前端上手 Web 3D 游戏开发

游戏设计

我们把游戏的3D场景分成了三大模块，分别是赛道、金币（道具）和人物。

赛道设计

赛道包含了楼房和地面，由于人物需要不停地往前跑，基于相对运动的原理，我们复制了两段楼房（如图1），并同时做逆时针旋转，当旋转至 -theta 角度的时候，把楼房的旋转角度置为0（如图2）。地面是一个静止的圆弧模型，通过改变纹理的 UV 值来实现地面滚动的效果。

图1 赛道结构图

图2 楼房运动轨迹

金币布局

由以上图1可知，我们以 theta 角度的圆弧为一个控制单元，我们希望能控制游戏的总时长、每段圆弧旋转的时间，以及每段圆弧摆放的金币行数，这些参数如何控制3D场景的运作呢？根据已知字段推导出以下几条公式（蓝色字段为可配参数）：

• 需要生成金币的总行数 = （游戏总时长 /圆弧旋转theta角度的时间 ）x 每段圆弧摆放的金币行数
• 每两行金币之间的时间间隔 = 游戏总时长 / 需要生成金币的总行数
• 每行金币出现的时间 = 每两行金币之间的时间间隔 x 金币索引

这里主要得出 游戏总时长 和 每行金币出现时间 之间的关系，而每行金币该如何摆放以及道具出现的时机由具体的业务逻辑控制，这里不展开来讲。最终我们得到了一个控制金币摆放的队列：

[
  {
    "index": 0, // 索引，代表每一行
    "item": {
      "position": "center", // 摆放位置
      "type": "coin" // 应该摆放的模型类型
    },
    "time": 0 // 每行金币出现的时间
  },
  {
    "index": 1,
    "item": {
      "position": "left",
      "type": "coin"
    },
    "time": 0.25
  },
  // more......
]

这个队列如何与我们的3D场景关联呢？

由以上图2可知，一共有两段圆弧在交替旋转，假设每段圆弧摆放的金币行数定义为 rowsPerPart，当前圆弧的索引定义为 index，那么每次旋转至0度的时候，取 [index * rowsPerPart, (index + 1), rowsPerPart] 区间的数据进行摆放。数组中 position 表示摆放位置，一共有左中右三条道，也可能三条道都摆放，根据配置创建金币节点，并设置好节点的 position。type 表示应该摆放的模型类型，除了金币还可能是道具、礼包、终点线等。

开发流程

设计好游戏思路之后，可以正式开始制作我们的游戏啦~

跑酷游戏是通过 Oasis Editor 开发的，这是一个 web 3D 内容在线开发平台，底层用的是 Oasis 3D（蚂蚁自研的3D引擎）。这时候你可能会问，为什么要用 Oasis Editor 开发呢？

接下来分为「场景搭建」、「逻辑开发」、「业务联动」来讲解整个3D工作流。

场景搭建

上传资产

在编排场景之前我们需要先上传好游戏资产，一般美术提供的模型文件格式为 fbx 或 gltf，纹理推荐使用 webp 格式，我们在资源区右侧点击上传。

在开发过程中，美术可能经常需要替换纹理，所以建议美术将纹理与模型解绑，通过手动上传的形式将纹理绑定到模型上，避免同时加载两个纹理。

如图，我们已经在资源区上传好楼房、道具、金币等模型和相应纹理。

场景编排

有了资产之后我们需要绑定到节点上，然后进行场景编排，如下视频以楼房和地面为例进行演示：

1. 创建场景树
2. 绑定GLTF模型
3. 编辑器PBR材质，绑定纹理
4. 调整编辑器相机，拷贝编辑视角
5. 转换相机视角，微调相机参数

按照同样的方法我们完成了整个场景的编排，某些节点需要通过脚本控制展示，可以点击场景树左边的小眼睛进行隐藏，场景效果如下：

粒子系统

游戏开发的时候，经常会用到粒子系统来帮助我们实现一些比较酷炫的效果，在我们这个项目中，在人物节点(person)下面有2个子节点，分别来负责吃到金币(coinParticle)和道具(toolParticle)时的粒子效果，游戏过程中效果如下：

