Three.js快速入门教程

时间:2020-05-15 lijunfan1994 人气:0

引言

本文主要是讲解Three.js的相关概念，帮助读者对Three.js以及相关知识形成比较完整的理解。

近年来web得到了快速的发展。随着HTML5的普及，网页的表现能力越来越强大。网页上已经可以做出很多复杂的动画，精美的效果。
但是，人总是贪的。那么，在此之上还能做什么呢？其中一种就是通过WebGL在网页中绘制高性能的3D图形。

OpenGL,WebGL到Three.js

OpenGL大概许多人都有所耳闻，它是最常用的跨平台图形库。
WebGL是基于OpenGL设计的面向web的图形标准，提供了一系列JavaScript API，通过这些API进行图形渲染将得以利用图形硬件从而获得较高性能。
而Three.js是通过对WebGL接口的封装与简化而形成的一个易用的图形库。

简单点的说法：WebGL可以看成是浏览器给我们提供的接口，在javascript中可以直接用这些API进行3D图形的绘制；而Three.js就是在这些接口上又帮我们封装得更好用一些。

WebGL与Three.js对比

既然有了WebGL，我们为什么还需要Three.js？
这是因为WebGL门槛相对较高，需要相对较多的数学知识。虽然WebGL提供的是面向前端的API，但本质上WebGL跟前端开发完全是两个不同的方向，知识的重叠很少。相关性只是他们都在web平台上，都是用javascript而已。一个前端程序员或许还熟悉解析几何，但是还熟悉线性代数的应该寥寥无几了（比如求个逆转置矩阵试试？），更何况使用中强调矩阵运算中的物理意义，这在教学中也是比较缺失的。
因此，前端工程师想要短时间上手WebGL还是挺有难度的。
于是，Three.js对WebGL提供的接口进行了非常好的封装，简化了很多细节，大大降低了学习成本。并且，几乎没有损失WebGL的灵活性。
因此，从Three.js入手是值得推荐的，这可以让你在较短的学习后就能面对大部分需求场景。

Three.js的学习问题

Three.js的入门是相对简单的，但是当我们真的去学的时候，会发现一个很尴尬的问题：相关的学习资料很少。
通常这种流行的库都有很完善的文档，很多时候跟着官方的文档或官方的入门教程学习就是最好的路线。但Three不是的，它的文档对初学者来说太过简明扼要。
不过官方提供了非常丰富的examples，几乎所有你需要的用法都在某个example中有所体现。但这些example不太适合用来入门，倒是适合入门之后的进一步学习。

这里推荐一些相对较好的教程：
Three.js入门指南
这是一份很好的Three.js 轻量级入门教程，作者文笔很好，基础知识讲解得简明易懂。

Three.js开发指南(第一版中文版)

Learning Three.js- Second Edition
Learning Three.js:The JavaScript 3D Library for WebGL是现在不多的也是最好的Three.js入门书，比较全面地讲解了Three.js的各种功能。
如果有能力的话，建议阅读英文版第二版，出版于2015年，与现在的Three.js区别很小。
中文版翻译自出版于2012年的原书第一版，大部分概念是适用的，但很多细节已经有所改变。
Three.js入门教程
这是对国外一份教程的翻译，一共六篇文章。讲解不多，更多的是展示各个基本功能怎么用。更适合有一些图形基础的同学。

当然，实际的学习过程中这些资料肯定是不太够的，遇到问题还是要自己去查资料。不过这里要提醒一下，Three.js的更新是相当频繁的，现在是r80版本，自2010年4月发布r1以来，这已经是第72个版本了(中间有的版本号跳过了)。因此，在网上找到的资料有些可能是不适合当前版本的，需要注意甄别(前面推荐的资料也都或多或少存在这样的问题)。

Three.js中的一些概念

要在屏幕上展示3D图形，思路大体上都是这样的：

构建一个三维空间
Three中称之为场景(Scene)选择一个观察点，并确定观察方向/角度等
Three中称之为相机(Camera)在场景中添加供观察的物体
Three中的物体有很多种，包括Mesh,Line,Points等，它们都继承自Object3D类将观察到的场景渲染到屏幕上的指定区域
Three中使用Renderer完成这一工作

下面来具体看一看Three中的这些概念。

Scene

场景是所有物体的容器，也对应着我们创建的三维世界。

Camera 坐标系

Camera是三维世界中的观察者，为了观察这个世界，首先我们要描述空间中的位置。

左手/右手坐标系

Three中使用采用常见的右手坐标系定位。

三维投影

Three中的相机有两种，分别是正投影相机THREE.OrthographicCamera和透视投影相机THREE.PerspectiveCamera。

这里写图片描述

正交投影与透视投影的区别如上图所示，左图是正交投影，物体发出的光平行地投射到屏幕上，远近的方块都是一样大的；右图是透视投影，近大远小，符合我们平时看东西的感觉。
维基百科：三维投影

