three.js进阶之动画系统

我曾在three.js进阶之骨骼绑定文章中提到了AnimationMixer、AnimationAction等内容，其实这些应该属于Three.js的动画系统，本文就系统的介绍一下动画系统（Animation System）。

前言

一般情况下，我们很少会使用three.js的动画系统去手动创建动画——因为这真的很麻烦，更高效便捷的做法还是直接在建模软件如Blender中完成动画的制作，然后在three.js中进行播放。不过，学习了动画系统对我们还是会有帮助的，下面进入正文。

创建动画涉及三个概念：关键帧Keyframes，关键帧轨迹KeyframeTrack和动画剪辑AnimationClip。

1 关键帧 Keyframes

在动画系统中最低级别的概念就是关键帧，每个关键帧由三个信息组成：时间、属性和值，举个栗子：

在第0秒，position的取值为(0,0,0)；
在第3秒，scale的取值为(1,1,1)；
在第12秒，material.color为红色。

这三个关键帧分别描述特定时间的某些属性的值，不过关键帧并不指定任何特定对象。位置关键帧可用于为具有.location属性的任何对象设置动画，缩放关键帧可为具有.scale属性的任何对象设置动画，依此类推。但是，关键帧确实指定了数据类型。上面的position和scale关键帧指定矢量数据，而material.color关键帧指定颜色数据。目前，动画系统支持五种数据类型。
在这里插入图片描述
要创建动画，我们至少需要两个关键帧。最简单的例子是两个数字关键帧，例如，动画材质的不透明度（它的透明度/透视程度）：

在第0秒，material.opacity为0；
在第3秒，material.opacity为1；

不透明度为0意味着完全不可见，不透明度为1意味着完全可见。当我们为某个对象设置了这两个关键帧后，它将会在3秒内逐渐出现。不管对象原本的透明度为多少，关键帧会覆盖其原本的值。

2 关键帧轨迹 KeyframeTrack

在Three.js中并没有表示单个关键帧的类，KeyframeTrack中包含两个数组——时间数组和取值数组，每一个关键帧就对应时间数组和取值数组中的一个值。另外，KeyframeTrack只是一个基类，不要直接使用KeyframeTrack，，针对前面提到的每种数据类型都有对应的子类，你需要根据取值的数据类型选择对应的子类：

BooleanKeyframeTrack
ColorKeyframeTrack
NumberKeyframeTrack
QuaternionKeyframeTrack
StringKeyframeTrack
VectorKeyframeTrack

2.1 NumberKeyframeTrack

使用前面的透明度关键帧的例子：

在0秒时，material.opacity为0
在1秒时，material.opacity为1
在2秒时，material.opacity为0
在3秒时，material.opacity为1
在4秒时，material.opacity为0

由于透明度为数值型，因此可以使用NumberKeyframeTrack类来存储关键帧数据：

import { NumberKeyframeTrack } from "three";

const times = [0, 1, 2, 3, 4];
const values = [0, 1, 0, 1, 0];

const opacityKF = new NumberKeyframeTrack(".material.opacity", times, values);

说明：KeyframeTrack的构造函数为：

/**
 * KeyframeTrack构造函数
 * name: 关键帧轨道的名称
 * times: 关键帧时间数组，内部转换为Float32Array
 * values: 包含与时间数组相关的取值，内部转换为浮点32Array
 * interpolation: 要使用的插值类型，默认值为线性插值
 */
KeyframeTrack( name : String, times : Array, values : Array, interpolation : Constant )

2.2 VectorKeyframeTrack

由于NumberKeyframeTrack在每个时间点都只有一个数值类型的取值，因此times数组和values数组的长度是一样的，那么如果每一帧的数据是一个向量呢？应该如何构造values数组呢？我们使用下面的例子：

在第0秒，position为(0,0,0)
在第3秒，position为(2,2,2)
在第6秒，position为(0,0,0)
这三个关键帧将使对象从场景的中心开始，在三秒内向右、向上和向前移动，然后反转方向并移动回中心。接下来，我们将使用这些关键帧创建矢量轨迹。

import { VectorKeyframeTrack } from "three";

const times = [0, 3, 6];
const values = [0, 0, 0, 2, 2, 2, 0, 0, 0];

const positionKF = new VectorKeyframeTrack(".position", times, values);