当我们点击选中一个粒子节点的时候，编辑器右侧会出来对应的属性面板，属性面板中就能够看到我们的粒子组件以及相关参数，通过设置参数可以调整我们的粒子效果：

接下来一步就是来设置参数来控制我们的粒子效果了，下面给大家介绍下几个常用参数：

逻辑开发

以上场景可由前端协助美术同学进行搭建，接下来这一步就正式进入编程阶段了。

脚本能力

1、cli
Oasis Cli 是连接业务和 Oasis 3D 编辑器的桥梁，在使用我们引擎的时候，建议提前安装好 Cli 的环境：

tnpm i @alipay/oasis-cli -g

安装好 Cli 之后，我们就可以将场景导出到我们的本地项目，并且随时将最新的场景编排同步至本地。首先，我们进入跑酷项目根目录，并执行如下命令，将我们已经建好的3D场景和当前项目连接：

oasis pull sceneId

上面的 pull 命令中，sceneId是我们的场景id，执行完该命令后，会在根目录下自动添加了1个目录和1个文件，如下：

当我们需要对场景进行编辑，并且将最新修改同步至本地，我们只需要执行如下命令即可：

oasis dev

2、金币转动
这里以金币转动为例演示如何添加脚本控制，首先在资源面板添加一个脚本，然后在将脚本挂在节点上：

完成这一步后，我们就可以在coinAni的脚本中实现对coin节点的控制了，金币一直旋转我们在脚本的onUpdate 中处理即可：

onUpdate() {
  const { node } = this;

  TWEEN.update();

  if (this._isRotate && node.parentNode.isActive) {
    node.setRotationAngles(0, globalVal.coinAngle % 360, 0);
  }
}

碰撞检测

利用碰撞检测来反应人物与金币之间的碰撞，首先需要给人物和金币都加上碰撞体包围盒。Oasis Editor 提供了立方体碰撞体和球型碰撞体，引擎会在每帧更新时计算本节点的 collider 与其他 collider 的相交情况，球型碰撞体之间只需要比较球心距离与两个半径之间的大小关系，而立方体碰撞体需要计算八个顶点的位置关系，所以使用球型碰撞体性能上会好一些。

如下图，我们给人物添加了一个球型碰撞体，可以调节它的球心和半径。可视化包围盒只是编辑器运行时的插件，因此不会出现在我们的 H5 场景中。

编辑完碰撞体包围盒之后，我们需要在脚本中进行碰撞检测，监听 collision 事件：

let cd = node.createAbility(o3.ACollisionDetection);
cd.addEventListener('collision', e => {
  const colliderNode = e.data.collider.node; // 拿到被碰撞的节点

  const name = colliderNode.name;
  // do something...
});

Shader

嘿嘿，看到 Shader 别急着划走，掌握了 Shader 你就可以：

• 自定义光照、物理等模型，可以开发更多酷炫的效果
• 能够优化渲染性能
• 能够帮助我们排查渲染上的问题

列举几个 Shader 的效果，更多效果可以前往shadertoy：

1、 什么是 Shader
Shader（着色器）是运行在 GPU 上的小程序，这些小程序为图形渲染管线的某个特定部分而运行，它用于告诉图形硬件如何计算和输出图像。为了更深入了解 Shader 的原理，我们需要了解 OpenGL 的渲染流水线，这里以渲染跑酷游戏的地面模型为例：

CPU 应用阶段

我们在3.1.1中上传了地面的 fbx 模型文件，其中包含了顶点位置、UV、法线、切线等信息，CPU 将这些信息加载到显存中，然后设置渲染状态，告诉 GPU 如何进行渲染工作。最后 CPU 会发出渲染命令（Drawcall），由GPU 接收并进行渲染。

GPU 渲染管线

GPU 渲染管线包含了几何阶段和光栅化阶段，顶点着色器（Vertex Shader）和片元着色器（Fragment Shader）分别位于这两个阶段中。

几何阶段：顶点着色器接收 CPU 传过来的顶点数据，通常在这个阶段做一些空间变换、顶点着色等操作。接着会经过裁剪，把不在相机视野中的顶点裁剪掉，并剔除某些图元，然后将物体坐标系转换到屏幕坐标系。

