Three.js入门 - 技术栈

Three.js 介绍

Three.js 是一个开源的应用级 3D JavaScript 库，可以让开发者在网页上创建 3D 体验。Three.js 屏蔽了 WebGL的底层调用细节，让开发者能更快速的进行3D场景效果的开发。

Three.js的开发环境搭建

创建目录并使用npm init -y初始化package.json
使用npm install --save-dev parcel安装Web应用打包工具parcel 这一步不是必须的，可以使用其他打包工具例如webpack等
在目录中新建src/index.html和src/script.js两个文件

xml 复制代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
    <title>Three.js入门</title>
  </head>
  <body>
    <script src="./script.js" type="module"></script>
  </body>
</html>

script.js文件中会使用到import模块化语法，所以引入文件需要加上type="module"

在package.json中加入"start": "parcel src/index.html"脚本
使用npm install three引入Three.js
在src/script.js文件中验证Three.js是否引入成功

javascript 复制代码

import * as THREE from "three";
console.log(THREE);

Three.js的一些重要概念

开发一个Three.js的场景，需要如下一些元素：

scene 场景场景像一个容器（container），可以将物体(模型，粒子，光源，相机等)加入其中。
objects 物体物体可以有很多种，比如原始的几何体，导入的模型，粒子，光源等。
camera 相机理论上的视角，虽然相机也被加入了场景中，但是相机是看不见的
renderer 渲染器从相机的角度渲染场景，结果将被绘制到 canvas 中

透视相机

Three.js最常使用的是透视相机，它是模拟人的观察视角：物体近大远小。

透视相机有四个构造参数：

typescript 复制代码

constructor(fov?: number, aspect?: number, near?: number, far?: number);

视野(The field of view)

视野（fov）以度为单位表示，表示视觉角度的大小。
角度越大看到的范围越大，但是太大就会造成场景中物体变形。
一般45～75会比较合适

宽高比(Aspect) 纵横比需要设置为画布的宽度除以其高度，否则会造成场景中物体变形。
近平面距离(Near) 比近平面距离近的物体将不会被渲染，也就是说不能被看见。
远平面距离(Far) 比远平面距离远的物体将不会被渲染，也不能被看见。

Three.js的第一个场景

我们了解了基本的概念后，可以开始写代码了。

ini 复制代码

// 1. 创建渲染器,指定渲染的分辨率和尺寸,然后添加到body中
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true });
renderer.pixelRatio = window.devicePixelRatio;
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.append(renderer.domElement);

// 2. 创建场景
const scene = new THREE.Scene();

// 3. 创建相机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(
  75,
  window.innerWidth / window.innerHeight,
  0.1,
  1000
);

// 4. 创建物体
const axis = new THREE.AxesHelper(5);
scene.add(axis);

// 5. 渲染
renderer.render(scene, camera);

创建渲染器，并将渲染器设置为body的尺寸大小,然后将渲染器的Canvas添加body中；

创建场景;

创建相机，设置75度视野，相机的纵横比设置为画布的宽度除以其高度，近平面距离为0.01，远平面距离为1000；

创建了一个坐标辅助线物体，用来标识坐标位置；

用渲染器进行渲染，传递的参数是场景和相机两个参数。

结果令人遗憾，什么也看不到，屏幕上是一片黑暗。

如果需要了解原因，需要知道一个重要的概念：坐标系统。

坐标系统

Three.js使用的是右手坐标系，这源于OpenGL默认情况下，也是右手坐标系。x轴正方向向右，y轴正方向向上，z轴由屏幕从里向外。

所有的物体默认是摆放在坐标原点位置，也就是(0,0,0)这个位置。

由于透视相机和物体都是放在同一个位置，也就是距离是0。并且相机也默认看向的(0,0,0)这个点，所以透视相机不会渲染内容。

移动相机

为了解决这问题，可以移动相机也可以移动物体。默认是移动相机位置。

同时设置：

arduino 复制代码

camera.position.set(5, 5, 10);

或者单独设置

ini 复制代码

camera.position.z = 10;
camera.position.x = 5;
camera.position.y = 5;

移动了相机，还需要设置相机看向原点的方向

ini 复制代码

camera.lookAt(0, 0, 0);

这时候就可以看到坐标辅助线了。

Geometry和Material

我们想创建一个立方体，我们需要创建一种名为Mesh的对象。Mesh是几何（形状）和材质（外观如何）的组合。

ini 复制代码

// 添加立方体
const geometry = new THREE.BoxGeometry(4, 4, 4);
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000 });
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);

创建长宽高都为4的立方几何体；

立方体的表明颜色为红色的材质;

将集合体和材质组合为Mesh对象；

将Mesh对象添加到场景中。

动画

开发者都知道动画本质上是不同的重绘，由于物体的位置、大小、材质和缩放等的不同而形成了视觉上的动画。

通过rotate设置旋转度角

ini 复制代码

cube.rotation.y = Math.PI / 4;

不断旋转角度

scss 复制代码

function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);
  cube.rotation.y += 0.01;
  renderer.render(scene, camera);
}

animate();

