W.js ,一个超级小的三维 WebGL 引擎的使用方法

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前言

我们知道,在网页上搞三维,three.jsbabylon.js 都是成熟最佳的选择,可是有时候它们体积又显得太大了。

我以前有研究过各种网页三维引擎,体积都挺大。我为什么要找体积小的呢?因为我对三维一窍不通,体积小让我有对它运行方式的探索欲。

我曾经找过一个最小的 https://github.com/wakufactory/wwg ,这个只有不到 10 kb 大小,但感觉有点太底层了。

后来我又找到了这个, https://github.com/xem/W/ ,它的官网是 https://xem.github.io/W/ ,这个显然做的用心多了,因为它是为极致小体积的JS游戏提供三维解决方案而设计,所以语法非常精妙,玩了一会儿,感觉很有意思。今天我就来分享一下它的使用(它官网上写的教程文档太简短了...)。

阅读它的源代码,可能需要一些 WebGL 的知识,大家可以在 https://www.cnblogs.com/duyuanshang/p/18791113 这里简单入门 ~

它的特点

它可以引入 3D 模型(OBJ 格式),上色纹理透明度也可以调,而且还可以搞灯光!总共体积只有个位数 KB 大小。

动画、索引等也支持。还不错。极致迷你版的 three.js ,不过仓库有两年没有维护过了,我真想好好的将其源码研究透,并继续迭代优化更强大和实用的功能。

它的特性是「微小」,这是它的关键特性。作者 xem 说:"我开发 W 的主要目标是针对大小受限的游戏马拉松(例如 js13kgames.com)"。

API

在官网只列出了以下几个 API,不过我觉得很够用了!把最复杂的 Webgl 里的操作封装起来,怎么都要比类似于计算器只提供加减按键要好。

javascript 复制代码
// 初始化框架
W.reset(canvasElement);

// 设置清屏颜色(默认为"#fff")
W.clearColor("#rgb");

// 设置相机
// 参数:位置(x,y,z),旋转角度(rx,ry,rz),视野(fov)
W.camera({x, y, z, rx, ry, rz, fov});

// 设置光源方向
W.light({x, y, z});

// 设置环境光强度(0到1之间)
W.ambient(f);

// 创建对象组:名称,位置,旋转
W.group({n, x, y, z, rx, ry, rz});

// 绘制内置3D对象
// 参数:所属组,名称,尺寸,位置,旋转,背景,纹理,平滑度...
let settings = {g, n, size, x, y, z, rx, ry, rz, b, t, mix, s, ns, mode};
W.plane(settings); // 平面
W.billboard(settings); // 公告板
W.cube(settings); // 立方体
W.pyramid(settings); // 金字塔
W.sphere(settings); // 球体

// 添加并绘制自定义3D模型(见下方OBJ文件加载器)
W.add("custom_model", { vertices, uv, indices });
W.custom_model(settings);

// 移动/缩放组或对象:名称,位置,旋转,动画效果,延迟(毫秒)
W.move({n, size, x, y, z, rx, ry, rz, a}, delay);

// 也可以使用M参数设置自定义变换矩阵
W.move({n, M}, delay);

// 移动相机/光源:参数设置,动画效果,延迟
W.camera({x, y, z, rx, ry, rz, a}, delay);
W.light({x, y, z, a}, delay);

// 删除元素:名称,延迟
W.delete(n, delay);

入门使用

下面是一个最极简的使用:

(可以试试在 https://img1.ccgxk.com/htmleditor/index.html 这个页面调试代码)

html 复制代码
<script src="https://img1.ccgxk.com/wjs/w.js"></script>
<canvas width="450" height="430" id=canvasElement>
<script>
    onload = () => {
        W.reset(canvasElement);  // 初始化
        
        W.camera({x:9,y:8,z:20,rx:-13,ry:15});  // 摄像机位置,视角 15 度
        
        W.cube({x:5,w:10,h:.5,d:.5,b:"f44"});  // (放置)立方体        
        W.cube({y:5,h:10,w:.5,d:.5,b:"4f4"});  // x y z 是位置
        W.cube({z:5,d:10,w:.5,h:.5,b:"44f"});  // w h 是宽高, b 是背景
        
