three.js 入门指南

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2024年06月17日 14:15 · 阅读数 31

引言

three.js 是什么？

three.js 是一款基于 WebGL 的 JavaScript 3D 渲染库，用于在 Web 浏览器中创建和展示交互式的 3D 场景，three.js 使得在网页上嵌入复杂的 3D 图形变得相对容易。

起源

three.js 是 2010 年由西班牙程序员 Ricardo Cabello（又名mrdoob）创建。当时，WebGL 技术开始兴起，为在浏览器中实现硬件加速的 3D 图形渲染提供了可能性。然而，直接使用原始的 WebGL API 来构建复杂的 3D 场景和交互性相对繁琐，这促使了 three.js 的诞生，three.js 通过提供一个简单而功能强大的 3D 图形库，极大地推动了 Web 上的 3D 内容的发展。

基础

安装和配置

下载与引入three.js库

// cdn 
<script type="importmap">
  {
    "imports": {
      "three": "https://unpkg.com/three@<version>/build/three.module.js",
      "three/addons/": "https://unpkg.com/three@<version>/examples/jsm/"
    }
  }
</script>

// 使用 npm 
npm install --save three

// 导入
import * as THREE from "three.js";
// three.js 包含 3D 引擎的基本要素，
// 而其他 three.js 组件，如控件（controls）、加载器（loaders）等则属于附加组件，
// 附加组件无需单独安装，但需要单独导入
// 例如：OBJLoader 用于加载 obj 类型模型
import { OBJLoader } from "three/addons/loaders/OBJLoader.js";
import { MTLLoader } from "three/addons/loaders/MTLLoader.js";
import { OrbitControls } from "three/addons/controls/OrbitControls.js";

  创建场景、相机和渲染器

    场景 （scene）、相机（camera）和渲染器（renderer）构成了 three.js 应用程序的基本结构。

    1. 场景：场景是我们能看到的一切的载体和容器，场景的中心是点(0,0,0)，也称为坐标系的原点。每当我们创建一个新对象并将其添加到我们的场景中时，默认它将被放置在原点。
```
// 创建一个场景
const scene = new THREE.Scene();
```
2. 相机： 要查看场景，需要打开一个进入这个领域的窗口，并将其转换为我们人眼感觉合理的东西，这就是相机的作用。有几种方法可以将场景图形转换为人类视觉友好的格式，使用称为投影的技术。对我们来说，最重要的投影类型是透视投影，使用的是PerspectiveCamera，它旨在匹配我们的眼睛看待世界的方式，是3D场景的渲染中使用得最普遍的投影模式。

透视相机需要四个参数来创建一个有边界的空间区域，叫做视锥体，参数如下：
- 视野角度： 定义了视锥体扩展的角度。小视角会产生窄截锥体，而宽视角会产生宽截锥体。
- 纵横比： 将视锥体与场景容器元素相匹配，设置为容器的宽度除以其高度时，可以确保将视锥体完整的展示在容器中。
- 近端面： 定义了视锥体的小端。
- 远端面： 定义了视锥体的大端。
视锥体示意图如下：
```
// 参数设置
const fov = 35; // 视锥体垂直视野角度
const aspect = window.innerWidth/ window.innerHeight; // 摄像机视锥体长宽比
const near = 0.1; // 视锥体近端面
const far = 100; // 视锥体远端面
// 创建透视相机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(fov, aspect, near, far); 
```
    透视相机投影示例如下：

    另一种重要的投影类型是正交投影，使用 OrthographicCamera，在这种投影模式下，无论物体距离相机距离远或者近，在最终渲染的图片中物体的大小都保持不变，常用于渲染2D场景。

    3. 渲染器： 渲染器将场景和相机里面的内容绘制在 <canvas> 上，呈现在屏幕上面。three.js 中最常用到渲染器是 WebGLRenderer，除了WebGLRenderer 外 three.js 同时提供了其他几种渲染器，当用户所使用的浏览器过于老旧，或者由于其他原因不支持 WebGL 时，可以使用其他渲染器进行降级。
```
// 创建渲染器
const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
```
除了创建渲染器，我们还需要设置一个渲染器的尺寸，我们可以使用所需要的渲染区域的宽高，来让渲染器渲染出的场景填充满我们的应用程序。因此，我们可以将渲染器宽高设置为浏览器窗口宽高，如下：
```
renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
```
然后需要将 renderer（渲染器）的 dom 元素（renderer.domElement）添加到 HTML 文档中。这就是渲染器用来显示场景给我们看的 <canvas> 元素。
```
document.body.appendChild( renderer.domElement );
```

