本文以「余额宝3D跑酷游戏」例如，介绍了如何快速启动前端 Web 3D 游戏开发。跑酷游戏是余宝七周年的主要玩法。用户可以通过做任务获得玩游戏的机会，解锁游戏道具，从而在游戏中获得更多的金币。最后，他们可以用金币兑换一些权益。同时，我们还在游戏中植入了一些礼品袋，首先看具体效果。
游戏设计
我们把游戏3D场景分为轨道、金币(道具)和人物三个模块。
赛道设计
轨道包括建筑物和地面。由于角色需要继续前进，基于相对运动的原则，我们复制了两个建筑（如图1所示），并逆时针旋转 -theta 在角度上，将建筑物的旋转角度放置为0（如图2所示）。地面是一个静止的弧形模型，通过改变纹理 UV 地面滚动的效果值得实现。
图1 赛道结构图
图2 建筑运动轨迹
金币布局
从上图1可以看出，我们以上 theta 角度弧是一个控制单元。我们希望控制游戏的总长度、每个弧旋转的时间以及每个弧放置的金币行数。如何控制这些参数3D场景怎么样？根据已知字段推导出以下公式(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 每个圆弧放置的金币行数
- 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
这里主要得出结论和之间的关系，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：
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 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：
- 创建场景树
- 绑定GLTF模型
- 编辑器PBR材质，绑定纹理
- 调整编辑器相机，拷贝编辑视角
- 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
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
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：
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：
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：
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：
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。 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。
（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。
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：
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。
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：
CPU需要传入帧序列纹理uDiffuseMap，还要每帧更新uFrame的值：
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：