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 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.com/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》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》。

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 / 2;
// 设置最小角度
ht.Default.graph3dViewMinPhi = Math.PI / 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》。