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白天过节，晚上了解了下 Threejs3D（threejs做游戏）

toyiye 2024-04-04 11:27 28 浏览 0 评论

I. 介绍Three.js 3D

A. 什么是Three.js

Three.js是一款基于WebGL的JavaScript 3D库，它提供了各种功能和工具，使开发者能够创建高质量、互动式的3D图形、动画及应用程序。

Three.js让开发者能够轻松地在现代浏览器中创建复杂的3D场景，且不需要深入学习WebGL底层原理。

Three.js也提供了许多附加功能，例如材质和灯光系统、动画引擎、几何体、骨骼、粒子系统、后期处理、VR和AR支持等。

Three.js用于建立交互式3D应用程序，包括游戏、数据可视化、模拟、虚拟现实和产品展示等领域。由于其易于学习、广泛可用的文档和社区支持，Three.js成为了3D Web开发的首选工具之一。

B. Three.js的历史

Three.js的开发始于2010年，由Mr.doob（创造者Fernando Jiménez Moreno）创建。当时WebGL刚刚出现，现有的工具和库在实现3D图形方面存在许多障碍。Mr.doob决定创建一款易用、高效的3D图形引擎，这就是Three.js的诞生。

最初的版本只有几百行代码，提供了基本的3D图形工具。随着时间的推移，Three.js不断发展，增加了更多的特性，例如材质、物理引擎、动画系统等。Three.js亦成为了许多WebGL库和工具的基础，例如Babylon.js和A-Frame等。同时，它也因其易用的API和活跃的社区得到了广泛的使用，被许多大型项目所采用，例如百度地图、华为云、物理引擎Cannon.js等。

现在，Three.js已经发展成为一个成熟的3D库，其API、性能、功能和文档都已经得到广泛的认可。Three.js的开发团队也在不断努力改进和增加其特性，使它成为一个更加先进、全面的3D库。

C. Three.js的应用领域

Three.js的应用领域非常广泛，它可以用于所有需要在Web浏览器中展现3D图形的场景，包括但不限于：

  1. 游戏开发：Three.js提供了许多游戏开发所需的功能和工具，例如模型导入、材质、骨骼、物理引擎、音频等，游戏开发者可以使用Three.js开发出高品质的3D游戏，例如《Quadropolis》和《Minecraft Earth》等。
  2. 数据可视化：Three.js提供了众多的数据可视化工具，可以帮助开发者在Web上展示各种类别的数据，例如地球的温度、人口等等。一个例子是Three.js中的D3库，让开发者可以将数据可视化制作成3D的热力图、气泡图和柱状图等等。
  3. 建筑和室内设计：Three.js可以帮助建筑和室内设计师创建真实的3D模型，以便更好地展示其设计成果。Three.js的精细建模工具、贴图和材质等，可以让设计师模拟出更真实的房屋、建筑和景观等。
  4. 艺术创作：Three.js提供了大量的3D建模和渲染工具，帮助艺术家将其创意转变为真实的3D艺术品。鲜为人知的，Three.js已经找到了许多应用于经典艺术作品和当代艺术品制作的场景，例如在2020年的《费城婚礼》展览中的场景就使用了Three.js。
  5. VR/AR：Three.js提供了VR/AR的支持，可以在任何通过浏览器访问的平台上，以及大多数智能手机上展示完整的3D场景，从而使其成为创建注重移动性的3D应用程序的首选工具之一。

总之，Three.js凭借着其灵活、易用和可定制的特点，在各种3D应用领域都得到广泛的应用。

II. 开始使用Three.js 3D

A. 安装和引入Three.js

要开始使用Three.js，首先需要下载它的库文件，并将其添加到您的项目中。您可以从官方网站 https://threejs.org/ 下载最新的稳定版，也可以通过CDN等方式获取三个主要的JavaScript文件：

  1. three.min.js：Three.js的核心文件，包括场景、相机、渲染器、灯光、材质等基本组件。
  2. OrbitControls.js：可选择下载的轨道控制器，用于交互式控制场景中的相机，例如通过鼠标拖拽实现视角变化。
  3. GLTFLoader.js：可选择下载的模型加载器，用于将3D模型加载到场景中。

一旦获得了这些文件，就可以将它们引入到您的HTML页面中。最简单的方法是将它们直接添加到您的HTML页面中：

<script src="path/to/three.min.js"></script>
<script src="path/to/OrbitControls.js"></script>
<script src="path/to/GLTFLoader.js"></script>

这样就可以在您的JavaScript代码中创建并操作Three.js场景和对象了。请注意，如果您使用模块化方式组织代码，则可以使用您所使用的模块化包管理器（例如webpack或者parcel）安装和导入Three.js库文件。

现在您已经成功地安装和引入三个主要的Three.js库文件，可以开始使用Three.js创建您的第一个3D场景了！

B. 创建Three.js场景

创建Three.js场景需要三个主要的组件：场景、相机和渲染器。以下是创建一个简单的Three.js场景的步骤：

1. 创建场景对象

const scene = new THREE.Scene();

