THREE.js 学习笔记

一. 获取THREE.js

three.js的代码托管在github上面，https://github.com/mrdoob/three.js/

我们可以用git来获取代码，闲麻烦的话也可以直接下载zip文件。

二. 目录结构

拿到代码后先看下three.js的目录结构

|-build

     |-custom

     |-Three.js

|-examples

|-gui

|-src

     |-cameras

     |-core

     |-extras

     |-lights

     |-materials

     |-objects

     |-renderers

     |-scenes

     |-textures

     |-Three.js

|-utils

     |-compiler

     |-exporters

     |-build.bat

     |-build.sh

     |-build.xml

     |-build_all.bat

     |-build_all.sh

 

1. build目录下是源代码连接压缩过后的js文件，而连接和压缩源代码的工具放在utils目录下，在utils目录下还有一个exporters目录，是各种模型导出工具，插件，有blender和max的导出插件，还有把fbx转成THREE.js场景文件的python脚本。
2. examples目录下都是three.js的示例，值得一提的是，里面有很多实用的shader脚本和js脚本可以拿来在自己的项目里用，比如js/ShaderExtra.js提供了很多现成的shader代码，js/postprocessing下提供了封装起来的几种常用的后处理的接口
3. gui下面是一些封装后的ui接口
4. src当然就是重头戏了，three.js的源代码都在这个目录下，src里下的各个子目录也很好的体现了three.js的构成，像camera，light，object这些都是一个场景（scene）的基础对象，而scenes下面则是对整个场景的管理代码，像scene graph的实现，renderers下是核心渲染器的实现，three.js对于场景和渲染器分离的还不错，可以用不同的renderer渲染同一个场景，当然对于一些WebGL支持的高级特性，使用其它的renderer肯定是不行的。还有一个extras目录是在核心代码之上的一些未程序提供便利的接口，比如提供了一些常用的camera，material，light。
5. utils目录上面已提过

 

三. example分析 - webgl trackballcamera earth

examples目录下有该示例

 

在这个example里我们能够看到：

• 一个最基本的three.js应用需要有的东西
• camera的创建以及camera control的添加
• 基本形体的创建，材质的创建
• 粒子系统的创建，这个会后面讲。

 

这里不会逐行逐行代码的分析，而是对于每个特性挑出代码来讲。

 

一个three.js应用的基本结构。

不管用什么写3d应用，c++的ogre，flash的pv3d，js的o3d，又或者使用场景编辑器，一个3d场景所需要的最基本的东西都是一样的，一个主要的camera，一个主要的scene。

当然一般的场景里都会有物体，有灯光，每个物体都有材质。我们在three.js中可以一个个手动创建，也可以直接加载一个记录场景数据的json文件。

 

创建一个scene

scene = new THREE.Scene();

创建一个摄像机

camera = new THREE.PerspectiveCamera( 25, width / height, 50, 1e7 );
camera.position.z = radius * 7;

这段代码确定了一个摄像机的视锥，四个参数分别是摄像机的视锥角度，视口的长宽比，摄像机的近切面(Front Clipping Plane)和远切面(Back Clipping Plane)，为什么要四个参数？其实摄像机本质上就是一个投影矩阵，而建立一个透视投影的矩阵（还有正交投影）需要这四个参数，形象点可以看下图

从图中可以看到，要唯一确定一个透视的视锥(Viewing Frustum)至少需要上述的四个参数。

 

调整摄像机的位置和朝向

创建一个摄像机还需要摆好这个摄像机的位置和朝向，three.js里可以用camera.lookAt函数来设置摄像机的朝向，用camera.position设置摄像机的位置

这个demo里由于创建了一个实现轨迹球控制效果的TrackballControls，因此camera的变换都被封装在这里面了。

如果看lookAt的代码，其实这些操作都是矩阵的操作，摄像机本质上和一个场景中的实体无异，都是使用变换矩阵来做变换。

 

下面要为场景中添加一些东西了

我们可以在演示中大概看到这个场景中有一个地球，一个月球，周围的太空，还有一个一直照着地球模拟太阳的光照，如果看得仔细点，我们还会发现其实地球外面还包着一层大气层。

下面要一一在场景中添加进入这些东西

 

1. 首先是地球

在WebGL里创建一个object，我们需要的最基本的数据就是这个object的顶点位置，当然，如果需要这个物体能够入眼的话，我们还需要为它编写shader，需要传入顶点的法线数据，需要传入texcoord来完成纹理映射。

说到shader，我们先看下WebGL中渲染一个物体的基本顺序：

程序会先载入，编译和绑定shader代码，每个渲染批次，显卡都会将这些顶点数据传入流水线，在流水线中会通过Vertex Shader进行顶点位置的变换，光栅化，Fragment Shader中对每个像素计算颜色，最后深度测试等等后输出到屏幕。