光栅化阶段：两个顶点之间有很多个像素，片元着色器会对像素进行处理，除了进行纹理采样，还会将像素与灯光进行计算，产生反射、折射等效果。同一个屏幕像素点可能会有多个物体，这时候需要通过 alpha 测试、深度测试、模板测试、混合（blend）等处理，把同一位置的像素进行过滤或合并，最终渲染到屏幕上。
2、如何编写Shader
Oasis Editor 中写 Shader 需要经过这几个步骤：
（1）、在资源区中添加“Shader 材质”，然后绑定到模型上

（2）、编辑 Shader 材质，属性面板中提供了常见的渲染状态配置，也可以直接编辑着色器定义（ShaderDefine）。

整个 ShaderDefine 结构如下，其中 vertexShader 和 fragmentShader 分别存放顶点着色器和片元着色器代码，采用 GLSL ( OpenGL 着色语言，OpenGL Shading Language )编写。states 用来定义渲染状态控制对象，对应上文提到的合并阶段。

export const ShaderMaterial = {
  vertexShader: ``,
  fragmentShader: ``,
  states: {},
  uniforms: {},
  attributes: {},
};

（3）、如果要动态改变材质参数值，需要创建脚本，在节点每帧执行的回调函数中修改属性值。

下面通过跑道滚动和光波两个示例来讲解。

3、 跑道滚动
如2.1中所述，跑道是一个静止的圆弧模型，通过改变纹理的UV值来实现跑道滚动的效果。为了实现给人物打光的效果，我们在基础颜色纹理上面叠加了一张渐变纹理，并给人物加上了一个静态的阴影（实际上是一个面片）。

（ 基础颜色纹理）

（渐变纹理）
=

（ 叠加效果）

相关的Shader代码如下：

export const ShaderMaterial = {
  // Vertex Shader 代码
  vertexShader: `
    uniform mat4 matModelViewProjection;
    uniform float utime;

    attribute vec3 a_position;
    attribute vec2 a_uv;

    varying vec2 v_uv;
    varying vec2 v_uv_run;

    void main() {
      gl_Position = matModelViewProjection * vec4(a_position, 1.0 );
      v_uv = a_uv;
      v_uv_run = vec2( v_uv.s, v_uv.t + utime );
    }
  `,
  // Fragment Shader 代码
  fragmentShader: `
    varying vec2 v_uv;
    varying vec2 v_uv_run;

    uniform sampler2D texturePrimary;
    uniform sampler2D textureLight;

    void main() {    
      vec4 texSample = texture2D( texturePrimary, v_uv_run ).rgba;
      vec4 texLightSample = texture2D( textureLight, v_uv ).rgba;
      gl_FragColor = vec4(texSample.rgb * texSample.a + texLightSample.rgb * texLightSample.a, texSample.a);
    }
  `,
  states: {},
}

Vertex Shader 和 Fragment Shader 都包含了一个 mian 入口函数。

初次看 Shader 代码会发现很多陌生的符号，其中 uniform、attribute 和 varying 都是变量限定符，attribute 只能存在于 Vertex Shader 中，一般用来放置程序传过来的顶点、法线、颜色等数据；uniform 是程序传入到 Shader 中的全局数据；varying 主要负责在Vertex Shader 和 Fragment Shader 之间传递变量。

mat4、vec3、sampler2D 都是基本变量类型，分别代表矩阵、向量和纹理，后面的数字代表n维，例如 mat4表示 4x4 矩阵。

本例的 Vertex Shader 中，顶点位置 a_position 与 matModelViewProjection 矩阵相乘，其实是把三维世界的物体投影到二维的屏幕上。a_uv 存放了 UV 信息，我们想要把一张贴图贴到模型表面，需要纹理映射坐标，即UV坐标，分别代表横纵两个方向。为了使地面能滚动起来，我们需要每帧改变 UV 的纵坐标，并通过变量 v_uv_run 传递给 Fragment Shader。

在 Fragment Shader 中，texturePrimary 和 textureLight 都是从 CPU 程序传过来的纹理。通过 texture2D 采样基础颜色纹理 texturePrimary，得到了纹理贴图在模型上滚动的效果。接着拿采样后的颜色值与透明渐变纹理 texLightSample 进行叠加，得到了近亮远暗的效果。

最后，我们在 CPU 中每帧更新 utime 的值，并传入 Shader。

onUpdate(deltaTime) {
  if (!this.running || !this._streetMaterial)  return;

  // 赛道滚动
  this._time -= deltaTime * 0.0002;
  this._time %= 1.0;
  this._streetMaterial.setValue('utime', this._time);
}

