一、Three.js 简介

数字孪生，是对物理实体或过程的数字化映射与模拟系统，最早被称为 “镜像空间模型”。它能够实时监控和模拟物理实体的性能，优化系统的可靠性、可用性和总体效能。例如，在工业制造领域，数字孪生可以在产品研发阶段虚拟构建产品数字化模型进行仿真测试和验证，在生产制造时模拟设备运转及参数调整带来的变化，有效提升产品的可靠性和可用性，降低研发和制造风险。

Three.js 是一个开源的 JavaScript 库，用于创建 3D 图形。它具有轻量级、易用性和跨平台支持的特点，在数字孪生领域发挥着重要作用。Three.js 可以用于创建逼真的虚拟环境，模拟物理过程，展示实时数据等多个应用场景。在数字孪生中，Three.js 能够将物理实体以三维的形式呈现在虚拟空间中，实现虚实映射，让用户可以更直观地了解物理实体的状态。同时，Three.js 可以结合实时数据源，实现数字孪生的实时同步，全面、精准、动态反映物理对象的状态变化。此外，Three.js 还可以随着物理对象的生命周期进程不断演进更新，实现共生演进，为数字孪生的闭环优化提供支持。

二、Three.js 的优势分析

（一）易用性和灵活性

Three.js 提供了高层次的 API，封装了 WebGL 的复杂性，使得开发者可以更专注于设计和实现 3D 视图和互动效果。它简化了开发流程，提供了大量现成的功能和工具，如相机、光源、材质和几何体等，让开发者能够快速构建和调整 3D 场景。同时，Three.js 拥有丰富的生态系统，有许多第三方插件和库可以扩展其功能，提供了额外的组件和特性，进一步简化了开发过程。

（二）跨平台兼容性

Three.js 能在浏览器中运行，无需安装额外的插件，使得 3D 内容可以更广泛地被用户访问和交互。目前主流的浏览器（如 Chrome、Firefox、Edge、Safari 等）都支持 WebGL 和 Three.js。开发者能够确保 3D 内容在不同的设备和浏览器上正常运行，覆盖更广泛的用户群体。由于基于网页技术，Three.js 可以在各种操作系统（如 Windows、macOS、Linux）和设备（如台式机、笔记本电脑、平板、智能手机）上运行，具有良好的跨平台兼容性。

（三）互动性和实时渲染

在数据可视化方面，利用 Three.js 和 WebGL，开发者可以创建实时更新的 3D 数据可视化，例如动态展示传感器数据、实时跟踪数据变化等。用户可以与数据进行交互，如旋转、缩放、点击图表等，帮助用户更好地分析和探索数据。在游戏开发中，Three.js 和 WebGL 提供了强大的渲染能力，支持复杂的游戏场景和高帧率渲染。用户的操作可以实时影响游戏世界的状态，如角色的移动、物体的变化等。在虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 领域，Three.js 和 WebGL 可以用于创建沉浸式的体验，实时渲染和用户互动的响应非常重要，以保持用户的沉浸感和体验的流畅性。

（四）社区支持和资源

Three.js 拥有活跃的开发者社区和丰富的学习资源。Three.js 提供了详尽的官方文档和大量的示例代码，帮助开发者快速上手和理解 API。示例包括了各种常见的用例，开发者可以基于这些示例进行定制和扩展。社区成员和开发者经常贡献开源库、工具和示例，这些资源可以加速开发过程并提供新的解决方案。活跃的论坛和讨论区，如 Stack Overflow、Three.js 的官方论坛、Reddit 等，开发者可以在这些平台上提出问题、获取帮助、分享经验和最佳实践。

三、数字孪生如何用 Three.js 实现

（一）建筑颜色渐变

在数字孪生系统中，实现建筑颜色渐变是增强场景真实感和层次感的重要手段。首先，需要将经纬度坐标转换为 Three.js 默认的世界坐标 xyz。可以使用 d3-geo 库中的 d3.geoMercator() 方法实现坐标转换，其中 .center() 用于指定坐标转换的参考点，一般传入地图中心点的经纬度坐标；.scale() 用于放大坐标；.translate() 用于进行坐标的平移。接着，加载 geojson 数据，将经纬度的轮廓数据转换为世界坐标，并使用 ExtrudeGeometry 将轮廓拉伸为三维模型，生成建筑简模。

