下来,就开始详解代码以及思路了。

  首先,我们需要生成一个canvas,因为在html5中,所有的绘图工作都是在canvas中进行。我们可以写一个canvas标签,也可以让Three.js帮我们生成一个。这里我们让Three.js帮我们生成:

  

 1 var scene = new THREE.Scene();
 2 var camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000);
 3 camera.position.z = 5;
 4 camera.position.y = 1;
 5 camera.position.x = 1.5;
 6 camera.lookAt(new THREE.Vector3(0, 0, 0));
 7 scene.add(camera);
 8 var renderer = new THREE.WebGLRenderer();
 9 renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
10 document.body.appendChild(renderer.domElement);

  为什么相机要进行位置的调整呢?这是因为,如果我们不调整位置,那么我们的视角是正对着物体的,物体的3D效果会因为视角问题而显得不那么明显。

  接下来,我们要绘制机器人的头,腿,身体。需要注意的是,如果我们为我们生成的图形选择了不合适的材质,会导致3D效果观察不明显。关于材质的选择,已经超出了要讲述的范围,所以为了演示简单,我们只使用基本材质。代码如下:

  

 1 //机器人身体
 2 var geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1, 8, 8, 8);
 3 var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
 4                     color: 0x00ff00,
 5                     wireframe: true //这里是为了让其变成网格状态,从而使其更容易观察,默认为false
 6                 });
 7 var cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
 8 cube.position.y = -1;
 9 //机器人头部
10 var head = new THREE.SphereGeometry(0.5, 32, 32);
11 var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
12                     color: 0x0909FD,
13                     wireframe: true
14                 });
15 var sp = new THREE.Mesh(head, material);
16 //机器人双腿
17 var geometry = new THREE.BoxGeometry(0.1, 1, 0.1);
18 var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
19                     color: 0xFF2E67,
20                     wireframe: true
21                 });
22 var left_leg = new THREE.Mesh(geometry, material);
23 var right_leg = new THREE.Mesh(geometry, material);
24 left_leg.position.x = -0.3;
25 left_leg.position.y = -2;
26 right_leg.position.x = 0.3;
27 right_leg.position.y = -2;

  我们的机器人就画成了这样:

  

  接下来,就到了最关键的地方:机器人手臂的转动。很多刚学习的同学都发现,我们的图形的旋转轴是在图形的正中心。什么意思呢?看这个图:

  

  我在图中已经标识了我们生成物体的坐标轴,可以看出,坐标轴实际上是在位置的重心。我们通过函数或者设置属性的方法,只能绕着这三个轴转。有同学问,可不可以通过先移位,再旋转,再移回原位置的方式来解决这个问题呢?我们的计算机图形学课本上是这么教的,在winfoem和MFC上也是可以做到的,但由于three.js生成的物体的坐标轴的特殊性,我们无法通过这种形式来解决(亲测)。有兴趣的同学可以自己试一试。

  那么,我们该怎么办呢?我们查找手册,发现three.js中有一个类,Object3D()。这个类生成一个3D的模型,也可以说是容器。那么,我们可不可以通过生成一个容器,然后再将我们需要的图形放入这个容器,再调整容器和图形的位置来实现图形绕任意轴旋转呢?很显然,是可以的,如果你能想到,说明你的智商还是值得称道的。不过想不到也没有任何问题,因为我们需要承认自己的平庸,才能激励自己努力学习。接下来,我们来探讨,如何进行旋转操作。

  首先,我们先生成一个容器对象,并且加入坐标轴显示,看看我们生成的容器是什么样的

1 var upbox = new THREE.Object3D();
2 scene.add(upbox);
3 upbox.add(new THREE.AxisHelper(3));

  效果如下:

  

  可以看出,虽然我们无法看到这个容器,但这个容器还是有其对应的坐标位置。我们可以通过设置其position属性来移动它的位置,或者旋转它。接下来,我们把我们生成的立方体放入这个容器,同时也显示我们立方体的坐标轴。代码如下:

  

 1 var geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1, 8, 8, 8);
 2 var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
 3                     color: 0x00ff00,
 4                     wireframe: true //这里是为了让其变成网格状态,从而使其更容易观察,默认为false
 5                 });
 6 var cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
 7 cube.add(new THREE.AxisHelper(3));
 8             
 9 var upbox = new THREE.Object3D();
10 scene.add(upbox);
11 upbox.add(new THREE.AxisHelper(3));
12 
13 var render = function() {
14             requestAnimationFrame(render);
15             upbox.add(cube); //将立方体放入容器
16             renderer.render(scene, camera);
17 }

  效果如图:

  

  可以看到,新加入的这个立方体的坐标轴和这个容器的坐标轴重叠了。而此时,关键的来了,此时我们的立方体的位移已经不是相对于世界坐标了,而是相对于其父容器的坐标。也就是说,我们的立方体现在已经不是相对于世界坐标系的原点来移动了,而是相对于容器的坐标原点。由于截图来表示世界坐标系不是很直观,所以大家可以试着移动一下容器的位置,移动容器的位置,立方体的位置也会跟着容器的变化而变化。