正交投影相机

正交投影相机

注：图中的”视点”对应着Three中的Camera。
这里补充一个视景体的概念：视景体是一个几何体，只有视景体内的物体才会被我们看到，视景体之外的物体将被裁剪掉。这是为了去除不必要的运算。
正交投影相机的视景体是一个长方体，OrthographicCamera的构造函数是这样的：OrthographicCamera( left, right, top, bottom, near, far )
Camera本身可以看作是一个点，left则表示左平面在左右方向上与Camera的距离。另外几个参数同理。于是六个参数分别定义了视景体六个面的位置。

可以近似地认为，视景体里的物体平行投影到近平面上，然后近平面上的图像被渲染到屏幕上。

透视投影相机

透视投影相机

透视投影相机的视景体是个四棱台，它的构造函数是这样的：PerspectiveCamera( fov, aspect, near, far )
fov对应着图中的视角，是上下两面的夹角。aspect是近平面的宽高比。在加上近平面距离near，远平面距离far，就可以唯一确定这个视景体了。
透视投影相机很符合我们通常的看东西的感觉，因此大多数情况下我们都是用透视投影相机展示3D效果。

Objects

有了相机，总要看点什么吧？在场景中添加一些物体吧。
Three中供显示的物体有很多，它们都继承自Object3D类，这里我们主要看一下Mesh和Points两种。

Mesh

我们都知道，计算机的世界里，一条弧线是由有限个点构成的有限条线段连接得到的。线段很多时，看起来就是一条平滑的弧线了。
计算机中的三维模型也是类似的，普遍的做法是用三角形组成的网格来描述，我们把这种模型称之为Mesh模型。

Mesh Model

这是那只著名的斯坦福兔子。它在3D图形中的地位与数字图像处理领域中著名的lena是类似的。
看这只兔子，随着三角形数量的增加，它的表面越来越平滑/准确。

在Three中，Mesh的构造函数是这样的：Mesh( geometry, material )
geometry是它的形状，material是它的材质。
不止是Mesh，创建很多物体都要用到这两个属性。下面我们来看看这两个重要的属性。

Geometry

Geometry，形状，相当直观。Geometry通过存储模型用到的点集和点间关系(哪些点构成一个三角形)来达到描述物体形状的目的。
Three提供了立方体(其实是长方体)、平面(其实是长方形)、球体、圆形、圆柱、圆台等许多基本形状；
你也可以通过自己定义每个点的位置来构造形状；
对于比较复杂的形状，我们还可以通过外部的模型文件导入。

Material

Material，材质，这就没有形状那么直观了。
材质其实是物体表面除了形状以为所有可视属性的集合，例如色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度。
这里讲一下材质(Material)、贴图(Map)和纹理(Texture)的关系。
材质上面已经提到了，它包括了贴图以及其它。
贴图其实是‘贴'和‘图'，它包括了图片和图片应当贴到什么位置。
纹理嘛，其实就是‘图'了。
Three提供了多种材质可供选择，能够自由地选择漫反射/镜面反射等材质。

Points

讲完了Mesh，我们来看看另一种Object——Points。
Points其实就是一堆点的集合，它在之前很长时间都被称为ParticleSystem(粒子系统)，r68版本时更名为PointCloud,r72版本时才更名为Points。更名主要是因为，Mr.doob认为，粒子系统应当是包括粒子和相关的物理特性的处理的一套完整体系，而Three中的Points简单得多。因此最终这个类被命名为Points。
Points能够用来实现的典型效果是这样的：官方example

Light

神说：要有光！
光影效果是让画面丰富的重要因素。
Three提供了包括环境光AmbientLight、点光源PointLight、聚光灯SpotLight、方向光DirectionalLight、半球光HemisphereLight等多种光源。
只要在场景中添加需要的光源就好了。

Renderer

在场景中建立了各种物体，也有了光，还有观察物体的相机，是时候把看到的东西渲染到屏幕上了。这就是Render做的事情了。
Renderer绑定一个canvas对象，并可以设置大小，默认背景颜色等属性。
调用Renderer的render函数，传入scene和camera，就可以把图像渲染到canvas中了。

让画面动起来

现在，一个静态的画面已经可以得到了，怎么才能让它动起来？
很简单的想法，改变场景中object的位置啊角度啊各种属性，然后重新调用render函数渲染就好了。
那么重新渲染的时机怎么确定？
HTML5为我们提供了requestAnimFrame，它会自动在每次页面重绘前调用传入的函数。
如果我们一开始这样渲染：

function render()
{
 renderer.render(scene, camera);
}

只需要改成这样：

function render()
{
 requestAnimationFrame(render);
 object.position.x += 1;
 renderer.render(scene, camera);
}

object就可以动起来了！

举个栗子

下面我们用一个简单的例子来梳理一下这个过程。
首先写一个有Canvas元素的页面吧。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
 <meta charset="UTF-8">
 <title>立方体</title>
 <script src="http://sqimg.qq.com/qq_product_operations/mma/javanli_test/lib/three.min.js"></script>
 <style type="text/css">
 html, body {
 margin: 0;
 padding: 0;
 }
 #three_canvas {
 position: absolute;
 width: 100%;
 height: 100%;
 }
 </style>
</head>
<body>
 <canvas id="three_canvas"></canvas>
</body>
</html>