 

THREE.js中将物体顶点数据的管理封装成为geometry接口，将shader和shader中参数的管理封装成为material接口，每次编译加载绑定shader，传入顶点数据都会在WebGLRenderer中统一处理。

var materialNormalMap = new THREE.ShaderMaterial({
    fragmentShader: shader.fragmentShader,
    vertexShader: shader.vertexShader,
    uniforms: uniforms,
    lights: true
});

这里便是创建了一个材质,传入了fragmentShader和vertexShader的代码，uniforms是这两个shader里的参数。

这两个都是可以拿来主义的

var shader = THREE.ShaderUtils.lib[ "normal" ],
    uniforms = THREE.UniformsUtils.clone( shader.uniforms );
 
uniforms[ "tNormal" ].texture = normalTexture;
uniforms[ "uNormalScale" ].value = 0.85;

uniforms[ "tDiffuse" ].texture = planetTexture;
uniforms[ "tSpecular" ].texture = specularTexture;

uniforms[ "enableAO" ].value = false;
uniforms[ "enableDiffuse" ].value = true;
uniforms[ "enableSpecular" ].value = true;

uniforms[ "uDiffuseColor" ].value.setHex( 0xffffff );
uniforms[ "uSpecularColor" ].value.setHex( 0x333333 );
uniforms[ "uAmbientColor" ].value.setHex( 0x000000 );

uniforms[ "uShininess" ].value = 15;

于是这里创建了一个法线贴图的材质（关于法线贴图的原理，这里先不多讲），并且设置好了它的各个参数，其中tNnormal是法线纹理，tDiffuse是漫反射纹理，tSpecular是高光纹理，

tDiffuse，tSpecular和tNormal

 

uDiffuseColor, uSpecularColor, uAmbientColor, uShininess这四个是Phong模型光照的参数，

uDiffuseColor：漫反射颜色

uSpecularColor：高光颜色

uAmbientColor:环境光颜色

uShininess：物体表面光滑度

 

下面这段便是创建这个地球本身了，并且加入到场景里面

geometry = new THREE.SphereGeometry( radius, 100, 50 );
geometry.computeTangents();
meshPlanet = new THREE.Mesh( geometry, materialNormalMap );
meshPlanet.rotation.y = 1.3;
meshPlanet.rotation.z = tilt;
scene.add( meshPlanet );

最后看一下这个添加到scene里的Mesh的组成图

 

2. 建月球和云层也是依法炮制，云层因为是png格式所以有半透明效果。

3. 创建平行光

创建一个光照是很简单的，tree.js的灯光对象主要就是保存灯光参数的作用，而光照的实际计算是放在shader里，我们暂时不用关心

dirLight = new THREE.DirectionalLight( 0xFFFFFF );
dirLight.position.set( -1, 0, 1 ).normalize();
scene.add( dirLight );

场景的互动

sample中我们可以使用鼠标控制摄像机的旋转，three.js为我们提供一些常用的摄像机控制接口，这个sample里用的是轨迹球

controls = new THREE.TrackballControls( camera, renderer.domElement );
controls.rotateSpeed = 1.0;
controls.zoomSpeed = 1.2;
controls.panSpeed = 0.2;

controls.noZoom = false;
controls.noPan = false;

controls.staticMoving = false;
controls.dynamicDampingFactor = 0.3;

controls.minDistance = radius * 1.1;
controls.maxDistance = radius * 100;

我们可以在src/extras/controls下面看到几个常用的摄像机控制

 

渲染

我们最后来看看render函数里的代码

var t = new Date().getTime(),
dt = ( t - time ) / 1000;
time = t;

meshPlanet.rotation.y += rotationSpeed * dt;
meshClouds.rotation.y += 1.25 * rotationSpeed * dt;

var angle = dt * rotationSpeed;

meshMoon.position = new THREE.Vector3(
    Math.cos( angle ) * meshMoon.position.x - Math.sin( angle ) * meshMoon.position.z,
    0,
    Math.sin( angle ) * meshMoon.position.x + Math.cos( angle ) * meshMoon.position.z
);
meshMoon.rotation.y -= angle;

controls.update();

renderer.clear();
renderer.render( scene, camera );

这个函数主要做了每一帧都要做的几件事：

• 计算这一帧的时间
• 旋转地球
• 计算月球位置
• 更新摄像机控制
• 渲染

最后render函数里需要两个参数，scene和camera，我们如果看下render里的代码话就可以知道，每次render的时候，都需要遍历一遍scene graph，渲染里面每个需要渲染的对象，而摄像机的作用就只是提供一个视角变换矩阵和投影矩阵。这个以后看WebGLRenderer里的代码的时候会继续深入。

 

这个函数会使用setInterval定时调用，来实现动画的效果。