4、光波特效

人物吃到吸吸卡之后会有一个光波特效，由于是不规则动画，我们采取了帧动画来实现。首先需要拿到这样nn的帧序列。注意，浏览器会对纹理尺寸进行限制，可以通过 gl.MAX_TEXTURE_SIZE 拿到这个值，最好别超过20482048。

接着在 Shader 中进行纹理采样。假设一个 100 * 100 的正方形，它的顶点着色器运行4次（因为有4个顶点），但片元着色器会运行 10000 次，所以尽量把 UV 等计算放在 Vertex Shader 中，再通过 varying 传给 Fragment Shader。代码如下：

export const ShaderMaterial = {
  // Vertex Shader 代码
  vertexShader: `
    attribute vec3 a_position;
    attribute vec2 a_uv;

    uniform mat4 matModelViewProjection;
    uniform float uFrame;

    varying vec2 v_uv;

    void main(void)
    {
      gl_Position = matModelViewProjection * vec4(a_position, 1.0);
      float cellCount = 8.0;
      float row = floor(uFrame / cellCount); // 当前第几行
      float col = mod(uFrame, cellCount); // 当前第几列
      float cellSize = 1.0 / cellCount;
      v_uv = vec2(a_uv.s * cellSize + col * cellSize, a_uv.t * cellSize + row * cellSize);
    }
  `,
  // Fragment Shader 代码
  fragmentShader: `
    varying vec2 v_uv;

    uniform sampler2D uDiffuseMap;

    void main(void)
    {
      gl_FragColor = texture2D(uDiffuseMap, v_uv);
    }
  `,
  states: {},
  uniforms: {
    uDiffuseMap: {
      name: 'uDiffuseMap',
      type: o3.DataType.SAMPLER_2D
    },
    uFrame: {
      name: 'uFrame',
      type: o3.DataType.FLOAT
    }
  },
  attributes: {},
};

CPU需要传入帧序列纹理uDiffuseMap，还要每帧更新uFrame的值：

onUpdate(deltaTime) {
  // update per frame
  if (this.material) {
    this.frame++
    if (this.frame > 57) {
      this.frame = 0;
    }
    this.material && this.material.setValue('uFrame', this.frame)
  }
}

业务联动

余额宝跑酷是一个跑在 h5 环境下的项目，其中就涉及到业务层(react)和游戏层(oasis)，我们在业务层和游戏层之间加了一个胶水层(gameController)来进行两者通信，结构如下：

从上面结构图可以看出，作为胶水层的gameController，主要做了2件事情，一个是给业务层提供api调用，并且通知游戏层，另外一个是监听游戏层的消息，并且通知业务层，下面来看看示例：

import * as o3 from '@alipay/o3';

export default class GameController extends o3.EventDispatcher {
    constructor (rootNode, dispatch) {
        super();
      
        this._dispatch = dispatch;
        this._oasis = this._rootNode.engine;
      
        // 获取需要监听的节点
        this._rootNode = rootNode;
        this._magnetCollidNode = rootNode && rootNode.findChildByName('magnetCollid');
        this._buildNNode1 = rootNode && rootNode.findChildByName('part1');
        this._buildNNode2 = rootNode && rootNode.findChildByName('part2');
        this._streetNode = rootNode && rootNode.findChildByName('street');
        
        // 注册监听
        this.getMessage(rootNode);
    }

    // 注册监听
    getMessage(rootNode) {
        // 注册监听游戏层消息
        this._magnetCollidNode.addEventListener('magnetCoinCollide', (event) => {
            // 反馈给业务层
            this._dispatch && this._dispatch({type: 'collideHappen', payload:{ type: 'coin' }});
        });
      
        // todo 其他节点注册监听
    }

    // 给业务层调用的api
    gameInit(iconList, gameData) {
        const gameInit = new o3.Event('gameInit');
        gameInit.data = {
            iconList,
            gameData,
        };

        this._oasis && this._oasis.resume();

        // 通知游戏层
        this._buildNNode1.trigger(gameInit);
        this._buildNNode2.trigger(gameInit);
        this._streetNode.trigger(gameInit);
    }
}