        W.pyramid({size:1,x:10,rz:-90,b:"f44"});  // 金字塔
        W.pyramid({size:1,y:10,b:"4f4"});  // rz 等是旋转,size 是大小
        W.pyramid({size:1,z:10,rx:90,b:"44f"});
        
        // 下面是一个摄像机的模型
        W.group({n:"cam"});  // 创建一个组(cam),n 代表名称
        W.cube({g:"cam",w:2,h:2,d:4});  // 立方体,g 代表所属的组
        W.pyramid({g:"cam",w:3,h:2,d:3,z:-3,rx:90});  // 金字塔,也属于那个组
    }
</script>

我将它的核心库 w.js ,传到了我的 CDN 上:

带注释版: https://img1.ccgxk.com/wjs/w.js (23.8 kB) ,

压缩版: https://img1.ccgxk.com/wjs/min/w.min.js (9.9kb),大家感兴趣可以下载

效果如下:

三个立方体被搞成了长方体,三个金字塔体,外加一个像摄像机一样的组合(一个正方体和一个金字塔体)。

js 复制代码
W.light({x:0,y:-1,z:0});  // 环境光的方向
W.ambient(0.22);  // 环境光的强度
W.clearColor("#FFFFFF");  // 背景颜色(白色)

如果向 js 后面追加以上的代码,还可以设置环境光的方向、强度,以及背景颜色。这便是入门了!

内置模型

这个迷你的库里,甚至内置了五种最常用的模型:

  • W.plane :一个平面
  • W.billboard :一个始终对着摄像头的平面
  • W.cube :立方体
  • W.pyramid :金字塔
  • W.sphere :球

这样写,就是设置一个模型了:

js 复制代码
W.cube({x:5,w:10, h:.5,d:.5,b:"f44"});

内部的属性是这样解释的:

名称:

  • n 就是 name ,名称
  • g 就是所属的 group 组合名

大小:

  • w h d 设置宽度、高度、纵深,默认 1
  • size 就是将 w 和 h d 设置成一样的值,默认 1

位置:

  • x y z 是位置,默认 0 0 0
  • rx ry rz 是旋转,默认 0 0 0
  • M:自定义变换矩阵(Array(16),替换 x, y, z, rx, ry, rz)

纹理:

  • b 是背景颜色,是一个 #rgb 颜色,默认 #888 (井号 # 可以省略)
  • t 是背景纹理,一个存在于 DOM 中的 IMG、CANVAS 或 VIDEO 元素
  • mix 是混合纹理,要求同时设置了背景颜色 b 和背景纹理 t,然后混合。0 代表完全纹理, 1 代表完全颜色

渲染:

  • s 是平滑着色,默认为 false。这个需要完整版的库。
  • mode 绘图方式,是 webgl 里的内容,这里默认是 TRIANGLES,常用的有 LINE_LOOP 线框...
  • ns: 默认情况下,形状将根据方向光进行着色,但可以通过此"无着色"选项禁用

这五个形状就在这里了:

html 复制代码
<script src="https://img1.ccgxk.com/wjs/w.js"></script>
<canvas width="450" height="430" id=canvasElement>
<script>
    onload = () => {
        W.reset(canvasElement);
          W.group({n:"g"});
          W.camera({z:5});
          W.light({z:-1});
          W.plane({g:"g",n:"a",x:-1,y:1});
          W.billboard({g:"g",n:"b",x:1,y:1});
          W.cube({g:"g",n:"c",x:-1.5,y:-1});
          W.pyramid({g:"g",n:"d",x:0,y:-1});
          W.sphere({g:"g",n:"e",x:1.5,y:-1});
    }
</script>

导入自己的模型

W 导入自己的模型很简单,第一步是将 OBJ 信息导入,第二步直接配置即可,如下所示,我把一个立方体搞了进去。

html 复制代码
<script src="https://img1.ccgxk.com/wjs/w.js"></script>
<canvas width="450" height="430" id=canvasElement>
<script>
    onload = () => {
        W.reset(canvasElement);
          W.group({n:"g"});
          W.camera({z:5});
          W.light({z:-1});
          
