使用Three.js 绘制3D模型

关于Three.js

 

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

 

在线地址：http://216.108.229.22/examples/webgl_trackballcamera_earth.html

examples目录下也有该示例

 

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。

 

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在我们目前的3D世界当中至少包括以下几点基础的东西。

一： 一个场景

二： 一个渲染器

 

三： 一个摄像机

四： 一个对象或者至少两个材质



当然你也可以做很多的东西，很多非常疯狂的东西，只要很有足够的想象力，那么就开始你的3D开发，做出很多很炫的WebGL作品吧。



2： 支持

开发WebGL需要浏览器的大力支持，google的chrome是我在做demo的时候常用的浏览器，个人感觉还是不错的。支持webgl的渲染并且在javascript上速度还是不错的还有一些潜在的javascript引擎。Chrome全部支持canvas，webgl，svg这一块。火狐个人觉得排名第二那么google就肯定第一了，并且是火狐4的版本。火狐的javascript引擎似乎还是比google的chrome慢些，但是在渲染的支持上还是很强的。Opear和Safari也支持webgl，但是他们当前的版本只支持canvas渲染，IE9也只支持canvas渲染，到目前为止还没有听到微软说全面支持webgl的消息，担忧啊。





3：设置场景（Scene）

这一步我想你肯定已经选好了一个可以渲染WebGL的浏览器了，并且选好了你要使用的渲染方式了canvas，因为canvas还是比较标准些。Canvas不只是支持WebGL，还有更多的支持。不过，WebGL运行在你cpu的图形卡上，这样就意味着你的cpu可以专心的做别的事，而不需要为webgl渲染而担心，这就叫做硬件加速渲染。

无论你选择什么样的渲染机制，但是你需要记住的就是javascript需要很好的优化性能，因为3D对于浏览器来说还是很大的渲染，所以在你的javascript代码中尽量减少浏览器的压力，优化优化再优化你的javascript代码。

那么这样的话，你可以下载you have downloadedThreeJS的多有js文件在你的电脑中，那么先看看如何着手建立一个Threejs的场景，看下面代码行：

// set the scene size
var WIDTH = 400,
    HEIGHT = 300;

// 设置相机的属性s
var VIEW_ANGLE = 45,
    ASPECT = WIDTH / HEIGHT,
    NEAR = 0.1,
    FAR = 10000;

// 得到dom的元素
// - 假设我们有jquery的开发经验
var $container = $('#container');

// 创建一个WebGL的渲染器和摄像机和一个场景

var renderer = new THREE.WebGLRenderer();
var camera = new THREE.Camera(  VIEW_ANGLE,
                                ASPECT,
                                NEAR,
                                FAR  );
var scene = new THREE.Scene();

// 摄像机从 0,0,0开始 ，因此默认原点，需要时回滚

//设置摄像机z坐标位置距离原点向外300
camera.position.z = 300;

// 开始渲染
renderer.setSize(WIDTH, HEIGHT);

// 加载dom的元素
$container.append(renderer.domElement);

看起来挺简单的，不是很难。



4：做一个网格模型

   现在我们有一个场景，一个摄像机，一个渲染器，但是我们需要画一个实体。实际上Three.js可以加载很多格式的3D文件，你的模型文件可以来自Blender，Maya，Chinema4D，3DMax等等。现在我们要做的是一个网格的元素，相对比较基础的东西(球体)Spheres, (平面)Planes,(立方体) Cubes ， (圆柱体)Cylinders。Three.js创建这些物体会非常的容易。

//定义球体
var radius = 50, segments = 16, rings = 16;

// 创建一个新的网格球体几何学 -
// 在下一节我们将要涉及到sphereMaterial 
var sphere = new THREE.Mesh(
   new Sphere(radius, segments, rings),
   sphereMaterial);

// 添加球体到场景
scene.addChild(sphere);



好了！但是我们的这个球体没有材质。在代码中我们使用了一个变量sphereMaterial，但是我们还没有对他进行定义。首先我们需要做的是对球体的材质进行描述。



5：材质（Materials）

毫无疑问这在Three.Js中是很重要的一部分，因为Three.js可以让你很方便的实现你的网格效果。

   1：不发光

   2：发光

   3：多面

还有很多很多，现在我只介绍这些，剩下的由你自己去发现。但是你必须写在WebGL的着色器上，着色器是一个很庞大的东西，但是你可以使用GLSL(OpenGL的着色语言)。这就需要你用数学来实现模拟的灯光，这样会很复杂。但是多亏了Three.js，你可以不需要在做那样的数学计算了，如果你想写关于阴影的那么你可以使用MeshShaderMaterial来实现，所以这是一个很活泛的设置。