最后需要将调用 render方法来绘制场景。

function render(){
    // 使用 renderer.render方法画出一帧
    renderer.render(scene, camera)
}

核心概念

场景、相机和渲染器构成了 three.js 的基本架构，并且它们却是不可见的。下面创建我们可以看到的对象。

几何体和材质

Mesh 是 three.js 中表示 3D 对象的一种基本结构，由几何体（Geometry ） 和材质（Material） 组成。Mesh将几何体和材质结合在一起，可以是简单的几何体，也可以是导入的 3D 模型，是在场景中渲染的基本单元。几何体定义了 Mesh的形状，材质定义了Mesh的表面属性。几何体告诉我们网格是一个盒子、一辆汽车或一只猫，而材质告诉我们它是一个金属盒子、一辆石质汽车或一只涂成红色的猫。

几何体定义了Mesh 的形状，three.js 核心提供了很多个基本形状，比如 BoxGeometry 、CapsuleGeometry、CircleGeometry等。

材质定义了 Mesh的表面的外观。three.js 自带了几种材质,如：MeshBasicMaterial、MeshPhongMaterial、MeshPhysicalMaterial等。

const length = 2;
const width = 2;
const depth = 2;
// 创建几何体
const geometry = new THREE.BoxGeometry( length, width, depth );
// 创建材质
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({color: 0x00ff00});
// 创建 Mesh 
const cube = new THREE.Mesh( geometry, material);
// 添加到场景中
scene.add( cube );

将 Mesh添加到场景中以后，除了 MeshBasicMaterial 材质外，是无法看到任何东西的，因为场景处于黑暗当中，需要添加灯光。MeshBasicMaterial 是一种不受光照影响的材质。

光源和阴影

three.js 中的灯光分为两种类型，直接光照和环境光，环境光对性能更加友好，阴影效果以增强场景的真实感，但默认情况下，是禁用阴影的，因为阴影很消耗性能。

直接光照（光线从光源出来并沿直线继续）：
1. DirectionalLight：平行光，类似阳光，可以投射阴影。
2. PointLight：点光源，类似灯泡，可以投射阴影。
3. RectAreaLight：平面光，类似条形照明或明亮的窗户，不支持阴影。
4. SpotLight：聚光灯，可以投射阴影。
5. 以平行光为例，模仿的是遥远的光源，光线是平行的且不会随着距离而消失。场景 中的所有对象都将被同样明亮地照亮，无论它们放在哪里——即使是在灯光后面。
6. ```
// 创建平行光，设置光的颜色和强度
const light = new THREE.DirectionalLight('white', 8);
scene.add(light);
```

处于背向光线方向的面不会被照亮：

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环境光（不能投射阴影）：
1. AmbientLight：环境光，从各个方向向每个对象添加恒定数量的光，因此放置此灯光的位置无关紧要。
2. HemisphereLight：半球光，光源直接放置于场景之上，光照颜色从天空光线颜色渐变到地面光线颜色。

交互和动画

OrbitControls（轨道控制器）可以使得相机围绕目标进行轨道运动，进而实现用户交互。OrbitControls是一个附加组件，必须显式导入。

import { OrbitControls } from 'three/addons/controls/OrbitControls.js';
// 添加控制器，参数为将要被控制的相机（必须）和用于事件监听的HTML元素
const controls = new OrbitControls(camera,renderer.domElement);
// 控制器事件
// change 当摄像机被组件改变时触发
// start  初始化交互时触发
// end 当交互结束时触发
// 可通过监听 change 事件实现用户交互，当控制器change，执行 render 重新渲染
controls.addEventListener("change", render)

动画是为了实现场景中物体的运动、变换或其他交互效果而进行的一系列连续的状态变化。three.js 提供了多种动画的实现方式，包括基本的手动更新、Tween.js 库的使用、以及更高级的使用骨骼动画（Skeletal Animation）等。

动画循环，three.js 中使用 requestAnimationFrame 来创建动画循环。动画循环是一个连续的循环，每一帧都更新场景中的物体，并进行渲染。通过动画循环，可以实现平滑的动画效果。
1. ```
function animate() {
    requestAnimationFrame(animate);
    // 更新场景中的物体状态
    // ...
    // 渲染场景
    renderer.render(scene, camera);
}
```
Tween.js 是一个简单的 JavaScript 动画库，可以轻松实现对象属性的缓动动画。可直接在 three.js 中用于模型的动画，创建平滑的过渡效果，比如移动、旋转、颜色渐变等。