  接下来,我们来移动立方体的位置:

1 cube.position.x = 1;
2 cube.position.y = -1;

  效果如下:

  

  可以看出,我们的立方体已经移动了,而且是相对于容器的原点来移动的。那么,我们来试一下旋转我们的容器:

  

1 upbox.rotation.z = 1;

  效果如下:

  

  我们的立方体就跟着容器转了起来。

  那么,我么就可以得到一个结论:我们可以将我们的容器的坐标轴当作我们需要移动的坐标轴,然后把我们的图形移动到适当的的位置,我们需要让立方体按x=1旋转,就把容器移动到x=1的位置;我们需要让立方体按y=1转,就把我们的容器移动到y=1的位置来旋转。不过这样也有一个问题,那就是我们的立方体的坐标已经不是相对于世界坐标了,这里需要注意。之前说道,只要把立方体移到适当的位置就可以了,那么这个适当的位置是哪里呢?文字描述非常复杂,我们用代码和效果来说明:

  

1 cube.add(new THREE.AxisHelper(1));
2 cube.position.x = 0.5;
3 cube.position.y = 0.5;
4 cube.position.z = -0.5;

  效果图:

  

  这个位置就可以说成是适当的位置,我们直接设置好容器的坐标,再让容器旋转,就达到了我们绕任意轴旋转的功能。当然,按照个人的需求,这个适当位置是可以调整的。

  如果我们需要实现复杂的控制,那么我们就可以采用容器里套容器的方法。这个和动画中的骨骼非常像,不过也不一样。接下来,我们就可以继续接着之前的那个机器人来绘制我们的机器人手臂了。

  

 1                       //机器人上臂
 2             var upbox = new THREE.Object3D();
 3             upbox.position.x = 0.5;
 4             upbox.position.y = -1.0;
 5             scene.add(upbox);
 6             upbox.add(new THREE.AxisHelper(2));
 7             var geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 0.1, 0.1);
 8             var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
 9                     color: 0xFF2E67,
10                     wireframe: true
11                 }
12 
13             );
14             var ge = new THREE.Mesh(geometry, material);
15             ge.position.x = 0.5;
16             ge.position.y = 0;
17             //机器人下臂
18             var box = new THREE.Object3D();
19             box.position.x = 1.0;
20             box.position.y = 0.0;
21             scene.add(box);
22             //box.add(new THREE.AxisHelper(2));
23             var geometry = new THREE.BoxGeometry(0.1, 1, 0.1);
24             var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
25                     color: 0xFF2E67,
26                     wireframe: true
27                 }
28 
29             );
30             var ge_next = new THREE.Mesh(geometry, material);
31             ge_next.position.y = 0.5;
32             box.add(ge_next);
33             //机器人手掌
34             var handbox = new THREE.Object3D();
35             handbox.position.x = 0;
36             handbox.position.y = 0.0;
37             scene.add(handbox);
38             //handbox.add(new THREE.AxisHelper(2));
39             var geometry = new THREE.BoxGeometry(0.5, 0.5, 0.5, 4, 4, 4);
40             var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
41                     color: 0xFF2E67,
42                     wireframe: true
43                 }
44 
45             );
46             var hand = new THREE.Mesh(geometry, material);
47             hand.position.y = 1.2;
48             //机器人中指
49             var zhongzhibox = new THREE.Object3D();
50             zhongzhibox.position.x = 0;
51             zhongzhibox.position.y = 1.5;
52             scene.add(zhongzhibox);
53             //zhongzhibox.add(new THREE.AxisHelper(2));
54             var geometry = new THREE.BoxGeometry(0.1, 0.5, 0.1);
55             var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
56                     color: 0xFF2E67,
57                     wireframe: true
58                 }
59 
60             );
61             var zhongzhi = new THREE.Mesh(geometry, material);
62             zhongzhi.position.y = 0.2;
63             scene.add(cube);
64             scene.add(sp);
65             scene.add(ge);
66             scene.add(ge_next);
67             scene.add(hand);
68             scene.add(zhongzhi);
69             scene.add(left_leg);
70             scene.add(right_leg);        

  其中,也有容器中嵌套容器的操作。

  那么,就该解决第二个问题了。我们如何通过键盘控制我们的机器人手臂呢?

  很简单,使用事件绑定。我们可以给onkeydown这个事件绑定操作,来实现控制机器人的手臂。类似于:

  

1                      onkeydown = function(event) {
2                 if(angle > 0 || angle <= -1.5) {
3                     angle = 0;
4                     return false;
5                 }
6                  else if(event.keyCode == 38) {
7                     angle -= 0.2;
8                 }
9             }

  为什么有一个angle呢?因为我们需要判断我们的机器人的手臂运动的角度,毕竟是手臂,转动的角度需要有一个限制对吧?但是呢,由于比较复杂(其实是懒),所以我只实现了两个部位的限制。

  实现了上述的代码,我们应该就可以画出一个可以控制的机器人了。

  下面是源代码:

  机器人手臂源代码

 

 

  


作者:faker_archer,发布于:2018/08/29
原文:https://www.cnblogs.com/zhnblog/p/6882683.html