// 创建一个球体的材质
var sphereMaterial = new THREE.MeshLambertMaterial(
{
    color: 0xCC0000
});



你也可以创建一个其他的材质，除了颜色，比如平滑或者环境的地图。你可以看看这个页面check out the Wiki page，看看你还可以创建什么材质，实际上任何一个引擎都会提供给你的。



6：灯(Lights)

如果你按照上面的实现，那么你现在可以看到一个空色的圆球。但是我们现在有材质却没有光，Three.js默认的是全环境的光，那么我们需要把这些光修理的好点。

// 创建一个光的源点
var pointLight = new THREE.PointLight( 0xFFFFFF );

// 设置光源点位置
pointLight.position.x = 10;
pointLight.position.y = 50;
pointLight.position.z = 130;

// 添加到场景
scene.addLight(pointLight);









7：循环渲染

现在我们大概算是有一些渲染了，但是我们需要这样做：

// 绘画!
renderer.render(scene, camera);



我们渲染但不一定只是一次，所以如果你想循环渲染，那么你就需要好好的利用requestAnimationFrame这个js类，这是在浏览器中处理动画迄今为止最先进的js代码，但是到目前为止还不是完全支持，所以推介你看看 Paul Irish's shim.。

    // 设置回滚时间

    window.requestAnimFrame = (function(){

      return  window.requestAnimationFrame       ||

              window.webkitRequestAnimationFrame ||

              window.mozRequestAnimationFrame    ||

              window.oRequestAnimationFrame      ||

              window.msRequestAnimationFrame     ||

              function(/* function */ callback, /* DOMElement */ element){

                window.setTimeout(callback, 1000 / 60);

              };

    })();



    // 插入setInterval(render, 16) ....



    (function animloop(){

      render();

      requestAnimFrame(animloop, element);

    })();



效果：



代码：

// requestAnim shim layer by Paul Irish
    window.requestAnimFrame = (function(){
      return  window.requestAnimationFrame       ||
              window.webkitRequestAnimationFrame ||
              window.mozRequestAnimationFrame    ||
              window.oRequestAnimationFrame      ||
              window.msRequestAnimationFrame     ||
              function(/* function */ callback, /* DOMElement */ element){
                window.setTimeout(callback, 1000 / 60);
              };
    })();


// example code from mr doob : http://mrdoob.com/lab/javascript/requestanimationframe/

var canvas, context;

init();
animate();

function init() {

    canvas = document.createElement( 'canvas' );
    canvas.width = 256;
    canvas.height = 256;

    context = canvas.getContext( '2d' );

    document.body.appendChild( canvas );

}

function animate() {
    requestAnimFrame( animate );
    draw();

}

function draw() {

    var time = new Date().getTime() * 0.002;
    var x = Math.sin( time ) * 96 + 128;
    var y = Math.cos( time * 0.9 ) * 96 + 128;

    context.fillStyle = 'rgb(245,245,245)';
    context.fillRect( 0, 0, 255, 255 );

    context.fillStyle = 'rgb(255,0,0)';
    context.beginPath();
    context.arc( x, y, 10, 0, Math.PI * 2, true );
    context.closePath();
    context.fill();

}


8常见的对象的特性

如果你花时间看代码的话，你会看到很多Three.js继承的Object3D的对象，这是一个很基础的对象，包含很多非常有用的特征，位置，旋转，大小的信息。特别的是我们的网格也是继承与Object3D，他加了自己的一些特性：材质和几何。

你想知道为什么我会说到这里，那么你想画一个球体在你的web上什么都不做吗？这些特征的存在值得你去研究，因为他们允许你去操作潜在的材质和网格划分。







// 几何球面
sphere.geometry

// 包含顶点和面
sphere.geometry.vertices // 数组
sphere.geometry.faces // 以数组形式

// 位置
sphere.position // 包括x，y，z三个属性
sphere.rotation // 包括x，y，z三个属性
sphere.scale // 包括x，y，z三个属性





9：一个小的更改

在顶点这里我们需要做个更改，你尝试更改你的顶点数据，但是你会发现你的渲染一点没有改变，这是为什么呢?因为Three.js是一向很复杂的优化，你只需要更换其中的一个方法就可以，



// 改变顶点
sphere.geometry.__dirtyVertices = true;

// 改变法线
sphere.geometry.__dirtyNormals = true;

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