Three.js快速入門教程

更新時間：2016年09月09日 15:35:24 作者：lijunfan1994

這篇文章主要為大家詳細介紹了Three.js快速入門教程，幫助大家快速入門，感興趣的小伙伴們可以參考一下

引言

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

近年來web得到了快速的發(fā)展。隨著HTML5的普及，網(wǎng)頁的表現(xiàn)能力越來越強大。網(wǎng)頁上已經(jīng)可以做出很多復雜的動畫，精美的效果。
但是，人總是貪的。那么，在此之上還能做什么呢？其中一種就是通過WebGL在網(wǎng)頁中繪制高性能的3D圖形。

OpenGL,WebGL到Three.js

OpenGL大概許多人都有所耳聞，它是最常用的跨平臺圖形庫。
WebGL是基于OpenGL設(shè)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件從而獲得較高性能。
而Three.js是通過對WebGL接口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接口，在javascript中可以直接用這些API進行3D圖形的繪制；而Three.js就是在這些接口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?yōu)槭裁催€需要Three.js？
這是因為WebGL門檻相對較高，需要相對較多的數(shù)學知識。雖然WebGL提供的是面向前端的API，但本質(zhì)上WebGL跟前端開發(fā)完全是兩個不同的方向，知識的重疊很少。相關(guān)性只是他們都在web平臺上，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(shù)的應(yīng)該寥寥無幾了（比如求個逆轉(zhuǎn)置矩陣試試？），更何況使用中強調(diào)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。
于是，Three.js對WebGL提供的接口進行了非常好的封裝，簡化了很多細節(jié)，大大降低了學習成本。并且，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后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(fā)現(xiàn)一個很尷尬的問題：相關(guān)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(xiàn)。但這些example不太適合用來入門，倒是適合入門之后的進一步學習。

這里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(chǔ)知識講解得簡明易懂。

Three.js開發(fā)指南(第一版中文版)

Learning Three.js- Second Edition
Learning Three.js:The JavaScript 3D Library for WebGL是現(xiàn)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，出版于2015年，與現(xiàn)在的Three.js區(qū)別很小。
中文版翻譯自出版于2012年的原書第一版，大部分概念是適用的，但很多細節(jié)已經(jīng)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么用。更適合有一些圖形基礎(chǔ)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。不過這里要提醒一下，Three.js的更新是相當頻繁的，現(xiàn)在是r80版本，自2010年4月發(fā)布r1以來，這已經(jīng)是第72個版本了(中間有的版本號跳過了)。因此，在網(wǎng)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(gòu)建一個三維空間
Three中稱之為場景(Scene)選擇一個觀察點，并確定觀察方向/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O(shè)bject3D類將觀察到的場景渲染到屏幕上的指定區(qū)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(yīng)著我們創(chuàng)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。

左手/右手坐標系

Three中使用采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。

這里寫圖片描述

正交投影與透視投影的區(qū)別如上圖所示，左圖是正交投影，物體發(fā)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

正交投影相機

注：圖中的”視點”對應(yīng)著Three中的Camera。
這里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(nèi)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(gòu)造函數(shù)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(shù)同理。于是六個參數(shù)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，然后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

透視投影相機的視景體是個四棱臺，它的構(gòu)造函數(shù)是這樣的：PerspectiveCamera( fov, aspect, near, far )
fov對應(yīng)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(shù)情況下我們都是用透視投影相機展示3D效果。

Objects

有了相機，總要看點什么吧？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O(shè)bject3D類，這里我們主要看一下Mesh和Points兩種。

Mesh

我們都知道，計算機的世界里，一條弧線是由有限個點構(gòu)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(wǎng)格來描述，我們把這種模型稱之為Mesh模型。

Mesh Model

這是那只著名的斯坦福兔子。它在3D圖形中的地位與數(shù)字圖像處理領(lǐng)域中著名的lena是類似的。
看這只兔子，隨著三角形數(shù)量的增加，它的表面越來越平滑/準確。