自定义动画通过动画循环手动更新对象的属性，可以实现更复杂的自定义动画效果。例如，逐帧更新物体的旋转、缩放等属性。

function animate() {
    requestAnimationFrame(animate);
    // 更新物体的属性
    mesh.rotation.x += 0.01;
    mesh.rotation.y += 0.01;
    // 渲染场景
    renderer.render(scene, camera);
}
// 启动动画循环
animate();

骨骼动画，是一种基于骨架和关键帧的动画系统。通过使用骨骼动画，可以在模型中实现更为复杂的动作，比如人物的行走、跑步等。
1. ```
// 使用动画混合器播放动画
const mixer = new THREE.AnimationMixer(model);
const action = mixer.clipAction(gltf.animations[0]);
action.play();
```

示例与实战

导入外部3D模型

在 3D 图形领域，有多种广泛应用的模型格式，比如 OBJ、FBX、GLTF 等，推荐使用 GLTF， .GLB和.GLTF是这种格式的这两种不同版本，都可以被很好地支持。由于 GLTF 这种格式是专注于在程序运行时呈现三维物体的，所以它的传输效率非常高，且加载速度非常快。功能方面则包括了网格、材质、纹理、皮肤、骨骼、变形目标、动画、灯光和摄像机。

three.js 中内置了一部分加载器，其他的需要单独引入，加载不同格式模型，需要使用对应的加载器，下面以 GLTF 为例：

// 附加组件另外导入
import { GLTFLoader } from 'three/addons/loaders/GLTFLoader.js';
const loader = new GLTFLoader();
// 用 GLTFLoader 加载 GLTF 模型
loader.load( 'path/to/model.glb', function ( gltf ) {
    scene.add( gltf.scene );
    },
    onProgress,
    onError
);

辅助对象

three.js 中提供了多个辅助对象，帮助在 3D 场景中进行定位和设置。比如就坐标系辅助对象，相机辅助对象、灯光辅助对象等。辅助对象的使用特别简单，创建之后添加到场景中即可。以坐标系辅助对象为例：

// 创建坐标系辅助对象
const axesHelper = new THREE.AxesHelper( 5 );
// 添加到场景中
scene.add(axesHelper)

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实战

已经介绍了构成简单 three.js 应用程序的所有组件，下面把它们组合在一起，创建一个简单的 three.js 应用程序，分为 6 个步骤：

初始设置
创建场景
创建相机
创建可见对象/导入模型
创建渲染器
渲染场景

      // 初始设置，导入资源
      import * as THREE from "./lib/three.js";
      import { OrbitControls } from "./lib/controls/OrbitControls.js";
      let object,scene,renderer,camera,controls;
      // 创建场景
      function setScene (){
        scene = new THREE.Scene();
        scene.background = new THREE.Color(0xffffff);
      }
      // 创建相机
      function setCamera(){
        camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 100);
        camera.position.set(0,0,10)
      }
      // 创建可见对象
      function setObject(){
        const geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1);
        // 创建材质
        //const material = new THREE.MeshBasicMaterial({color: 0x00ff00});
        const material = new THREE.MeshStandardMaterial({color: 0x00ff00});
        // 创建 Mesh 
        object = new THREE.Mesh(geometry, material);
        object.rotation.y = 0.3 
        scene.add(object);
      }
      // 创建渲染器
      function setRenderer(){
        renderer = new THREE.WebGLRenderer({antialias:true});
        renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
        renderer.physicallyCorrectLights = true;
        document.body.appendChild(renderer.domElement);
      }
      // 设置灯光
      function setLights(){
        const light = new THREE.DirectionalLight(0x404040,10)
        light.position.set(10,10,10)
        scene.add(light)
      }
     // 添加辅助对象
      function helper(){
        const axesHelper = new THREE.AxesHelper( 5 );
        scene.add(axesHelper)
      }
      // 渲染场景
      function animate(){
        requestAnimationFrame(animate);
        object.rotation.y += 0.01;
        renderer.render(scene,camera)
      }
      function init() {
        setScene()
        setCamera()
        setObject()
        setRenderer()
        setLights()
        helper()
        animate()
      }
      init()

效果如下：

three.js 入门指南

参考资料

《探索 three.js》

转载自:https://juejin.cn/post/7340286503505575946

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引言

three.js 是什么？

起源

基础

安装和配置

创建场景、相机和渲染器

核心概念

几何体和材质

光源和阴影

交互和动画

示例与实战

导入外部3D模型

辅助对象

实战

参考资料