          W.add("cubeobj", {  // 添加一个自定义模型
              vertices: [1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1],
              indices: [0,1,2,0,2,3,4,7,6,4,6,5,1,5,6,1,6,2,2,6,7,2,7,3,4,0,3,4,3,7,0,4,5,0,5,1]
          });
          W.cubeobj({n:"M", x:2});  // 配置到视图
    }
</script>

那个 OBJ 模型呢,常用的三种数据为:

javascript 复制代码
W.add("model", {vertices: [...], uv: [...], indices: [...]});
  • vertices : 这个必须要有,是顶点数据
  • uv:这个可选,是 uv 纹理坐标数组,如果你有纹理的话
  • indices:如果模型使用索引缓冲区,这个就是索引数组

注意,默认采用的配置属性里,是应用的平面着色,而不是光溜溜的平滑着色。

这个网址 https://xem.github.io/W/obj2js/ 是一个工具,用于将 OBJ 文件转换为 W 自定义模型,同时也可以缩减一下体积之类的。

动画

这个是最好玩的!

html 复制代码
<script src="https://img1.ccgxk.com/wjs/w.js"></script>
<canvas width="450" height="430" id=canvasElement>
<script>
    onload = () => {
        W.reset(canvasElement);
          W.group({n:"g"});
          W.camera({z:5});
          W.light({z:-1});
          
          W.cube({n:'testCube',x:1, rx:30});  // 绘制一个立方体
          W.move({n:'testCube',x:1, rx:70, a:1000}, 3000);  // 三秒后执行一个时长一秒的动画
    }
</script>

W.move({}) 这个函数可以移动我们指定名称的物体,它的移动效果。

上面有两个参数,一个是 a:1000,一个是 3000,前者这个 a 如果不定义,则没有那种过渡的动画效果,也就是直接就变化了... 后面的 3000 则是动画延时,以毫秒为计。写多少,就多少毫秒后执行!

当然,不止如此,W.camera({})W.light({}) 可以直接移动摄像机和灯光:

html 复制代码
<script src="https://img1.ccgxk.com/wjs/w.js"></script>
<canvas width="450" height="430" id=canvasElement>
<script>
    onload = () => {
        W.reset(canvasElement);
          W.group({n:"g"});
          W.camera({z:5});
          W.light({z:-1});

          W.cube({n:'testCube',x:1, rx:30});
          W.move({n:'testCube', rx:70, a:1000}, 1000);  // 一秒后旋转

          W.camera({z:9, a:1000}, 3000);  // 三秒后摄像头移动
          W.light({z:-0.1, a:3000}, 5000);  // 五秒后灯光移动
    }
</script>

自定义投影矩阵

默认的投影方式是视角投影,大概意思是近小远大,符合人眼。

W.js 支持自定义投影,我们在里面可以导入我们的投影矩阵。

比如正交投影,物体无论远近,大小都看起来一样。

html 复制代码
<script src="https://img1.ccgxk.com/wjs/w.js"></script>
<canvas id=c5 width=320 height=340></canvas>
<label><input type=radio name=p id=p1 checked>视角投影(默认)</label>
<label><input type=radio name=p id=p2>正交投影(自定义)</label>
 
<script>
// 投影计算函数
orthogonal = ({left, right, top, bottom, near, far }) => {
  return new DOMMatrix([
    2 / (right - left), 0, 0, 0,
    0, 2 / (top - bottom), 0, 0,
    0, 0, -2 / (far - near), 0,
    -(right + left) / (right - left), -(top + bottom) / (top - bottom), -(far + near) / (far - near), 1
  ]);
}

onload = () => {
  W.reset(c5);
  W.light({x:.5,y:0,z:-.5});
  W.camera({x:4.5,y:2,z:0,rx:-20,ry:30,fov:22});
  
  W.cube({x:-2,y:-2,z:-6,b:"146"});
  W.pyramid({x:0,y:-2,z:-6,b:"146"});
  W.sphere({x:2,y:-2,z:-6,b:"146"});
  
  W.cube({x:-2,y:-1,z:-8});
  W.pyramid({x:0,y:-1,z:-8});
  W.sphere({x:2,y:-1,z:-8});
  
  W.cube({x:-2,y:0,z:-10,b:"16f8"});
  W.pyramid({x:0,y:0,z:-10,b:"16f8"});
  W.sphere({x:2,y:0,z:-10,b:"16f8"});
  
  onchange = oninput = () => {
    if(p1.checked){  // 如果是视角投影
        W.camera({x:4.5,y:2,z:0,rx:-20,ry:30,fov:22});
    } else {  // 如果是正交投影
        W.projection = orthogonal({left:-4,right:4,top:4,bottom:-4,near:1,far:99});
        W.camera({x:4.5,y:2,z:0,rx:-20,ry:30});
    }
  }
};
</script>

在这个例子中,右下角有个单选框,可以切换投影方式:

视角投影:

正交投影:

当然,这个启用方式是手动启用的。我发现直接写到代码里,好像不怎么管用...