性能优化

调试工具

工欲善其事必先利其器，当我们需要对项目进行性能优化的时候，我们首先需要分析性能瓶颈点，然后对症下药，很幸运的是chrome本身就自带性能分析工具(Performance：打开页面进入开发者工具即可看到)，如下：

除了性能调试工具外，有时候我们还会遇到一些渲染异常，大多是给到GPU的数据有问题，而这部分数据我们没法console.log，chrome提供了一个非常好用的插件(Spector.js)帮助我们查看每一帧的数据，如下：

降低三角面

三角面越多，gpu的计算量也会越大，结合游戏实际的玩法，我们对三角面这块的优化主要就是不同模型进行减面，最终三角面从20万+降低到6万+，具体如下：

1、人物这块，因为在跑动过程中，我们始终只能看到背面，所以把人物前面的三角面全部去掉

2、金币这块，在保证视觉效果看起来比较圆的前提下尽可能的减少三角面

3、楼房和人物类似，把赛道外部的游戏过程中根本看不到的面去除

提升帧率

提升帧率本质上就是减少cpu的运算时间，通过前面提到的分析工具分析，我们发现节点数量过多是导致cpu运算量大的主要原因，所以我们的优化重点是在降低节点数量上，最终我们的 fps 在低端机上面从10优化到25，下面来具体说下：

1、金币模型里面有很多没有用的空节点，这个我们找美术同学帮忙重新简化模型文件

2、金币模型简化后，其实模型里面还有2个节点(其中有一个rootnode其实没啥用，和美术同学交流，反馈是目前没有办法去掉)，加上挂载模型的节点，我们一个金币对象其实就有3个节点，为了进一步优化，我们通过代码动态去掉多余节点并进行节点合并。

3、使用对象池来避免反复创建金币。在主循环中，对一些循环出现的元素，我们一种优化手段就是在初始化的时候事先创建一定数量的对象，然后用的时候来取，用完就还回来，而缓存创建好的对象的结构就是我们的对象池了。对象池带来的好处：减少主循环过程中创建对象带来的开销、可以有效避免因创建释放等操作带来的GC。我们游戏中金币数量很多，并且是高频出现的，所以要用对象池来缓存，相应的设计如下：

class CoinPool {
  private _originNode = null;
  private _pool = [];

  constructor () {
    
  }

  init (originNode: o3.Node, capacity: number = 5) {
    this._originNode = originNode;

    this._genNode(capacity);
  }

  destroy () {
    this._originNode = null;
    this._pool.length = 0;
  }

  getNode () {
    if (this._pool.length === 0) {
      this._genNode();
    }

    return this._pool.shift();
  }

  putNode (node: o3.Node) {
    if (this._pool.indexOf(node) === -1) {
      this._pool.push(node);
    }
  }

  _genNode (num: number = 1) {
    const pool = this._pool;

    for (let i = 0; i < num; ++i) {
      let node = this._originNode.clone();
      // 对金币模型节点的优化在这里统一处理
      changeParent(node);
      purifyNode(node);

      pool.push(node);
    }
  }
}

对象池使用方式：

// 创建并初始化
const originCoin = node.findChildByName('coinParent'); // 挂载金币模型的节点
const coinPool = new CoinPool();
coinPool.init(originCoin, 24);

// 从池子里面获取金币节点
const coinNode = coinPool.getNode();

// 金币节点不需要使用了，进行回收
coinPool.putNode(coinNode);

// 整个节点池销毁
coinPool.destroy();

其他

上述两项其实都是针对跑酷项目本身做的一些特定优化，其他项目未必能够完全照搬，我们的尘沫大神针对业务方面的性能优化做了比较通用全面的总结，这里简单列举一下：

语言

• 使用枚举：在标记判断if或switch语句中尽量使用number型枚举,避免使用字符串作为判断标记，字符串作为判断标记性能损耗较大
• 使用Number做Object的Key：Object作为Map使用时尽量不要使用string作为Key,而是倾向使用Number作为Key，其中Number的范围越小性能越高，通常小于65535性能较优
• 使用“.”访问对象属性：避免使用["string"]访问对象的属性和方法，会导致JIT优化失效，应使用“.”访问属性
• 尽量使用for循环遍历：帧级调用尽量使用for循环进行遍历操作提升性能,相对于语法糖循环更纯粹,需要提前缓存长度n进行循环判断，减少纹理寻址性能损耗

逻辑