ThreeJS快速入門

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引言

本文主要是講解Three.js的相關概念，幫助讀者對Three.js以及相關知識形成比較完整的理解。n

近年來web得到了快速的發展。隨著HTML5的普及，網頁的表現能力越來越強大。網頁上已經可以做出很多複雜的動畫，精美的效果。

但是，人總是貪的。那麼，在此之上還能做什麼呢？其中一種就是通過WebGL在網頁中繪製高性能的3D圖形。

OpenGL,WebGL到Three.js

OpenGL大概許多人都有所耳聞，它是最常用的跨平台圖形庫。

WebGL是基於OpenGL設計的面向web的圖形標準，提供了一系列JavaScript API，通過這些API進行圖形渲染將得以利用圖形硬體從而獲得較高性能。

而Three.js是通過對WebGL介面的封裝與簡化而形成的一個易用的圖形庫。

簡單點的說法：WebGL可以看成是瀏覽器給我們提供的介面，在javascript中可以直接用這些API進行3D圖形的繪製；而Three.js就是在這些介面上又幫我們封裝得更好用一些。

WebGL與Three.js對比

既然有了WebGL，我們為什麼還需要Three.js？

這是因為WebGL門檻相對較高，需要相對較多的數學知識。雖然WebGL提供的是面向前端的API，但本質上WebGL跟前端開發完全是兩個不同的方向，知識的重疊很少。相關性只是他們都在web平台上，都是用javascript而已。一個前端程序員或許還熟悉解析幾何，但是還熟悉線性代數的應該寥寥無幾了（比如求個逆轉置矩陣試試？），更何況使用中強調矩陣運算中的物理意義，這在教學中也是比較缺失的。

因此，前端工程師想要短時間上手WebGL還是挺有難度的。

於是，Three.js對WebGL提供的介面進行了非常好的封裝，簡化了很多細節，大大降低了學習成本。並且，幾乎沒有損失WebGL的靈活性。

因此，從Three.js入手是值得推薦的，這可以讓你在較短的學習後就能面對大部分需求場景。

Three.js的學習問題

Three.js的入門是相對簡單的，但是當我們真的去學的時候，會發現一個很尷尬的問題：相關的學習資料很少。

通常這種流行的庫都有很完善的文檔，很多時候跟著官方的文檔或官方的入門教程學習就是最好的路線。但Three不是的，它的文檔對初學者來說太過簡明扼要。

不過官方提供了非常豐富的examples，幾乎所有你需要的用法都在某個example中有所體現。但這些example不太適合用來入門，倒是適合入門之後的進一步學習。

這裡推薦一些相對較好的教程：

Three.js入門指南

這是一份很好的Three.js 輕量級入門教程，作者文筆很好，基礎知識講解得簡明易懂。

Three.js開發指南(第一版中文版)

Learning Three.js- Second Edition

Learning Three.js:The JavaScript 3D Library for WebGL是現在不多的也是最好的Three.js入門書，比較全面地講解了Three.js的各種功能。

如果有能力的話，建議閱讀英文版第二版，出版於2015年，與現在的Three.js區別很小。

中文版翻譯自出版於2012年的原書第一版，大部分概念是適用的，但很多細節已經有所改變。

Three.js入門教程

這是對國外一份教程的翻譯，一共六篇文章。講解不多，更多的是展示各個基本功能怎麼用。更適合有一些圖形基礎的同學。

當然，實際的學習過程中這些資料肯定是不太夠的，遇到問題還是要自己去查資料。不過這裡要提醒一下，Three.js的更新是相當頻繁的，現在是r80版本，自2010年4月發布r1以來，這已經是第72個版本了(中間有的版本號跳過了)。因此，在網上找到的資料有些可能是不適合當前版本的，需要注意甄別(前面推薦的資料也都或多或少存在這樣的問題)。

Three.js中的一些概念

要在屏幕上展示3D圖形，思路大體上都是這樣的：

構建一個三維空間
- Three中稱之為場景(Scene)
選擇一個觀察點，並確定觀察方向/角度等
- Three中稱之為相機(Camera)
在場景中添加供觀察的物體
- Three中的物體有很多種，包括Mesh,Line,Points等，它們都繼承自Object3D類
將觀察到的場景渲染到屏幕上的指定區域
- Three中使用Renderer完成這一工作