摄像机与主角绑定

根据官网的例子,我做了下精简:

html 复制代码
<script src="https://img1.ccgxk.com/wjs/w.js"></script>
<canvas id=c width=320 height=300></canvas>
<table style="text-align:center;margin:10px">
<tr>
<td colspan=2>
<button id=u>前</button>
<tr>
<td>
<button id=l>左</button>
<td>
<button id=r>右</button>
<tr>
<td colspan=2>
<button id=d>后</button>
</table>
<script>
onload = () => {
  keys = {u:0, l:0, r:0, d:0};
  W.ambient(0.7);
  W.reset(c);
  W.light({x:.5,y:-.3,z:-.5});
  for(i = 0; i < 10; i++){
    for(j = 0; j < 10; j++){
      W.billboard({size:3,x:(i-5)*5,z:(j-5)*5,ns:1, b:"555"});
    }
  }
  W.sphere({n:"M",size:1,y:-.9, z:18,rx:-90,ry:0, b:"ccc",s:1});
  W.sphere({g:"M", n:"head",size:0.6,y:0, z:0.6, rx:-90,ry:0, b:"ccc",s:1});   // 头绑定身体 M,注意,坐标以 M 为基准
  W.camera({g:"M",z:.5,y:-2.5,rx:90});  // 摄像机,此时它的 g 属性为主角 sphere 的 n 属性,摄像机与主角绑定
  W.clearColor("8Af");
  W.plane({g:"camera",size:150,b:"3d2",z:-100,y:-75, ns:1});
  X = 0;
  Z = 18;
  RY = 0;
  onmousedown = e => {
    keys[e.target.id] = 1;
  }
  onmouseup = e => {
    keys[e.target.id] = 0;
  }
  setInterval(()=>{  // 很巧妙的函数,将移动的坐标记录到了变量里
    if(keys.u || keys.d)
    W.move({n:"M", z: Z += (-keys.u + keys.d) * Math.cos(RY*Math.PI/180) / 40, x: X += (-keys.u + keys.d) * Math.sin(RY*Math.PI/180) / 40});
    
    if(keys.r || keys.l){
      RY += (-keys.r + keys.l)/4;
      W.move({n:"M", ry: RY});
    }
  });
}
</script>

按下前后左右,摄像机会随着球而运动。这是因为下面这两行代码将两者绑定到了一起:

javascript 复制代码
W.sphere({n:"M",size:1,y:-.9,z:18,rx:-90,ry:0, b:"ccc",s:1});
W.camera({g:"M",z:.5,y:-2.5,rx:90});  // 摄像机,此时它的 g 属性为主角 sphere 的 n 属性,摄像机与主角绑定

顺便一提,W 库里面是无法访问当前某元素的坐标情况的,所以需要我们使用第三方的变量来记录。

解除绑定

为了更便于理解,这次搞的是一个「头身分离」的动作。

将下面的代码追加入上一小节的代码:

html 复制代码
<button id="headBodySeparation">头身分离</button>
<script>
    headBodySeparation.onclick = function(){
        W.sphere({g:null, n:"head",size:0.6,y:0, x:X, z:Z, rx:-90,ry:RY, b:"ccc",s:1});  // 只要将 `g` 设置为 null,就等于解除绑定了
    }
</script>

移动到合适的位置后,我们单击这个「头身分离」的按键,这样「头」就和「身体」解除绑定了!摄像机也一样,我们感兴趣可以尝试一下!

至此,10kb 大小的 W.js 这个三维引擎 JS 库的主要学习内容就完成了。(当然,还有个 自定义变换矩阵 的知识点,不过看起来用处不大就不说了)