建筑简模渲染出来后，进行渐变着色。通过在着色器材质编译前混入自定义的着色器代码，将顶点数据从顶点着色器传递到片元着色器。设置由两个颜色值构成的颜色区间，根据比例关系线性地设置颜色值。以最高建筑的高度（如 348）为参考基准，根据顶点高度越高片元颜色越亮的原则，设置渐变色。最后将渐变颜色与原本的光照影响后的颜色进行叠加计算，实现建筑的渐变着色效果。

（二）围栏光效

围栏光效主要用于对特定区域进行高亮显示。构建围栏光效分为两步：构建围栏的 geometry 和为围栏设置着色器材质。

首先构建围栏的 geometry。在 WebGL 中，三个点构成一个面，复杂的面可以由一个个三角面拼合而成。基于轮廓数据和指定的高度构建一个立起来的面，形似围栏。为每个顶点设置 uv 坐标，完成围栏 geometry 的构建。

然后为围栏设置着色器材质。通过设置合适的着色器材质，使围栏具有特定的光效，实现对特定区域的高亮显示。

（三）其他实现方式

创建模型：使用 3D 建模软件创建数字模型，保存为 obj 格式。

加载模型：使用 Three.js 中的 OBJLoader 加载模型文件，生成模型的网格对象。

创建场景：使用 Three.js 中的 Scene 创建场景。

创建相机：使用 Three.js 中的 PerspectiveCamera 创建相机。

渲染循环：使用 Three.js 中的 requestAnimationFrame 方法循环渲染场景和相机。

添加光源：使用 Three.js 中的 DirectionalLight 添加光源。

添加鼠标交互：使用 Three.js 中的 Raycaster 和 MouseEvents 实现鼠标交互功能。用户可以通过鼠标操作旋转、缩放模型，更好地观察数字孪生场景。

添加辅助线：使用 Three.js 中的 AxesHelper 添加辅助线，方便对模型进行定位和对比。

调整模型位置和比例：根据实际物体的大小和位置，调整数字模型的位置和比例，使其与实际物体对应关系精确匹配。

添加材质和贴图：根据实际物体的材质和贴图，为数字模型添加相应的材质和贴图，使其更加真实。

通过以上步骤，可以实现数字孪生的可视化展示，并实现鼠标交互、辅助线等多种功能。

四、数字孪生与 Three.js 的结合案例

（一）污水处理厂案例

通过 Three.js 和 Vue 的结合，实现了污水处理厂数字孪生平台。在这个平台中，主场景三维逻辑代码丰富而复杂。首先，创建了 threejs 画布，通过引入各种加载器和组件，如 RGBELoader、addSewageModel、addPeopleModel 等，实现了污水厂模型和人物模型的加载。同时，还创建了水面、设置了水池材质，并通过动画和交互功能，如巡检数据展示面板、巡检进度条、巡检速度控制条等，增强了用户对污水处理厂的直观感受和交互体验。

（二）月球陨石坑案例

在 Three.js 中，使用 NASA 发布的月球地形数据 “SLDEM2015” 绘制月球陨石坑。首先，创建场景并加载外太空背景，使用 EXRLoader 加载.exr 文件作为场景背景。然后，使用 SLDEM2015 的数据，通过加载栅格数据并编写函数返回栅格信息，创建 PlaneGeometry 并分配栅格值，同时编写顶点着色器和片段着色器，实现按海拔值进行着色，最终在场景中展示月球陨石坑。

（三）日本新宿站地图案例

使用日本新宿站的室内地图数据，通过 Three.js 将其进行 3D 可视化。首先，创建场景并添加相机和控制器，将移动操作分配给 MapControls，将缩放操作分配给 TrackballControls。然后，使用 GDAL 命令将 ShapeFile 转换为 GeoJson，并在场景中绘制要素数据，按图层对要素进行分组，创建 GUI 和组，通过复选框 GUI 切换每个层次结构的显示，同时设置背景透明并应用渐变。

