Three.js入门:如何使用并绘制基础3D图形

一、 前言

Three.js 是一款 webGL(3D绘图标准,在此不赘述)引擎,可以运行于所有支持 webGL 的浏览器。Three.js 封装了 webGL 底层的 API ,为我们提供了高级的开发接口,可以使用简单的代码去实现 3D 渲染。(官网:https://threejs.org/)

二、 为什么要选择Three.js?

Three.js 作为原生 web3D 引擎,对插件式 web3D 引擎的优势不言而喻:不需要安装插件、在移动端支持好。

  • Three.js 与其他原生 web3D 引擎对比:

Babylon.js:一个强大的 3D 游戏引擎,由 Microsoft 的员工 David Cathue 主导开发。和 Three.js 相比,three.js 更倾向于动画,而 Babylon.js 则更适合游戏开发。 PhiloGL:增加了额外的功能帮助你可以使用本地的 WebGL ,这个 WebGL 的接口不是百分之百的被封装好了的,这使得 PhiloGL 上手难度较高。 SceneJS:一个开源的 JavaScript 3D 引擎,特别适合需要高精度细节的模型需求,比如工程学和医学上常用的高精度模型。 CopperLicht:一个“商业级别的WebGL3D引擎和编辑器”,你可以免费使用,但是要想获得未压缩的完整版带支持文档的源码和其他服务,则需要购买授权。

相对这些 web3D 引擎,Three.js 的还有以下几点优势:

  • 开发和维护比较活跃;
  • 文档齐全,案例丰富,易于学习;
  • 设计灵活、方便拓展以及增加新的特性;

我们可以根据自己的需要去选择web3D引擎。

三、 开始Three.js

1、 引导

在开始我们的第一个 3D 程序之前,我们需要了解 Three.js 的一些基础,以下是 Three.js 制作 3D 的五要素:

渲染器(render) 我们可以把渲染器想想成为一个画布,我们需要在这个画布上去画出我们需要展示的东西。

场景(scene)

相当于一个空间,我们需要将展示的东西放在这个空间里,然后再在画布上绘制出来。

照相机(camera)

相当于眼睛,我们想要看到物体,就需要眼睛去看。

光源(light)

物体需要光照才能看见,不然就是漆黑一片(但是在某些情况下展示物体不需要光源)。

物体(object)

我们想要表现的内容,会有形状和材质属性。

了解了五要素之后,就可以开始写我们的代码了。

2、 创建渲染器

首先,我们创建一个渲染器。创建渲染器有两种方式:

a. 在 html 上写出 canvas 元素

<canvas id="mainCanvas" width="600px" height="450px" ></canvas>

然后创建渲染器时绑定此元素

var renderer = new THREE.WebGLRenderer({
  canvas: document.getElementById('mainCanvas')
});
renderer.setClearColor(“#000”); // 设置渲染器背景为黑色

b. html 上不创建 canvas 元素,而是使用普通的元素作为容器

<div id="mainCanvas" style="width:600px;height:450px;" ></div>

然后创建渲染器,放入容器中

var canvasContainer = document.getElementById('mainCanvas');
var width = canvasContainer.clientWidth;  //获取画布的宽
var height = canvasContainer.clientHeight;  //获取画布的高
var renderer = new THREE.WebGLRenderer({
  antialias: true  //抗锯齿开
});
renderer.setSize(width, height);  //设置渲染器的宽和高
renderer.setClearColor(0x000000); //设置渲染器的背景颜色为黑色
var canvas = renderer.domElement; //获取渲染器的画布元素
canvasContainer.appendChild(canvas); //将画布写入html元素中

这样,我们的渲染器就创建成功了。 创建渲染器时,还可以设置多个属性,比如抗锯齿、透明度等等,详见 three.js 官方文档。

3、 创建场景

渲染器创建之后,我们再创建场景,准备将我们需要绘制的东西放入场景。

var scene = new THREE.Scene();

4、 创建照相机

照相机常用的有两种,一种叫正投影相机:

THREE.OrthographicCamera( left, right, top, bottom, near, far );

下图为该照相机的视野:

bigsec

一种叫做透视照相机:

THREE.PerspectiveCamera( fov, aspect, near, far ) ;

