通过漫天花雨来入门 Three.js

神说要有光zxg

发布于 2021-11-25 11:29:38

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发布于 2021-11-25 11:29:38

文章被收录于专栏：神光的编程秘籍

随着元宇宙概念的火爆，3D 渲染相关的技术频繁被提及，而 Three.js 是基于 WebGL 的 api 封装的用于简化 3D 场景的开发的框架， 是入门 3D 的不错的抓手，今天我们就来入门下 Three.js。

我们基于 Three.js 来实现一个花瓣雨的效果。

Three.js 的基础

Three.js 用于渲染一个 3D 的场景，里面会有很多物体，比如立方体、圆柱、圆环、圆锥等各种几何体(以 Geometry 为后缀)，比如点（Points）线（Line）面（Sprite）等基础物体。这些所有的物体怎么管理呢？

用一个场景 Scene 来承载，所有的物体都会被添加到 Scene 里。

所以有这样的 api：

 const scene = new THREE.Scene();
 
 scene.add(xxx);
 scene.add(yyy);

当然，物体之间可以做分组 Group，组内的物体可以统一管理，之后再添加到 Scene 里。

const scene = new THREE.Scene();

const group = new THREE.Group();

group.add(xxx);
group.add(yyy);

scene.add(group);

这种场景、物体、分组的概念，在很多游戏引擎中也有类似的 api，大家都是这么来管理的。

可以添加到 Scene 中的物体，除了几何体（Geometry）、点线面等，还有辅助工具，比如坐标系工具（AxisHelper）。其实这些工具也是用集合体、点线面封装出来的，只不过是作为工具来临时添加到 Scene 中。

const axisHelper = new THREE.AxisHelper(max);
scene.add(axisHelper)

有了场景和场景中的各种物体，怎么渲染出来呢？

调用 Renderer，这个类是专门负责渲染 Scene 中各种物体的。

但是还有个问题，三维的世界（scene）怎么渲染到二维的屏幕呢？

如图，从一个点找个角度来看三维世界，或者从一个平面来平行的看三维世界，看到的就是二维的。

这两种方式，第一种叫做透视、第二种叫做正交。

生成二维图像，就像照相机的功能一样，所以这种概念叫做 Camera。

在 Three.js 里面有 PerspectiveCamera （透视相机）和 OrthographicCamera（正交相机），分别对应上面两种三维转二维的方式。

这两个 Camera 的参数还是挺多的，但是理解了也挺简单：

new Three.PerspectiveCamera( fov, aspect, near, far )
new Three.OrthographicCamera( left, right, top, bottom, near, far )

先看透视相机的，它要看三维世界，那就要有一个最近和最远两个位置，然后从一个点看过去会有一个视野的角度，看到的画面还有个宽高比。

这就是为什么 PerspectCamera 有 near、far、fov、aspect 这四个参数。

正交相机的参数也是差不多的意思，不过因为不是从一个点，看的，而是从一个面做的投影，那么就没有角度的参数，而是有上下左右的四个面位置的参数。

正交相机的上下左右位置也不是随便的，比例要和画面的宽高比一样，所以一般都是这么算：

const width = window.innerWidth;
const height = window.innerHeight;
//窗口宽高比
const k = width / height;
//三维场景的显示的上下范围
const s = 200;

// 上下范围 s 再乘以宽高比 k 就是左右的范围，而远近随便设置一个数就行
const camera = new THREE.OrthographicCamera(-s * k, s * k, s, -s, 1, 1000);

上面的正交相机的参数里面，远近可以设置为 1 和 1000，上下设置为 200，左右就可以根据宽高比算出来。这就是相机所看到的二维画面的范围。

有了场景 Scene 中的各种物体，有了照相机 Camera，就可以用渲染器 Renderer 渲染出画面来了。

const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
//设置渲染区域尺寸
renderer.setSize(width, height)

renderer.render(scene, camera)

不过，一般不会只渲染一帧，有动画效果的话，会使用 requestAnimationFrame 的 api 一帧帧的不停渲染。

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

    requestAnimationFrame(render)
}
render();

这就是 Three.js 的大概流程：Scene 中有几何体Geometry、点线面、辅助工具等各种物体，物体还可以做分组，然后通过正交或者透视相机来设置看到的二维画面，之后用 Renderer 渲染出来。有动画效果的话，要用 requestAnimationFrame 来一帧帧的渲染。

下面我们来实现一下花瓣雨的效果。

花瓣雨实现

首先我们要创建场景 Scene 中的物体，也就是各种花瓣，这个需要显示的是一个平面，可以用 Sprite。

Sprite 是精灵的意思，在 Three.js 中，它就是一个永远面向相机的二维平面。

我们给 Sprite 贴上花瓣的纹理就可以了。

我们先准备一些花瓣的贴图,类似这种：

花瓣的数量有很多，我们生成 400 个，加到花瓣分组里，然后添加到场景中：

const scene = new THREE.Scene();
/**
 * 花瓣分组
 */
const petal = new THREE.Group();

function create() {
    var texture1 = new THREE.TextureLoader().load("img/h1.png");
    var texture2 = new THREE.TextureLoader().load("img/h2.png");
    var texture3 = new THREE.TextureLoader().load("img/h3.png");
    var texture4 = new THREE.TextureLoader().load("img/h4.png");
    var texture5 = new THREE.TextureLoader().load("img/h5.png");
    var imageList = [texture1, texture2, texture3, texture4, texture5];

    for (let i = 0; i < 400; i++) {
        var spriteMaterial = new THREE.SpriteMaterial({
            map: imageList[Math.floor(Math.random() * imageList.length)],//设置精灵纹理贴图
        });
        var sprite = new THREE.Sprite(spriteMaterial);
        petal.add(sprite);

        sprite.scale.set(40, 50, 1); 
        sprite.position.set(2000 * (Math.random() - 0.5), 2000 * Math.random(), 0)
    }
    scene.add(petal)
}

create();