2. 创建相机对象

const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);

这里使用了透视相机，它可以创建一个视锥体，只有在锥体内的物体才能被渲染出来。参数75表示视点垂直方向上的张角，window.innerWidth / window.innerHeight表示长宽比，0.1和1000分别表示相机能看到的最近和最远的物体距离。

3. 创建渲染器对象

const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

渲染器会创建一个canvas元素，并将其添加到页面中。setSize方法用于设置渲染器的渲染窗口大小。

4. 创建一个几何体

const geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1);

这将创建一个1x1x1的立方体几何体。

5. 创建一个材质

const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 });

这里使用了基本网格材质。颜色0x00ff00表示绿色。

6. 创建一个网格对象

const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);

这将把几何体和材质作为参数传递给网格对象，并将其添加到场景中。

7. 渲染场景

function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);
  cube.rotation.x += 0.01;
  cube.rotation.y += 0.01;
  renderer.render(scene, camera);
}

animate();

这将循环运行一个函数来动画化场景中的物体。在这个例子中，它将旋转网格体，并通过渲染器对象渲染场景和相机。

完成以上步骤，您已经成功地创建了一个Three.js场景，并将其渲染在浏览器中。当然，这只是一个简单的例子，您可以通过修改参数和添加其他元素来创建更加复杂的3D场景。

C. 添加3D对象到场景

在Three.js中，可以通过创建一个网格对象，将几何体和材质组合在一起，并将其添加到场景中。以下是一个简单的例子，展示如何将3D对象添加到一个场景中：

1. 创建一个几何体

const geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1);

这里使用了立方体几何体，但您可以选择其他的几何体来创建您想要的形状。

2. 创建一个材质

const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 });

此处使用了基本网格材质，但您可以选择其他类型的材质，例如PhongMaterial或LambertMaterial等。

3. 创建一个网格对象

const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);

使用geometry和material作为参数来创建一个网格对象。

4. 将网格对象添加到场景中

scene.add(cube);

这将把网格对象添加到场景中，使其能够被渲染。

现在，您已经成功地将一个3D对象添加到了场景中，并将其渲染出来。您可以在构建更加复杂的场景时，重复使用这个基本的过程。需要注意的是，场景中可以添加多个3D对象，这些对象可以结合使用相机和灯光来渲染出来。

D. 控制相机和灯光

在Three.js中，可以使用控制器来控制相机和鼠标/触摸事件，从而使您能够交互式地修改场景。有多种控制器可用，每个控制器都有自己的行为和选项。这里将介绍两种比较常用的控制器，包括如何控制相机和灯光。

1. 轨道控制器

轨道控制器是一种非常常见的控制器，它可以通过与鼠标/触摸事件交互，来控制相机的位置和旋转。以下是创建轨道控制器的示例代码：

const controls = new THREE.OrbitControls(camera, renderer.domElement);

这里使用了OrbitControls控制器，使用camera和renderer.domElement作为参数。通过添加此代码，您就可以使用鼠标和触摸事件来控制相机。

2. 灯光

灯光是渲染场景所需的重要元素，不同类型的灯光会产生不同的效果。以下是创建三种灯光类型的示例代码：

  • 点光源
const light = new THREE.PointLight(0xffffff, 1, 100);
light.position.set(0, 0, 0);
scene.add(light);

点光源会从一个地方射出光线，会照亮其范围内的所有物体。0xffffff是光的颜色，1是光的强度，100是光照的半径。通过position属性设置光源的位置。

  • 平行光源
const light = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 1);
light.position.set(0, 1, 0);
scene.add(light);

平行光源会以一定方向发射光线，与点光源不同之处在于，它不会随着距离衰减。通过DirectionalLight类型来创建平行光源。0xffffff是光的颜色，1是光的强度。通过position属性设置光源的方向。

  • 环境光源
const light = new THREE.AmbientLight(0x404040, 1);
scene.add(light);

环境光源会照亮场景中的所有物体，并使它们变得更加可见。0x404040是光的颜色，1是光的强度。

现在，您已经成功地了解了如何使用轨道控制器来控制相机，以及如何创建三种不同类型的灯光。在创建和调整三维场景时，控制器和灯光都是非常有用的工具。

E. 渲染场景

在Three.js中，渲染器对象是将场景和相机渲染成2D图像的工具。要呈现场景，您需要调用渲染器的render()方法并将场景和相机作为参数传递进去。以下是渲染场景的基本步骤：

1. 创建渲染器对象

const renderer = new THREE.WebGLRenderer();

您可以设置渲染器的大小、分辨率等参数，例如：

renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio);

2. 将渲染器添加到HTML页面中

document.body.appendChild(renderer.domElement);

这将在HTML页面中创建一个canvas元素，您可以将其放在任何需要的位置。

3. 调用渲染器的render()方法

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

这将循环运行一个函数，以便在每一帧中更新和重新绘制场景。在render()方法中，您将场景和相机对象作为参数传递进去。

现在，您已经成功地了解了如何创建渲染器对象，并将其添加到HTML页面中，并将场景渲染成视频帧。当然，这只是一个基础示例，您可以使用该示例来创建更复杂的场景，并使用更高级的材质、光线、纹理等功能来使场景更加逼真。

