通过漫天花雨来入门 Three.js

[[436062]]

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> 

总结

Three.js 是为了简化 3D 渲染的框架，它提供了场景 Scene 的 api，里面可以包含各种可渲染的物体：立方体、圆锥等各种几何体 Geometry、点线面、坐标系等辅助工具。这些物体还可以通过 Group 分组来统一管理。

Sence 要渲染出来需要指定一个相机，分为从点去看的透视相机 PerspectiveCamera，从平面去投影的正交相机 OrthographicCamera。理解了它们的原理才能理解 Camera 的参数。

之后通过 Renderer 渲染出来，如果有动画需要用 requestAnimationFrame 来一帧帧的渲染。

这是 Three.js 的大概渲染流程。

之后我们实现了一个花瓣雨的案例。用到了 Sprite 这种物体，它是一个永远面向相机的平面，用来做这种效果很合适。

当然，Three.js 的东西还是比较多的，这篇文章只是入下门，后面我们会继续深入，做更多的有意思的 3D 场景和效果。