在Three中，Mesh的構(gòu)造函數(shù)是這樣的：Mesh( geometry, material )
geometry是它的形狀，material是它的材質(zhì)。
不止是Mesh，創(chuàng)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(guān)系(哪些點構(gòu)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、圓臺等許多基本形狀；
你也可以通過自己定義每個點的位置來構(gòu)造形狀；
對于比較復雜的形狀，我們還可以通過外部的模型文件導入。

Material

Material，材質(zhì)，這就沒有形狀那么直觀了。
材質(zhì)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(fā)光度。
這里講一下材質(zhì)(Material)、貼圖(Map)和紋理(Texture)的關(guān)系。
材質(zhì)上面已經(jīng)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(yīng)當貼到什么位置。
紋理嘛，其實就是‘圖'了。
Three提供了多種材質(zhì)可供選擇，能夠自由地選擇漫反射/鏡面反射等材質(zhì)。

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(tǒng))，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(tǒng)應(yīng)當是包括粒子和相關(guān)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(xiàn)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(huán)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，并可以設(shè)置大小，默認背景顏色等屬性。
調(diào)用Renderer的render函數(shù)，傳入scene和camera，就可以把圖像渲染到canvas中了。

讓畫面動起來

現(xiàn)在，一個靜態(tài)的畫面已經(jīng)可以得到了，怎么才能讓它動起來？
很簡單的想法，改變場景中object的位置啊角度啊各種屬性，然后重新調(diào)用render函數(shù)渲染就好了。
那么重新渲染的時機怎么確定？
HTML5為我們提供了requestAnimFrame，它會自動在每次頁面重繪前調(diào)用傳入的函數(shù)。
如果我們一開始這樣渲染：

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

只需要改成這樣：

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

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。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
 <meta charset="UTF-8">
 <title>立方體</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>

下面來做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({
 //將Canvas綁定到renderer
 canvas: document.getElementById('three_canvas')
 });
 renderer.setSize(width, height);//將渲染的大小設(shè)為與Canvas相同
 renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1.0);//設(shè)置默認顏色與透明度
}

初始化場景:

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

初始化相機：

function initCamera() {
 //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。
 camera = new THREE.OrthographicCamera(width / -2, width / 2, height / 2, height / -2, 1, 1000);
 //設(shè)置相機的位置
 camera.position.x = 0;
 camera.position.y = 0;
 camera.position.z = 200;
 //設(shè)置相機的上方向
 camera.up.x = 0;
 camera.up.y = 1;
 camera.up.z = 0;
 //設(shè)置相機聚焦的位置(其實就是確定一個方向)
 camera.lookAt({
 x: 0,
 y: 0,
 z: 0
 });
}

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。
這里我們創(chuàng)建了一個正交投影相機，這里我將視景體大小與屏幕分辨率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(yīng)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() {
 //創(chuàng)建一個邊長為100的立方體
 var geometry = new THREE.CubeGeometry(100, 100, 100);
 object = new THREE.Mesh(geometry, new THREE.MeshNormalMaterial());
 scene.add(object);
}

注意我們使用了法向材質(zhì)MeshNormalMaterial，這樣立方體每個面的顏色與這個面對著的方向是相關(guān)的，更便于觀察/調(diào)試。

在這個簡單的demo里我不打算添加光影效果，而法向材質(zhì)對光也是沒有反應(yīng)的。
最后來創(chuàng)建一個動畫循環(huán)吧

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

每次重繪都讓這個立方體轉(zhuǎn)動一點點。
當頁面加載好時，調(diào)用前面這些函數(shù)就好了

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

完整的demo是這個樣子的：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
 <meta charset="UTF-8">
 <title>立方體</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>

保存為html后打開，在屏幕中央會顯示這樣一個轉(zhuǎn)動的立方體

cube