五、Three.js 在数字孪生中的应用

（一）几种方案对比

1. Three.js

优点：

提供了简洁的 API 和大量的文档，适合初学者和专业开发者，丰富的示例和社区支持有助于快速上手。

支持各种 3D 图形特性，包括纹理映射、光照、阴影、动画等。内置了多种几何体和材质类型，方便创建复杂的 3D 场景。

自动适应不同设备和浏览器的 WebGL 能力，确保良好的用户体验。支持移动设备上的触摸事件和传感器数据。

拥有庞大的用户社区，提供了大量的教程、插件和扩展。遇到问题时容易找到解决方案或获得帮助。

内置了多种性能优化策略，如批量渲染、实例化几何体和 LOD（细节层次）管理。提供了性能监控工具，便于实时调整和优化。

允许开发者自定义着色器和材质，实现独特的视觉效果。支持与第三方库和服务的集成，如物理引擎、音频处理等。

可以根据项目需求选择性地加载所需模块，减少不必要的资源消耗。

缺点：

对于复杂的 3D 应用，仍需要深入理解图形学原理和相关技术。

在处理大规模场景或高帧率要求的应用时，可能会遇到性能瓶颈。需要开发者主动进行性能调优，如合理组织场景图和使用 Web Workers。

手动管理内存（如调用dispose()方法释放不再使用的对象）有时可能会比较繁琐。

某些高级功能可能需要依赖额外的库或插件，增加了项目的复杂性。

随着 WebGL 和相关技术的不断发展，Three.js 也需要不断更新以保持兼容性。对于长期项目，可能需要关注框架的更新日志并及时适配新版本。

虽然提供了丰富的默认选项，但在某些极端情况下，可能需要对底层 WebGL API 进行更直接的操作。

2. 像素流技术

优点：通过像素流送技术可以在服务器端部署 UE 打包好的 Windows 或 Linux 程序，并启动一个像素流送服务，从而实现基于 UE 引擎的数字孪生应用的 B/S 端应用。

缺点：基于像素流的数字孪生程序在快速转动时、多人访问时、持续运行时都会出现画面模糊、画面打不开等情况。在不同浏览器上也有兼容性需提升的问题。同时，像素流技术也是一个代码量非常大的仅限于 UE 模型使用的开源组件，迭代和维护成本都不容忽视。

3. WebGL

优点：WebGL 技术适合模型数据量小以及画质相对普通些的项目场景，这种技术需要用户在终端设备网页打开时预先加载数据至本地设备。

缺点：不适合数 G / 数十 G 的大型三维内容。并且数据实际落地至各用户终端，不适合对数据安全等级要求高的一些项目场景，存在数据泄露风险。大型应用模型实际还需要用户侧设备配置独立显卡。

4. 实时云推流方案

优点：

支持多种引擎制作的数字孪生内容，UE4、Unity、国产自研引擎、普通大型应用等。确保了用户在浏览器端能够获得与 C/S 架构相媲美的视觉体验。

兼容性强，实现了跨平台访问，用户无需安装任何客户端软件即可轻松访问系统。适用于各类内容和终端。Windows、Android、VR、iOS、iMac、iPad、机顶盒等。

实时云推流系统技术还支持多方同时访问，提高了系统的并发处理能力。

支持国产信创系统部署。其中点量云流平台就支持 Windows、统信 UOS、麒麟 OS、EulerOS、中科方德等系统。

确保数字孪生应用数据安全。用户端仅接收云服务器显示结果的视频流，无法下载 / 缓存真实数据，实现敏感数据的不落地。整合防拍照、防录屏、视频水印等功能，进一步保证数据安全。

缺点：实时云推流方案需要考虑服务器端硬件的配置，根据需要支持的用户并发访问的数量，配置多张高性能显卡。

（二）具体项目应用

以数字孪生项目为例，在数据展示方面，主要有三大步骤：

1. 数据采集：主要在传感器方面，不同场景需选用不同的传感器，比如炼钢厂需要采用耐高温传感器，煤矿采用防静电传感器等。

2. 数据传输与存储：需根据实际场景判断是否采用无线方案或有线传输，以及是否采用中间网关做数据转发等。同时要考虑数据如何存储与处理，这涉及到平台侧的具体框架方案。

3. 数据展示：为了配合数字孪生这个名词，只能采用 3D 显示方案。对于 3D 的方案，光是展示端，我们就可以选择 CS、BS 两种方式的一种。以 BS（webgl）方案为例，具体实现如下：

