three.js 之初探骨骼动画

今后的几篇郭先生主要说说three.js骨骼动画。three.js骨骼动画十分有意思，但是对于初学者来说，学起来要稍微困难一些，官方文档比较少，网上除了用圆柱体的例子就是引用外部模型的，想要熟练使用骨骼动画就需要不断地探索和练习。这篇是初探three.js骨骼动画，也不深入讲解，先说说它的实现和原理，然后一点一点解读官网案例，骨骼动画官网案例。

1. 骨骼动画的实现和原理

1. 骨骼动画的实现

骨骼动画主要有以下三个部分构成：
（1） 几何体–在新版本中这个几何体要求必须是一个BufferGeometry而非Geometry,而骨骼动画需要的几何体还有两个十分重要的属性，

1. skinWeights : Array
   当在处理一个 SkinnedMesh 时，每个顶点最多可以有 4 个相关的 bones 来影响它。 skinWeights 属性是一个权重队列，顺序同几何体中的顶点保持一致。因而，队列中的第一个 skinWeight 就对应几何体中的第一个顶点。由于每个顶点可以被 4 个 bones 营销，因而每个顶点的 skinWeights 就采用一个 Vector4 表示。skinWeight 矢量中每个元素的取值范围应该在 0 到 1 之间。例如，当设置为 0，骨骼对该顶点的位置没有影响。当设置为 0.5, 则对顶点的影响为 50%。 当设置为 100% 则对顶点的影响是 100%。如果矢量中只有一个骨骼与顶点相关联，则你只需要关注矢量中的第一个元素， 剩余的元素可以忽略，他们的值可以都设置为 0。
2. skinIndices : Array
   就如同 skinWeights 属性一样。skinWeights 的值也是与几何体的顶点相对应。每个顶点可以最多有 4 个骨骼与之相关联。 因而第一个 skinIndex 就与几何体的第一个顶点相关联，skinIndex 的值就指明了影响该顶点的骨骼是哪个。例如，第一个顶点的值是 ( 10.05, 30.10, 12.12 )，第一个 skinIndex 的值是( 10, 2, 0, 0 )，第一个 skinWeight 的值是 ( 0.8, 0.2, 0, 0 )。上述值表明第一个顶点受到mesh.bones[10]骨骼的影响有 80%， 受到 skeleton.bones[2] 的影响是 20%，由于另外两个 skinWeight 的值是 0，因而他们对顶点没有任何影响。

（2） 其材质必须支持蒙皮，并且已经启用了蒙皮，既skinning = true;
（3） 创建骨骼和骨架

2. 骨骼动画的原理

骨骼（Bone）其实就是一个Object3D对象，可以把骨架看成是人体骨架，假如脊柱的根节点，那么大腿就是下一级节点，小腿就是更下一级的节点，如果大腿转动，那么小腿在世界坐标系必然会动，而小腿动，不一定影响大腿。
现在我们假如有一个几何体（这个几何体加上带蒙皮的材质就是我们的腿的网格），想让这个几何体跟着这个骨骼运动，那么这个动画就是骨骼动画，现在我们假设bones[0]为大腿上端点，bones[1]为大小腿关节点，bones[2]为小腿下端点，这里如果我们把腿看成是圆柱体（官方案例就是这样做的），将极大的降低了难度，让heightSegments为2（就是分两段）也就生成了沿高度分布的3层点。

我们将最上层点对应的skinIndices设置成0，skinWeights设置成1。中间层点对应的skinIndices设置成1，skinWeights设置成1。最下层点对应的skinIndices设置成2，skinWeights设置成1。这样几何体的顶点就和骨骼的端点建立了联系。

2. 官网上的骨骼动画

1. 初始化蒙皮网格

//这是生成蒙皮网格的主方法
initBones() {
        //下面是一些会用到的参数
    var segmentHeight = 8; //每段的高度
    var segmentCount = 4;  //段数
    var height = segmentHeight * segmentCount; //总高度
    var halfHeight = height * 0.5; //一般高度

    var sizing = {
        segmentHeight: segmentHeight,
        segmentCount: segmentCount,
        height: height,
        halfHeight: halfHeight
    };

    var geometry = this.createGeometry( sizing ); //这是生成几何体的方法，主要是根据顶点生成对应的skinIndex和skinWeight属性
    var bones = this.createBones( sizing ); //这是生成骨骼的方法
    mesh = this.createMesh( geometry, bones ); //这是生成蒙皮网格的方法

    mesh.scale.multiplyScalar( 1 );
    scene.add( mesh );

    this.render();
    document.getElementById("loading").style.display = "none";  
},