需要留意，由于每个时间点的position数据都是一个Vector3包含3个数值，而且这些数据是直接平铺开来的，因此values数组的长度是times数组的3倍，对应的映射关系为：

const times = [0, 3, 6];
const values = [
  0,
  0,
  0, // (x, y, z) at t = 0
  2,
  2,
  2, // (x, y, z) at t = 3
  0,
  0,
  0, // (x, y, z) at t = 6
];

3 动画剪辑 AnimationClip

如下图（动态效果可点击这里查看）中跳舞的模型动作非常复杂：双脚旋转，膝盖弯曲，手臂疯狂摆动，头部随着节拍点头。每个单独的动作都存储在一个单独的关键帧轨道中，因此有一个轨道控制舞者左脚的旋转，另一个轨道控制他的右脚的旋转，第三个轨道控制他的脖子的旋转，等等。
在这里插入图片描述

事实上，这个舞蹈动画是由53个关键帧轨道制成的，其中52个是控制舞者膝盖、肘部和脚踝等单个关节的四元数轨道。然后，有一个.location轨迹，可以在地板上来回移动图形。

这53个关键帧轨道结合在一起创建出的最终动画，我们称之为动画剪辑。因此，动画剪辑是附加到单个对象的任意数量关键帧的集合，表示剪辑的类是AnimationClip。动画剪辑可以循环播放，所以，虽然这个舞者的动画只有18秒长，但当它到达终点时，它开始下一轮的循环，因此看起来舞者似乎可以一直跳下去。

下面是AnimationClip的构造函数：

AnimationClip( name : String, duration : Number, tracks : Array )

从构造函数中能够看出动画剪辑存储三个信息：剪辑的名称、剪辑的长度和组成剪辑的轨道数组。如果我们将长度设置为-1，则轨道数组将用于计算长度。我们创建一个包含前面的单个位置轨迹的剪辑：

import { AnimationClip, VectorKeyframeTrack } from "three";

const times = [0, 3, 6];
const values = [0, 0, 0, 2, 2, 2, 0, 0, 0];

const positionKF = new VectorKeyframeTrack(".position", times, values);

// 当前只有一个关键帧轨道
const tracks = [positionKF];

// 将length设置为-1可以自动从tracks中计算长度，在本例中为6秒
const length = -1;

const clip = new AnimationClip("slowmove", length, tracks);

和关键帧一样，AnimationClip不会被附着到任何特定的对象上，那么应该如何将动画绑定到模型身上并且控制其进行播放呢？

4 动画混合器 AnimationMixer

为了让物体（如Mesh）接入动画系统并且能够动起来，我们需要将其和动画混合器AnimationMixer建立联系。场景中的每个动画对象都需要使用一个单独的混合器。混合器负责使模型按照动画剪辑的设定进行状态调整，如移动舞者的脚、手臂和臀部，或者是移动飞鸟的翅膀。

import { Mesh, AnimationMixer } from 'three';

// 创建一个静态的Mesh
const mesh = new Mesh();

// 通过将其连接到混合器，将其变为动画网格
const mixer = new AnimationMixer(mesh);

5 动画动作 AnimationAction

AnimationAction负责将动画对象连接到动画剪辑AnimationClip，同时也负责控制动画的暂停、播放、重置等操作。需要注意的是，我们不会直接创建action，而是借助AnimationMixer.clipAction()函数创建，这样能够有更好的性能，因为mixer会对action进行缓存。

看下面的例子：

import { AnimationClip, AnimationMixer } from "three";

const positionKF = new VectorKeyframeTrack(
  ".position",
  [0, 3, 6],
  [0, 0, 0, 2, 2, 2, 0, 0, 0]
);

const opacityKF = new NumberKeyframeTrack(
  ".material.opacity",
  [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6],
  [0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]
);

const moveBlinkClip = new AnimationClip("move-n-blink", -1, [
  positionKF,
  opacityKF,
]);

const mesh = new Mesh();

const mixer = new AnimationMixer(mesh);
const action = mixer.clipAction(moveBlinkClip);

5.1 多动作控制

假设我们有一个人的模型，并且这个模型可以走路、跑步和跳，每个动画都将在一个单独的剪辑中出现，每个剪辑必须连接到一个动作。因此，就像混合器和模型之间存在一对一的关系一样，动作和动画剪辑之间也存在一对一的关系：

const mixer = new AnimationMixer(humanModel);

const walkAction = mixer.clipAction(walkClip);
const runnAction = mixer.clipAction(runClip);
const jumpAction = mixer.clipAction(jumpClip);