通过requestAnimationFrame不断的回调animate函数；

animate函数中先将旋转角度增加0.01 度，然后调用renderer.render(scene, camera)进行重新绘制。

优化

requestAnimationFrame函数的调用频率取决于浏览器的刷新率，实际的刷新率可能因浏览器、硬件性能以及当前页面的负载而有所不同。

可以使用three.js中内置的Clock来解决这个问题。

ini 复制代码

const clock = new THREE.Clock();

function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);

  const elapsedTime = clock.getElapsedTime(); // 返回已经过去的时间, 以秒为单位
  cube.rotation.y = elapsedTime * Math.PI; // 两秒自转一圈

  renderer.render(scene, camera);
}

通过使用Clock就能保证两秒自转一圈。

添加交互

到目前位置，用户是无法和场景进行交互的，为了能够和场景进行交互，可以添加一个控制器OrbitControls。

ini 复制代码

import { OrbitControls } from "three/examples/jsm/controls/OrbitControls";

const controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement);
controls.update();

通过上面的代码，用户就可以用对场景内容进行旋转、放大缩小等操作。

添加光源

three.js中有三种重要的光源：环境光源，方向光源和点光源。

环境光（Ambient Light）：环境光是一种均匀的光照，它会均匀地照亮场景中的所有物体，不考虑光照源的位置和方向。
方向光（Directional Light）：方向光是一种平行光源，它具有确定的方向和强度，类似于太阳光。
点光源（Point Light）：点光源是一种位于特定位置的光源，它向所有方向发射光线，类似于灯泡。

csharp 复制代码

// 1.
const material = new THREE.MeshStandardMaterial({ color: 0xff0000 });

// 2.
const ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xffffff, 0.4);
scene.add(ambientLight);

// 3.
const directionalLight = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 1);
directionalLight.position.set(10, 0, 10);
scene.add(directionalLight);

因为MeshBasicMaterial不受光源的影像，所以需要将Material改成MeshStandardMaterial；

添加一个白色透明度为0.4的环境光，这个环境光会均匀地照亮场景中的所有物体表面，并且使用PBR（Physically-Based Rendering）渲染模型和材质自身的颜色进行混合得到新的颜色；

添加一个白色的方向光，方向光从(10, 0, 10)照向原点(10, 0, 10)，所以有两个面会收到这个方向光，表面的颜色会更偏亮。

阴影

在现实生活中，有光照的情况下会产生阴影，three.js也能很容易实现这种效果。

ini 复制代码

// 1. 渲染器能够渲染阴影效果
renderer.shadowMap.enabled = true;

// 2. 该方向会投射阴影效果
directionalLight.castShadow = true;

// 3. 
cube.castShadow = true;

// 4. 
const planeGeometry = new THREE.PlaneGeometry(20, 20);
const planeMaterial = new THREE.MeshStandardMaterial({ color: 0xffffff });
const planeMesh = new THREE.Mesh(planeGeometry, planeMaterial);
planeMesh.rotation.x = -0.5 * Math.PI;
planeMesh.position.set(0, -3, 0);
planeMesh.receiveShadow = true;
scene.add(planeMesh);

// 5. 方向光的辅助线
const directionalLightHelper = new THREE.DirectionalLightHelper(
  directionalLight
);
scene.add(directionalLightHelper); // 辅助线

将渲染器的shadowMap.enabled设置为true, 表示渲染器能够渲染阴影效果;

directionalLight.castShadow = true，表示该方向会投射阴影效果；

cube.castShadow = true, 表示该立方体会产生影像效果；

新建了一个平面，该平面能够接受投射过来的阴影效果；

为了清晰展示方向光的方向和位置，添加了一个辅助线。

纹理

除了颜色外，对几何体材质添加纹理是非常重要和常见的操作。我们接下来给平面和立方体添加纹理实现。

地板纹理

arduino 复制代码

// 1. 引入图片
import floor from "./images/floor_wood.jpeg";

// 2. 初始化纹理加载器
const textloader = new THREE.TextureLoader();

// 3. 给地板加载纹理
const planeMaterial = new THREE.MeshStandardMaterial({
  map: textloader.load(floor),
});

立方体纹理

前面方式添加的纹理会给几何体的每个面都设置为相同的纹理，接下来我们为不同的面设置不同的纹理。

arduino 复制代码

// 立方体的顶部纹理
import grass_top from "./images/grass_top.png";
// 立方体的侧边纹理
import grass_side from "./images/grass_side.png";
// 立方体的底部纹理
import grass_bottom from "./images/grass_bottom.png";

const geometry = new THREE.BoxGeometry(4, 4, 4);
const material = [
  new THREE.MeshBasicMaterial({
    map: textloader.load(grass_side),
  }),
  new THREE.MeshBasicMaterial({
    map: textloader.load(grass_side),
  }),
  new THREE.MeshBasicMaterial({
    map: textloader.load(grass_top),
  }),
  new THREE.MeshBasicMaterial({
    map: textloader.load(grass_bottom),
  }),
  new THREE.MeshBasicMaterial({
    map: textloader.load(grass_side),
  }),
  new THREE.MeshBasicMaterial({
    map: textloader.load(grass_side),
  }),
];
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);

在构造Mesh对象的时候，传入6个MeshBasicMaterial对象的数组，数组的纹理顺序是: x正方向轴的面，x负方向轴的面，y正方向轴的面，y负方向轴的面，z正方向轴的面，z负方向轴的面.