下面来做Javascript的部分
首先初始化Renderer

function initRenderer() {
 width = document.getElementById('three_canvas').clientWidth;
 height = document.getElementById('three_canvas').clientHeight;
 renderer = new THREE.WebGLRenderer({
 //将Canvas绑定到renderer
 canvas: document.getElementById('three_canvas')
 });
 renderer.setSize(width, height);//将渲染的大小设为与Canvas相同
 renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1.0);//设置默认颜色与透明度
}

初始化场景:

function initScene() {
 scene = new THREE.Scene();
}

初始化相机：

function initCamera() {
 //简单的正交投影相机，正对着视口的中心，视口大小与Canvas大小相同。
 camera = new THREE.OrthographicCamera(width / -2, width / 2, height / 2, height / -2, 1, 1000);
 //设置相机的位置
 camera.position.x = 0;
 camera.position.y = 0;
 camera.position.z = 200;
 //设置相机的上方向
 camera.up.x = 0;
 camera.up.y = 1;
 camera.up.z = 0;
 //设置相机聚焦的位置(其实就是确定一个方向)
 camera.lookAt({
 x: 0,
 y: 0,
 z: 0
 });
}

要唯一确定一个相机的位置与方向，position、up、lookAt三个属性是缺一不可的。
这里我们创建了一个正交投影相机，这里我将视景体大小与屏幕分辨率保持一致只是为了方便，这样坐标系中的一个单位长度就对应屏幕的一个像素了。
我们将相机放在Z轴上，面向坐标原点，相机的上方向为Y轴方向，注意up的方向和lookAt的方向必然是垂直的（类比自己的头就知道了）。

下面添加一个立方体到场景中：

function initObject() {
 //创建一个边长为100的立方体
 var geometry = new THREE.CubeGeometry(100, 100, 100);
 object = new THREE.Mesh(geometry, new THREE.MeshNormalMaterial());
 scene.add(object);
}

注意我们使用了法向材质MeshNormalMaterial，这样立方体每个面的颜色与这个面对着的方向是相关的，更便于观察/调试。

在这个简单的demo里我不打算添加光影效果，而法向材质对光也是没有反应的。
最后来创建一个动画循环吧

function render() {
 requestAnimationFrame(render);
 object.rotation.x += 0.05;
 object.rotation.y += 0.05;
 renderer.render(scene, camera);
}

每次重绘都让这个立方体转动一点点。
当页面加载好时，调用前面这些函数就好了

function threeStart() {
 initRenderer();
 initCamera();
 initScene();
 initObject();
 render();
}
window.onload = threeStart();

完整的demo是这个样子的：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
 <meta charset="UTF-8">
 <title>立方体</title>
 <script src="http://sqimg.qq.com/qq_product_operations/mma/javanli_test/lib/three.min.js"></script>
 <style type="text/css">
 html, body {
 margin: 0;
 padding: 0;
 }

 #three_canvas {
 position: absolute;
 width: 100%;
 height: 100%;
 }
 </style>
</head>
<body>
<canvas id="three_canvas"></canvas>
<script>
 var renderer, camera, scene, light, object;
 var width, height;
 function initRenderer() {
 width = document.getElementById('three_canvas').clientWidth;
 height = document.getElementById('three_canvas').clientHeight;
 renderer = new THREE.WebGLRenderer({
 canvas: document.getElementById('three_canvas')
 });
 renderer.setSize(width, height);
 renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1.0);
 }

 function initCamera() {
 camera = new THREE.OrthographicCamera(width / -2, width / 2, height / 2, height / -2, 1, 1000);
 camera.position.x = 0;
 camera.position.y = 0;
 camera.position.z = 200;
 camera.up.x = 0;
 camera.up.y = 1;
 camera.up.z = 0;
 camera.lookAt({
 x: 0,
 y: 0,
 z: 0
 });
 }
 function initScene() {
 scene = new THREE.Scene();
 }
 function initObject() {
 var geometry = new THREE.CubeGeometry(100, 100, 100);
 object = new THREE.Mesh(geometry, new THREE.MeshNormalMaterial());
 scene.add(object);
 }
 function render() {
 requestAnimationFrame(render);
 object.rotation.x += 0.05;
 object.rotation.y += 0.05;
 renderer.render(scene, camera);
 }
 function threeStart() {
 initRenderer();
 initCamera();
 initScene();
 initObject();
 render();
 }
 window.onload = threeStart();
</script>
</body>
</html>

保存为html后打开，在屏幕中央会显示这样一个转动的立方体

cube

小结

对Three.js的介绍就到这里了，本文对Three中的重要组件基本上都有提到。其实想要总结的东西还有很多，但写在这一篇里可能会显得很累赘，这篇文章的初衷是想要读者读后对Three.js有一个直观的大体上的理解，并不打算牵涉太多细节。

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