Three.js快速入门指南

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

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

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：

• 视野（The field of biew）

1. 视野（fov）以度为单位表示，表示视觉角度的大小。
2. 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。
3. 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。

1. 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；
2. 创建场景；
3. 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；
4. 创建了一个坐标辅助线物体，用来识别坐标位置；
5. 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：

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

或者单独设置

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

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。

// 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);

1. 创建长宽高都为4的立方几何体；
2. 立方体的表明颜色为红色的材质；
3. 将集合体和材质组合为Mesh对象；
4. 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

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

• 不断旋转角度

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

1. 通过 requestAnimationFrame 不断的回调animate函数；
2. 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。

function animate(){
    requestAnimationFrame(animate);
    
    const elapsedTime = clock.getElapsedTime(); // 返回已经过去的时间，以秒
    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。

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。

// 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);

1. 因为MeshBasicMaterial 不受光源的影响，所以需要将Material改成MeshStandardMaterial；
2. 添加一个彩色透明度为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；
3. 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。

// 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

1. 将渲染器的shadowMap.enabled设置为true，表示渲染器能够渲染阴影效果；
2. directionalLight.castShadow = true，表示该方向会投射阴影效果；
3. cube.castShadow = true，表示该立方体会产生影像效果；
4. 新建了一个平面，该平面能够接受投射过来的阴影效果；
5. 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

// 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.MeshStandarMaterial({
    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。

// 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);
cosnt 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。