下面來具體看一看Three中的這些概念。

Scene

場景是所有物體的容器，也對應著我們創建的三維世界。

Camera

坐標系

Camera是三維世界中的觀察者，為了觀察這個世界，首先我們要描述空間中的位置。

Three中使用採用常見的右手坐標系定位。

三維投影

Three中的相機有兩種，分別是正投影相機THREE.OrthographicCamera和透視投影相機THREE.PerspectiveCamera。

正交投影與透視投影的區別如上圖所示，左圖是正交投影，物體發出的光平行地投射到屏幕上，遠近的方塊都是一樣大的；右圖是透視投影，近大遠小，符合我們平時看東西的感覺。

維基百科：三維投影

正交投影相機

註：圖中的」視點」對應著Three中的Camera。

這裡補充一個視景體的概念：視景體是一個幾何體，只有視景體內的物體才會被我們看到，視景體之外的物體將被裁剪掉。這是為了去除不必要的運算。

正交投影相機的視景體是一個長方體，OrthographicCamera的構造函數是這樣的：OrthographicCamera( left, right, top, bottom, near, far )

Camera本身可以看作是一個點，left則表示左平面在左右方向上與Camera的距離。另外幾個參數同理。於是六個參數分別定義了視景體六個面的位置。

可以近似地認為，視景體里的物體平行投影到近平面上，然後近平面上的圖像被渲染到屏幕上。

透視投影相機

透視投影相機的視景體是個四稜台，它的構造函數是這樣的：PerspectiveCamera( fov, aspect, near, far )

fov對應著圖中的視角，是上下兩面的夾角。aspect是近平面的寬高比。在加上近平面距離near，遠平面距離far，就可以唯一確定這個視景體了。

透視投影相機很符合我們通常的看東西的感覺，因此大多數情況下我們都是用透視投影相機展示3D效果。

Objects

有了相機，總要看點什麼吧？在場景中添加一些物體吧。

Three中供顯示的物體有很多，它們都繼承自Object3D類，這裡我們主要看一下Mesh和Points兩種。

Mesh

我們都知道，計算機的世界裡，一條弧線是由有限個點構成的有限條線段連接得到的。線段很多時，看起來就是一條平滑的弧線了。

計算機中的三維模型也是類似的，普遍的做法是用三角形組成的網格來描述，我們把這種模型稱之為Mesh模型。

這是那隻著名的斯坦福兔子。它在3D圖形中的地位與數字圖像處理領域中著名的lena是類似的。

看這隻兔子，隨著三角形數量的增加，它的表面越來越平滑/準確。

在Three中，Mesh的構造函數是這樣的：Mesh( geometry, material )

geometry是它的形狀，material是它的材質。

不止是Mesh，創建很多物體都要用到這兩個屬性。下面我們來看看這兩個重要的屬性。

Geometry

Geometry，形狀，相當直觀。Geometry通過存儲模型用到的點集和點間關係(哪些點構成一個三角形)來達到描述物體形狀的目的。

Three提供了立方體(其實是長方體)、平面(其實是長方形)、球體、圓形、圓柱、圓台等許多基本形狀；

你也可以通過自己定義每個點的位置來構造形狀；

對於比較複雜的形狀，我們還可以通過外部的模型文件導入。

Material

Material，材質，這就沒有形狀那麼直觀了。

材質其實是物體表面除了形狀以為所有可視屬性的集合，例如色彩、紋理、光滑度、透明度、反射率、折射率、發光度。

這裡講一下材質(Material)、貼圖(Map)和紋理(Texture)的關係。

材質上面已經提到了，它包括了貼圖以及其它。

貼圖其實是『貼』和『圖』，它包括了圖片和圖片應當貼到什麼位置。

紋理嘛，其實就是『圖』了。

Three提供了多種材質可供選擇，能夠自由地選擇漫反射/鏡面反射等材質。

Points

講完了Mesh，我們來看看另一種Object——Points。

Points其實就是一堆點的集合，它在之前很長時間都被稱為ParticleSystem(粒子系統)，r68版本時更名為PointCloud,r72版本時才更名為Points。更名主要是因為，Mr.doob認為，粒子系統應當是包括粒子和相關的物理特性的處理的一套完整體系，而Three中的Points簡單得多。因此最終這個類被命名為Points。

Points能夠用來實現的典型效果是這樣的：官方example

Light

神說：要有光！

光影效果是讓畫面豐富的重要因素。

Three提供了包括環境光AmbientLight、點光源PointLight、聚光燈SpotLight、方向光DirectionalLight、半球光HemisphereLight等多種光源。