400 个 Sprite 随机贴上了不同的花瓣的纹理贴图，然后设置了下放缩，之后随机设置了一个在场景中的位置。

我们在 Scene 中加入坐标系辅助工具来看下坐标：

const axisHelper = new THREE.AxisHelper(1000);
scene.add(axisHelper)

红色是 x 轴，向右是递增的，绿色是 y 轴，向上是递增的。z 轴我们暂时用不到。

所以，根据代码，花瓣的 x 的范围就是随机的 -1000 到 1000，y 的范围就是 0 到 2000。

然后，我们创建正交相机：

const width = window.innerWidth;
const height = window.innerHeight;
//窗口宽高比
const k = width / height;
//三维场景的显示的上下范围
const s = 200;
const camera = new THREE.OrthographicCamera(-s * k, s * k, s, -s, 1, 1000);

设置下相机的位置和方向：

camera.position.set(0, 200, 500)
camera.lookAt(scene.position)

我们创建相机的时候指定了二维能显示的范围，相机在这个范围内的哪个位置都行。

然后创建渲染器，设置下大小和背景颜色，把渲染到的 canvas 元素插入到 dom 中。

const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
//设置渲染区域尺寸
renderer.setSize(width, height)
//设置背景颜色
renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1)
//body元素中插入canvas对象
document.body.appendChild(renderer.domElement)

之后就用 requestAnimation 不断地一帧帧渲染就行了。

function render() {
    petal.children.forEach(sprite => {
        sprite.position.y -= 1;
        sprite.position.x += 0.5;
        if (sprite.position.y < -400) {
            sprite.position.y = 800;
        }
        if (sprite.position.x > 1000) {
            sprite.position.x = -1000
        }
    });

    renderer.render(scene, camera)

    requestAnimationFrame(render)
}

每次重新渲染之前，我们修改下花瓣的位置，产生下落效果，如果超出了范围，就移到上面去重新开始落，这样就是不间断的花瓣雨效果。

完整代码如下：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>花瓣雨</title>
    <style>
        body {
            margin: 0;
            overflow: hidden;
        }
    </style>
    <script src="js/three.min.js"></script>
</head>
<body>
<script>

    const scene = new THREE.Scene();
    /**
     * 花瓣分组
     */
    const petal = new THREE.Group();

    const width = window.innerWidth;
    const height = window.innerHeight;
    //窗口宽高比
    const k = width / height;
    //三维场景的显示的上下范围
    const s = 200;
    const camera = new THREE.OrthographicCamera(-s * k, s * k, s, -s, 1, 1000);

    const renderer = new THREE.WebGLRenderer();

    function create() {
        //设置相机位置
        camera.position.set(0, 200, 500)
        camera.lookAt(scene.position)
    
        //设置渲染区域尺寸
        renderer.setSize(width, height)
        //设置背景颜色
        renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1)
        //body元素中插入canvas对象
        document.body.appendChild(renderer.domElement)

        // const axisHelper = new THREE.AxisHelper(1000);
        // scene.add(axisHelper)

        var textureTree1 = new THREE.TextureLoader().load("img/h1.png");
        var textureTree2 = new THREE.TextureLoader().load("img/h2.png");
        var textureTree3 = new THREE.TextureLoader().load("img/h3.png");
        var textureTree4 = new THREE.TextureLoader().load("img/h4.png");
        var textureTree5 = new THREE.TextureLoader().load("img/h5.png");
        var imageList = [textureTree1, textureTree2, textureTree3, textureTree4, textureTree5];

        for (let i = 0; i < 400; i++) {
            var spriteMaterial = new THREE.SpriteMaterial({
                map: imageList[Math.floor(Math.random() * imageList.length)],//设置精灵纹理贴图
            });
            var sprite = new THREE.Sprite(spriteMaterial);
            petal.add(sprite);

            sprite.scale.set(40, 50, 1); 
            sprite.position.set(2000 * (Math.random() - 0.5), 2000 * Math.random(), 0)
        }
        scene.add(petal)
    }


    function render() {
        petal.children.forEach(sprite => {
            sprite.position.y -= 1;
            sprite.position.x += 0.5;
            if (sprite.position.y < -400) {
                sprite.position.y = 800;
            }
            if (sprite.position.x > 1000) {
                sprite.position.x = -1000
            }
        });

        renderer.render(scene, camera)

        requestAnimationFrame(render)
    }

    create()
    render()
</script>
</body>
</html>