2. 生成带有skinIndex和skinWeight属性的几何体

createGeometry(sizing) {
        //创建一个圆柱体
    var geometry = new THREE.CylinderBufferGeometry(
        5, // 上面半径
        5, // 下面半径
        sizing.height, // 总高度
        8, // 圆形面分段数
        sizing.segmentCount * 3, // 沿高度的分段数4*3
        true // 无上下面
    );

    var position = geometry.attributes.position; //圆柱体顶点位置集合

    var vertex = new THREE.Vector3(); //创建一个三维向量用于保存顶点坐标

    var skinIndices = []; //顶点索引聚合
    var skinWeights = []; //顶点权重聚合

    for ( var i = 0; i < position.count; i ++ ) { //遍历顶点

        vertex.fromBufferAttribute( position, i ); //依次取出每个点

        var y = ( vertex.y + sizing.halfHeight ); //y保存相对于圆柱体底面的高度值。

                //这两行比较重要
        var skinIndex = Math.floor( y / sizing.segmentHeight ); //高度除以总高度在向下取整，得到当前的skinIndex
        var skinWeight = ( y % sizing.segmentHeight ) / sizing.segmentHeight; //当前的y值占该段的百分比

        skinIndices.push( skinIndex, skinIndex + 1, 0, 0 ); //该点关联bone[skinIndex]和bone[skinIndex+1]
        skinWeights.push( 1 - skinWeight, skinWeight, 0, 0 ); //关联bone[skinIndex]的比重为1 - skinWeight，关联bone[skinIndex+1]的比重为skinWeight。
                //举个例子，第一个y值刚好为0。那么skinIndex为0，skinWeight也为0。所以呢该点相关的骨骼索引为0和1，权重分别是1和0，也就是该点只与bone[0]有关。
                //再比如y值为4，那么skinIndex为0，skinWeight也为0.5，所以呢该点相关的骨骼索引为0和1，权重分别是0.5和0.5，也就是该点与bone[0]和bone[1]都相关。其实也很容易理解，因为4恰好在该分段的中间，所以决定于两个骨骼点的状态。

    }

    geometry.setAttribute( 'skinIndex', new THREE.Uint16BufferAttribute( skinIndices, 4 ) ); //几何体中添加skinIndex属性
    geometry.setAttribute( 'skinWeight', new THREE.Float32BufferAttribute( skinWeights, 4 ) ); //几何体中添加skinWeight属性

    return geometry;
},

3. 生成骨骼

createBones(sizing) {
    bones = []; //骨骼数组

    var prevBone = new THREE.Bone(); //根骨骼节点
    bones.push( prevBone ); //数组中添加根骨骼节点
    prevBone.position.y = - sizing.halfHeight; //为根骨骼添加位置

    for ( var i = 0; i < sizing.segmentCount; i ++ ) { //遍历分段

        var bone = new THREE.Bone(); //创建骨骼节点
        bone.position.y = sizing.segmentHeight; //为骨骼节点添加本地位置 虽然本地设置的位置都是一样的，但是由于这些骨骼都是父子关系，所以在世界坐标系上位置不同
        bones.push( bone ); //数组中继续添加骨骼
        prevBone.add( bone ); //根骨骼添加当前骨骼
        prevBone = bone; //再将当前骨骼赋值给根骨骼

    }
    return bones;
},

4. 创建蒙皮网格并添加骨骼显示助手

createMesh(geometry, bones) {
        //创建一个带蒙皮的材质
    var material = new THREE.MeshPhongMaterial( {
        skinning: true, //重点
        color: 0x156289,
        emissive: 0x072534,
        side: THREE.DoubleSide,
        flatShading: true
    } );

    var mesh = new THREE.SkinnedMesh( geometry,    material ); //创建蒙皮网格
    var skeleton = new THREE.Skeleton( bones ); //创建骨架

    mesh.add( bones[ 0 ] ); //网格添加根骨骼节点（此例bones[0]为根节点）

    mesh.bind( skeleton ); //网格绑定骨架

    skeletonHelper = new THREE.SkeletonHelper( mesh ); //创建骨骼显示助手
    skeletonHelper.material.linewidth = 2;
    scene.add( skeletonHelper );

    return mesh;
},

最后就是使用gui进行界面控制，这里只说一下蒙皮网格有一个pose()方法，使用后骨架还原为初始状态。官方的骨骼动画解析就到此为止，后面还会继续说说骨骼动画。

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