只要在場景中添加需要的光源就好了。

Renderer

在場景中建立了各種物體，也有了光，還有觀察物體的相機，是時候把看到的東西渲染到屏幕上了。這就是Render做的事情了。

Renderer綁定一個canvas對象，並可以設置大小，默認背景顏色等屬性。

調用Renderer的render函數，傳入scene和camera，就可以把圖像渲染到canvas中了。

讓畫面動起來

現在，一個靜態的畫面已經可以得到了，怎麼才能讓它動起來？

很簡單的想法，改變場景中object的位置啊角度啊各種屬性，然後重新調用render函數渲染就好了。

那麼重新渲染的時機怎麼確定？

HTML5為我們提供了requestAnimFrame，它會自動在每次頁面重繪前調用傳入的函數。

如果我們一開始這樣渲染：

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

只需要改成這樣：

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

object就可以動起來了！

舉個栗子

下面我們用一個簡單的例子來梳理一下這個過程。

首先寫一個有Canvas元素的頁面吧。

下面來做Javascript的部分

首先初始化Renderer

function initRenderer() {n width = document.getElementById(three_canvas).clientWidth;n height = document.getElementById(three_canvas).clientHeight;n renderer = new THREE.WebGLRenderer({n //將Canvas綁定到renderern canvas: document.getElementById(three_canvas)n });n renderer.setSize(width, height);//將渲染的大小設為與Canvas相同n renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1.0);//設置默認顏色與透明度n}n

初始化場景:

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

初始化相機：

function initCamera() {n //簡單的正交投影相機，正對著視口的中心，視口大小與Canvas大小相同。n camera = new THREE.OrthographicCamera(width / -2, width / 2, height / 2, height / -2, 1, 1000);n //設置相機的位置n camera.position.x = 0;n camera.position.y = 0;n camera.position.z = 200;n //設置相機的上方向n camera.up.x = 0;n camera.up.y = 1;n camera.up.z = 0;n //設置相機聚焦的位置(其實就是確定一個方向)n camera.lookAt({n x: 0,n y: 0,n z: 0n });n}n

要唯一確定一個相機的位置與方向，position、up、lookAt三個屬性是缺一不可的。

這裡我們創建了一個正交投影相機，這裡我將視景體大小與屏幕解析度保持一致只是為了方便，這樣坐標系中的一個單位長度就對應屏幕的一個像素了。

我們將相機放在Z軸上，面向坐標原點，相機的上方向為Y軸方向，注意up的方向和lookAt的方向必然是垂直的（類比自己的頭就知道了）。

下面添加一個立方體到場景中：

function initObject() {n //創建一個邊長為100的立方體n var geometry = new THREE.CubeGeometry(100, 100, 100);n object = new THREE.Mesh(geometry, new THREE.MeshNormalMaterial());n scene.add(object);n}n

注意我們使用了法向材質MeshNormalMaterial，這樣立方體每個面的顏色與這個面對著的方向是相關的，更便於觀察/調試。

在這個簡單的demo里我不打算添加光影效果，而法向材質對光也是沒有反應的。

最後來創建一個動畫循環吧

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

每次重繪都讓這個立方體轉動一點點。

當頁面載入好時，調用前面這些函數就好了

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

完整的demo是這個樣子的：

<!DOCTYPE html>n<html>n<head>n <meta charset="UTF-8">n <title>立方體</title>n <script src="http://sqimg.qq.com/qq_product_operations/mma/javanli_test/lib/three.min.js"></script>n <style type="text/css">n html, body {n margin: 0;n padding: 0;n }nn #three_canvas {n position: absolute;n width: 100%;n height: 100%;n }n </style>n</head>n<body>n<canvas id="three_canvas"></canvas>n<script>n var renderer, camera, scene, light, object;n var width, height;n function initRenderer() {n width = document.getElementById(three_canvas).clientWidth;n height = document.getElementById(three_canvas).clientHeight;n renderer = new THREE.WebGLRenderer({n canvas: document.getElementById(three_canvas)n });n renderer.setSize(width, height);n renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1.0);n }nn function initCamera() {n camera = new THREE.OrthographicCamera(width / -2, width / 2, height / 2, height / -2, 1, 1000);n camera.position.x = 0;n camera.position.y = 0;n camera.position.z = 200;n camera.up.x = 0;n camera.up.y = 1;n camera.up.z = 0;n camera.lookAt({n x: 0,n y: 0,n z: 0n });n }n function initScene() {n scene = new THREE.Scene();n }n function initObject() {n var geometry = new THREE.CubeGeometry(100, 100, 100);n object = new THREE.Mesh(geometry, new THREE.MeshNormalMaterial());n scene.add(object);n }n function render() {n requestAnimationFrame(render);n object.rotation.x += 0.05;n object.rotation.y += 0.05;n renderer.render(scene, camera);n }n function threeStart() {n initRenderer();n initCamera();n initScene();n initObject();n render();n }n window.onload = threeStart();n</script>n</body>n</html>n

保存為html後打開，在屏幕中央會顯示這樣一個轉動的立方體

小結

對Three.js的介紹就到這裡了，本文對Three中的重要組件基本上都有提到。其實想要總結的東西還有很多，但寫在這一篇里可能會顯得很累贅，這篇文章的初衷是想要讀者讀後對Three.js有一個直觀的大體上的理解，並不打算牽涉太多細節。

祝好~