下图为该照相机的视野:

bigsec

下图为两个照相机展示效果的对比:

bigsec

左边为正投照相机,远近大小都一样; 右边为透视照相机,远小近大,更接近于人眼观察物体的感觉。

在此以正投照相举例:

var camera = new THREE.OrthographicCamera(-6, 6, 4.5, -4.5, 0, 50); //创建照相机
camera.position.set(35, 15, 25);  //设置照相机的位置
camera.lookAt(new THREE.Vector3(0, 0, 0)); //设置照相机面向(0,0,0)坐标观察
照相机默认坐标为(0,0,0);
默认面向为沿z轴向里观察;

5、 创建光源

常用光源有:

  • 平行光(DirectionalLight),效果类似太阳光 DirectionalLight ( color, intensity ) color — 光源颜色的RBG数值。 intensity — 光强的数值。

  • 点光源(PointLight),效果类似灯泡 PointLight ( color, intensity, distance, decay ) color — 光源颜色的RBG数值。 intensity — 光强的数值。 distance -- 光强为0处到光源的距离,0表示无穷大。 decay -- 沿着光照距离的衰退量。

  • 聚光光源(SpotLight),效果类似聚光灯 SpotLight ( color, intensity, distance, angle, penumbra, decay ) color — 光源颜色的RBG数值。 intensity — 光强的数值。 distance -- 光强为0处到光源的距离,0表示无穷大。 angle -- 光线散射角度,最大为Math.PI/2。 penumbra -- 聚光锥的半影衰减百分比。在0和1之间的值。默认为0。 decay -- 沿着光照距离的衰退量。

在此以点光源举例:

 var light = new THREE.PointLight(0xffffff, 1, 100);  //创建光源
 light.position.set(12, 15, 10);  //设置光源的位置
  scene.add(light);  //在场景中添加光源

6、 创建物体

制作物体的方法是 Mesh:

new THREE.Mesh(Geometry, Material);

Geometry 为物体的形状,Material 为物体的材质;

a. 形状(Geometry) three.js 给出了很多方法去生成固定的形状,比如长方体(BoxGeometry)、球体(SphereGeometry)、圆形(CircleGeometry)等等。还有根据坐标去生成具体形状的方法,可以借助第三方建模软件建模之后引入,转换为坐标后再生成,就可以做比较复杂的形状了,比如人脸、汽车等等。

在此以长方体为例生成形状:

//设置正方体宽度,高度,深度分别为5,5,5
var geometry = new THREE.BoxGeometry (5, 5, 5);

b. 材质(Material) 材质就像是物体的皮肤,决定物体外表的样子,例如物体的颜色,看起来是否光滑,是否有贴图等等。

常用材质有:

  • 网格基础材质(MeshBasicMaterial)

该材质不受光照的影响,不需要光源即可显示出来,设置颜色后,各个面都是同一个颜色。

  • 网格法向材质(MeshNormalMaterial)

该材质不受光照的影响,不需要光源即可显示出来,并且每个方向的面的颜色都不同,同但一个方向的面颜色是相同的,该材质一般用于调试。 网格朗博材质(MeshLambertMaterial) 该材质会受到光照的影响,没有光源时不会显示出来,用于创建表面暗淡,不光亮的物体。

  • 网格 Phong 材质(MeshPhongMaterial)

该材质会受到光照的影响,没有光源时不会显示出来,用于创建光亮的物体。

在此以网格 Phong 材质为例创建材质:

var material = new THREE.MeshPhongMaterial({
       color: "yellow" //设置颜色为yellow
});

创建形状和材质之后,就可以创建该物体了:

//创建物体
var cube = new THREE.Mesh(geometry, material);

7、 渲染画布

通过以上步骤,我们已经有了渲染器(renderer)、场景(scene)、照相机(camera)、光源(light)和物体(cube),此时我们需要将光源和物体加入场景中:

scene.add(light);
scene.add(cube);

然后再使用渲染器将场景和照相机渲染出来:

renderer.render(scene, camera);

效果如下图:

bigsec

四、 结束语

在以上内容中,只写到了 Three.js 中提供的基础功能,还有很多高级的功能需要大家去探索。希望大家看完这篇文章后能对 Three.js 有一个初步的了解,并能够使用 Three.js 绘制出基础的 3D 图形。

大家可以去 Three.js 官网的 examples 中看看,这里面都是一些很优秀和典型的 examples,并且还有代码可以下载,大家可以去研究探索一番。

在此附上几个精彩的例子供大家欣赏:

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Jason 岂安科技前端研发工程师 三年互联网前端开发经验,曾参与过多个系统框架的搭建和组件开发,负责岂安科技产品的数据可视化和公用组件开发。