05.three官方示例+编辑器+AI快速学习three.js webgl - animation - skinning - ik

本实例主要讲解内容

这个Three.js示例展示了**反向运动学(Inverse Kinematics, IK)**在3D角色动画中的应用。通过加载一个角色模型，演示了如何使用IK技术实现自然的肢体运动控制，如手部抓取物体的动作。

核心技术包括：

CCD反向运动学求解器
实时IK计算与应用
角色头部跟踪
镜面反射效果
交互式控制器

在这里插入图片描述

完整代码注释

<!DOCTYPE html>
<html lang="en"><head><title>three.js webgl - animation - skinning - ik</title><meta charset="utf-8"><meta name="viewport" content="width=device-width, user-scalable=no, minimum-scale=1.0, maximum-scale=1.0"><meta name="author" content="Antoine BERNIER (abernier)" /><link type="text/css" rel="stylesheet" href="main.css"><style>body {color:white;}#info a {color:#4d6675;}</style></head><body><div id="info"><a href="https://threejs.org" target="_blank" rel="noopener">three.js</a> - webgl - inverse kinematics<br />Character model by <a href="https://assetstore.unity.com/packages/3d/characters/humanoids/humans/kira-lowpoly-character-100303" target="_blank" rel="noopener">Aki</a>, furnitures from <a href="https://poly.pizza" target="_blank" rel="noopener">poly.pizza</a>, scene by <a href="https://abernier.name/three.js/examples/webgl_esher.html" target="_blank" rel="noopener">abernier</a>. CC0.</div><script type="importmap">{"imports": {"three": "../build/three.module.js","three/addons/": "./jsm/"}}</script><script type="module">import * as THREE from 'three';import { OrbitControls } from 'three/addons/controls/OrbitControls.js';import { TransformControls } from 'three/addons/controls/TransformControls.js';import { GLTFLoader } from 'three/addons/loaders/GLTFLoader.js';import { DRACOLoader } from 'three/addons/loaders/DRACOLoader.js';import { CCDIKSolver, CCDIKHelper } from 'three/addons/animation/CCDIKSolver.js';import Stats from 'three/addons/libs/stats.module.js';import { GUI } from 'three/addons/libs/lil-gui.module.min.js';let scene, camera, renderer, orbitControls, transformControls;let mirrorSphereCamera;const OOI = {}; // 感兴趣的对象集合let IKSolver; // IK求解器let stats, gui, conf; // 统计面板、控制面板和配置对象const v0 = new THREE.Vector3(); // 临时向量，用于计算init();async function init() {conf = {followSphere: false, // 相机是否跟随球体turnHead: true, // 头部是否转向球体ik_solver: true, // 是否自动更新IKupdate: updateIK // 手动更新IK的函数};scene = new THREE.Scene();scene.fog = new THREE.FogExp2( 0xffffff, .17 ); // 设置指数雾scene.background = new THREE.Color( 0xffffff ); // 设置背景色为白色camera = new THREE.PerspectiveCamera( 55, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.001, 5000 );camera.position.set( 0.9728517749133652, 1.1044765132727201, 0.7316689528482836 );camera.lookAt( scene.position );// 添加环境光，照亮整个场景const ambientLight = new THREE.AmbientLight( 0xffffff, 8 ); // 柔和的白色光scene.add( ambientLight );// 初始化DRACO加载器，用于加载压缩的GLTF模型const dracoLoader = new DRACOLoader();dracoLoader.setDecoderPath( 'jsm/libs/draco/' );const gltfLoader = new GLTFLoader();gltfLoader.setDRACOLoader( dracoLoader );// 加载GLTF模型const gltf = await gltfLoader.loadAsync( 'models/gltf/kira.glb' );gltf.scene.traverse( n => {// 收集感兴趣的对象，用于后续控制if ( n.name === 'head' ) OOI.head = n;if ( n.name === 'lowerarm_l' ) OOI.lowerarm_l = n;if ( n.name === 'Upperarm_l' ) OOI.Upperarm_l = n;if ( n.name === 'hand_l' ) OOI.hand_l = n;if ( n.name === 'target_hand_l' ) OOI.target_hand_l = n;if ( n.name === 'boule' ) OOI.sphere = n; // 球体对象if ( n.name === 'Kira_Shirt_left' ) OOI.kira = n; // 角色主体} );scene.add( gltf.scene );// 记录球体的初始位置，用于轨道控制器const targetPosition = OOI.sphere.position.clone();// 将球体附加到角色的左手上，使其跟随手部移动OOI.hand_l.attach( OOI.sphere );// 创建镜面球体的立方相机const cubeRenderTarget = new THREE.WebGLCubeRenderTarget( 1024 );mirrorSphereCamera = new THREE.CubeCamera( 0.05, 50, cubeRenderTarget );scene.add( mirrorSphereCamera );// 使用立方相机的渲染结果作为球体的环境贴图，实现镜面效果const mirrorSphereMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial( { envMap: cubeRenderTarget.texture } );OOI.sphere.material = mirrorSphereMaterial;// 将角色的骨骼根节点添加到角色对象中OOI.kira.add( OOI.kira.skeleton.bones[ 0 ] );// 设置IK求解器配置const iks = [{target: 22, // "target_hand_l" 目标对象IDeffector: 6, // "hand_l" 效应器ID（手）links: [{index: 5, // "lowerarm_l" 下臂rotationMin: new THREE.Vector3( 1.2, - 1.8, - .4 ), // 最小旋转角度rotationMax: new THREE.Vector3( 1.7, - 1.1, .3 )  // 最大旋转角度},{index: 4, // "Upperarm_l" 上臂rotationMin: new THREE.Vector3( 0.1, - 0.7, - 1.8 ),rotationMax: new THREE.Vector3( 1.1, 0, - 1.4 )},],}];// 创建CCDIK求解器，用于计算反向运动学IKSolver = new CCDIKSolver( OOI.kira, iks );// 创建IK辅助工具，可视化IK链const ccdikhelper = new CCDIKHelper( OOI.kira, iks, 0.01 );scene.add( ccdikhelper );// 创建控制面板gui = new GUI();gui.add( conf, 'followSphere' ).name( 'follow sphere' ); // 相机是否跟随球体gui.add( conf, 'turnHead' ).name( 'turn head' ); // 头部是否转向球体gui.add( conf, 'ik_solver' ).name( 'IK auto update' ); // 是否自动更新IKgui.add( conf, 'update' ).name( 'IK manual update()' ); // 手动更新IK按钮gui.open();// 初始化渲染器renderer = new THREE.WebGLRenderer( { antialias: true } );renderer.setPixelRatio( window.devicePixelRatio );renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );renderer.setAnimationLoop( animate ); // 设置动画循环document.body.appendChild( renderer.domElement );// 初始化轨道控制器，允许用户旋转和缩放相机orbitControls = new OrbitControls( camera, renderer.domElement );orbitControls.minDistance = 0.2;orbitControls.maxDistance = 1.5;orbitControls.enableDamping = true; // 启用阻尼效果，使相机移动更平滑orbitControls.target.copy( targetPosition ); // 设置控制器目标位置// 初始化变换控制器，允许用户交互式移动、旋转和缩放对象transformControls = new TransformControls( camera, renderer.domElement );transformControls.size = 0.75;transformControls.showX = false; // 不显示X轴transformControls.space = 'world'; // 在世界坐标系下操作transformControls.attach( OOI.target_hand_l ); // 附加到左手目标对象scene.add( transformControls.getHelper() ); // 添加控制器辅助工具// 当使用变换控制器时，禁用轨道控制器transformControls.addEventListener( 'mouseDown', () => orbitControls.enabled = false );transformControls.addEventListener( 'mouseUp', () => orbitControls.enabled = true );// 添加性能统计面板stats = new Stats();document.body.appendChild( stats.dom );// 添加窗口大小变化事件监听window.addEventListener( 'resize', onWindowResize, false );}function animate( ) {if ( OOI.sphere && mirrorSphereCamera ) {// 更新镜面球体的反射效果OOI.sphere.visible = false; // 临时隐藏球体，避免反射自身OOI.sphere.getWorldPosition( mirrorSphereCamera.position ); // 将相机放置在球体位置mirrorSphereCamera.update( renderer, scene ); // 更新立方相机渲染OOI.sphere.visible = true; // 重新显示球体}if ( OOI.sphere && conf.followSphere ) {// 相机跟随球体OOI.sphere.getWorldPosition( v0 );orbitControls.target.lerp( v0, 0.1 ); // 平滑过渡到球体位置}if ( OOI.head && OOI.sphere && conf.turnHead ) {// 头部转向球体OOI.sphere.getWorldPosition( v0 );OOI.head.lookAt( v0 );// 调整头部旋转，使其看起来更自然OOI.head.rotation.set( OOI.head.rotation.x, OOI.head.rotation.y + Math.PI, OOI.head.rotation.z );}if ( conf.ik_solver ) {// 更新IK求解器updateIK();}orbitControls.update(); // 更新轨道控制器renderer.render( scene, camera ); // 渲染场景stats.update(); // 更新性能统计}function updateIK() {// 更新IK求解器if ( IKSolver ) IKSolver.update();// 重新计算所有蒙皮网格的边界球体scene.traverse( function ( object ) {if ( object.isSkinnedMesh ) object.computeBoundingSphere();} );}function onWindowResize() {// 窗口大小变化时调整相机和渲染器camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;camera.updateProjectionMatrix();renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );}</script></body>
</html>

反向运动学原理与应用

反向运动学(IK)是计算机动画中的重要技术，与正向运动学(FK)相对。

正向运动学与反向运动学的区别

正向运动学(FK)：从父关节到子关节的运动传递方式。例如，当你移动肩膀时，上臂、下臂和手都会随之移动。这是传统骨骼动画的工作方式。
反向运动学(IK)：根据末端效应器(如手或脚)的目标位置，计算出所有关节的旋转角度。例如，当你指定手要抓住某个物体时，IK系统会自动计算出肩膀、上臂和下臂的正确角度。

CCD IK求解器

本示例使用了Three.js提供的**CCDIK(Cyclic Coordinate Descent)**求解器：

工作原理：从末端效应器开始，逐个调整关节角度，使效应器逐渐接近目标位置，直到达到收敛条件或最大迭代次数。
参数配置：
- target：目标位置对象ID
- effector：末端效应器ID
- links：关节链，每个关节有最小和最大旋转限制
- 可以配置多个独立的IK链