III. Three.js 3D中的基本概念

Three.js是一个流行的JavaScript库，用于在Web上创建3D图形，并提供了许多有用的基本概念。

A. 坐标系统和变换

Three.js中使用的坐标系统是右手坐标系。
在这里，x轴是向右的，y轴是向上的，z轴是向屏幕外的。
Three.js中的任何对象都可以使用平移、旋转和缩放等变换来改变其位置和方向。

B. 材质和纹理

Three.js中的材质定义了一个对象如何与光线交互。
材质可以控制对象的颜色、透明度、反射和折射等。
纹理被认为是一种特殊的材质类型，可以将图像或照片映射到对象的表面上。

C. 几何体和网格

几何体是指3D对象的形状，如立方体、球体、圆柱体等，而网格则是由几何体定义的真正的3D对象。
一个网格由许多三角形面组成，每个面由3个顶点组成。

D. 动画和骨架

Three.js允许您在场景中创建有动画效果的对象。骨架是一种特殊的架构，用于将动画应用于对象，它允许您在动画过程中移动不同的部分。Three.js还提供了许多内置的动画控件，可帮助您快速添加和控制动画效果。

IV. Three.js 3D的高级功能

A. 物理引擎

Three.js可以使用物理引擎库来模拟现实世界中的物理行为，例如重力、碰撞、惯性等。其中，比较常用的物理引擎库包括Cannon.js和Physi.js。使用这些库，您可以创建交互性更强的3D模拟场景，比如真实的物理场景或游戏场景。

B. 后期处理

Three.js包含一些简单的后期处理效果，例如灯光效果、阴影、模糊和扭曲等。此外，Three.js的PostProcessing.js库还提供了更高级的后期处理效果，例如全屏幕抗锯齿、HDR渲染和bloom效果等。

C. VR和AR支持

Three.js是一种可用于虚拟现实（VR）和增强现实（AR）的WebGL库。它可以与各种VR/AR SDK集成，例如WebVR和AR.js等。与这些SDK集成之后，您可以将Three.js应用于创建更具交互性的VR/AR应用程序或游戏。

D. 与其他Web技术的集成

Three.js可以与其他Web技术集成，例如CSS3D，WebSocket和Canvas等。使用这些技术，您可以创建更为复杂的应用程序和游戏，并与其他Web组件进行交互。此外，Three.js还可以使用JavaScript框架（如React、Angular和Vue.js）进行构建，以便更好地管理和维护您的3D应用程序。

V. 最佳实践

A. Three.js 3D性能优化

在Three.js中进行性能优化的关键是减少对象数量和减少重绘次数。

可以通过减少透明对象数量、使用LOD（级别在距离）技术、合并几何体和使用缓存等方式来优化性能。
另外，为了避免CPU瓶颈，也可以使用GPU加速库等方式来减轻计算负荷。

B. 代码组织和可维护性

要使Three.js代码易于组织和维护，可以使用模块化编程，将功能拆分为小模块。同时，应使用ES6的类和继承，并遵守SOLID原则和单一职责原则，以确保代码可读性和可维护性。

C. 设计模式和代码风格

在Three.js中，可使用常见的设计模式如MVC、观察者和单例来改善代码结构。并且应遵循良好的代码风格和命名约定，以提高代码可读性。

D. 常见问题和解决方案

Three.js中常见的问题包括性能问题、跨浏览器兼容性、材质和纹理问题等。可以通过使用性能分析工具、选择适当的库、减少透明对象数量来解决性能问题。可以通过使用Polyfill、新特性的时候谨慎使用等方式来解决跨浏览器兼容性问题。在解决材质和纹理问题时，可以考虑使用缓存等技术来提高渲染性能。

VI. 未来展望

A. Three.js 3D的发展趋势

随着技术的进步和应用场景的扩大，可预见Three.js的发展方向将是更加开放和可扩展的生态系统。
未来版本可能会更注重性能优化、增强VR/AR支持、实现更高级的后期处理效果和跨平台兼容性。

B. 可能的应用场景和创新

  • 可能的应用场景：
    Three.js的应用场景非常广泛，包括    游戏开发、虚拟现实、增强现实、数据可视化、建筑和室内设计、艺术和文化领域等。其高度可定制化和易于开发的特性使得它非常适合这些应用场景。
  • 创新：
    在Three.js中，为了开发新创意和实现新领域的应用，可尝试一些新的技术和策略。例如：    尝试集成物理引擎以提高游戏的真实感和交互性、尝试使用WebAssembly来加速运行速度、尝试使用WebGPU来实现更高级的渲染效果、尝试使用TensorFlow.js来进行深度学习和人工智能方面的研究、尝试使用WebXR API来实现更高级的虚拟现实体验等。

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