工业园区整体效果与实现：主要是建模与流光效果的实现。对于非重点监控车间，可以用虚拟建筑模型方块代替。

双击重点展示工作车间，进入车间：采用最简单的页面跳转方式，显示摄像头推进，然后直接跳转到另一个页面，简单而不失流程，还能充分回收资源。

双击加热炉，展示加热炉内部锻件的详细信息与位置：采用虚化周边的方案。

明显标注传感器，并且查看各部位传感器信息：注意绑定传感器数据，并且使用突显方案，显示传感器标签，在任何角度，都能看到传感器位置。

六、数字孪生和 Three.js 的发展前景

（一）在物流领域的前景

政策支持：近些年来，我国密集出台相关政策以支持数字孪生技术的应用发展。这些政策为物流行业的数字化转型提供了有力的保障，推动了数字孪生技术在物流领域的广泛应用。

行业发展需求：对于物流行业来说，中转分拣是其普遍面临的复杂场景之一。顺丰科技建立了高度逼真的物流自动化设备孪生体及数字孪生平台，为物流中转场提供了端到端的高度逼真的孪生验证环境。通过优化运营策略，提高了产能，降低了成本，解决了业务中的实际问题，实现了物流中转场的智能运维。根据 IDC 数据，预计 2025 年，全球数字孪生市场规模将增至 264.6 亿美元，2020 - 2025 年 CAGR 高达 38.35%。这表明数字孪生在物流领域的应用前景广阔。

智慧物流的必经之路：数字孪生在物流领域的应用尚处在初期阶段，随着政策环境优化、技术演进以及行业标准和体系逐步成熟，数字孪生应用场景广度和深度将进一步拓展，推动行业规模迅速增长。数字孪生是智慧物流的必经之路，它将为物流行业带来更高效、更智能的运营模式。

（二）在其他领域的应用

供应链管理：通过数字孪生技术，物流从业者可以建立一个准确的模型，用于监控和管理整个供应链的运作。通过实时数据的监测和分析，可以及时发现和解决供应链中的问题，提高整体运营效率和灵活性。

运输和仓储管理：物流行业需要管理大量的运输活动。通过数字孪生技术，物流从业者可以通过虚拟模型来模拟不同运输的效果，从而优化物流运作。此外，数字孪生技术还可以帮助企业建立一套仓库实时监控系统，提高仓储管理效率。

预测优化方面的应用：通过对模型仓库的数据分析，可以预测出物流的需求趋势与变化。这样，管理者可以提前调整物流计划，合理安排仓储与运输资源，避免库存积压或库存闲置浪费的情况。同时，通过数字孪生仓库模型的模拟实验，还可以测试不同物流策略的效果，进而制定出最优的物流规划。

（三）技术创新与未来趋势

持续的技术创新：随着技术的不断发展，数字孪生和 Three.js 将不断进行技术创新。例如，在 3D 建模技术方面，将更加注重模型的真实性和细节，提高数字孪生的可视化效果。在传感器技术方面，将更加智能化，能够实时采集更多种类的数据，为数字孪生提供更准确的信息。在数据分析技术方面，将更加高效和准确，能够快速处理大量的数据，为决策提供支持。

行业应用拓展：数字孪生和 Three.js 的应用领域将不断拓展。除了物流领域，还将在制造业、医疗、教育等领域得到广泛应用。例如，在制造业中，可以通过数字孪生技术实现产品的全生命周期管理，提高产品质量和生产效率。在医疗领域，可以通过数字孪生技术实现人体的数字化建模，为疾病诊断和治疗提供支持。

商业模式创新：数字孪生和 Three.js 的发展将带来商业模式的创新。例如，可以通过提供数字孪生服务，为企业提供定制化的解决方案，帮助企业提高运营效率和竞争力。还可以通过建立数字孪生平台，实现数据的共享和交换，为行业发展提供支持。

产业链整合：数字孪生和 Three.js 的发展将促进产业链的整合。例如，在数字孪生的建设过程中，需要涉及到 3D 建模、传感器、数据分析等多个领域的企业参与。通过产业链的整合，可以实现资源的优化配置，提高数字孪生的建设效率和质量。