构建第一个基本的Three.js 3D场景
发布时间: 2024-02-17 06:38:10 阅读量: 31 订阅数: 41 
# 1. 介绍Three.js和3D场景的基本概念
Three.js是一个基于JavaScript的开源库，用于创建并展示3D场景。它提供了丰富的功能和工具，使开发者能够轻松地在网页上创建交互式的3D图形和动画效果。
在了解Three.js之前，我们先来了解一下3D场景的基本概念。一个3D场景由多个元素组成，包括相机(Camera)、渲染器(Renderer)、物体(Object)、光源(Light)等。
- Three.js简介
Three.js是由Ricardo Cabello（也称为Mr. Doob）创建的一个开源项目，该项目的目标是简化在网页上创建3D图形的过程。它基于WebGL技术，可以直接使用JavaScript实现3D图形的渲染和交互。
Three.js提供了丰富的功能和工具，包括几何体创建、材质设定、纹理贴图、动画效果、光照和阴影等，使开发者能够快速构建复杂的3D场景。
- 3D场景的基本元素
一个3D场景包含以下基本元素：
1. 相机(Camera)：用于决定场景中哪些物体应该显示在视野中。Three.js提供了多种相机类型，如透视(Perspective)相机和正交(Orthographic)相机。
2. 渲染器(Renderer)：用于将场景中的物体渲染到浏览器窗口中。Three.js提供了WebGLRenderer和CanvasRenderer两种渲染器。
3. 物体(Object)：场景中的可见物体。物体可以是几何体（如立方体、球体等）、模型、粒子等。
4. 材质(Material)：物体的外观特性，如颜色、纹理贴图等。Three.js提供了多种内置材质类型，也可以自定义材质。
5. 纹理(Texture)：用于给物体表面添加图像或图案。纹理可以使物体更加逼真和有趣。
接下来，我们将详细介绍如何设置Three.js环境，并创建场景中的物体。
# 2. 设置Three.js环境
在本章中，我们将详细介绍如何设置Three.js环境来开始创建3D场景和物体。首先，我们需要下载和引入Three.js库，然后创建HTML页面结构，并初始化Three.js场景。
### 2.1 下载和引入Three.js库
首先，我们需要下载Three.js库文件。你可以在Three.js官方网站下载最新版本的库文件。
下载完成后，将`three.min.js`文件复制到你的项目文件夹中。然后，在HTML文件的`head`标签中引入该库文件。
```html
<script src="path/to/three.min.js"></script>
```
现在，我们已经成功引入了Three.js库，可以开始设置Three.js环境了。
### 2.2 创建HTML页面结构
接下来，我们需要创建HTML页面的基本结构，包括一个`<canvas>`元素用来渲染Three.js场景。在`<body>`标签中添加以下代码：
```html
<div id="container"></div>
<script>
const container = document.getElementById('container');
const canvas = document.createElement('canvas');
container.appendChild(canvas);
</script>
```
以上代码会在页面中创建一个具有唯一ID的`<div>`元素，并在该`<div>`元素中创建一个`<canvas>`元素。
### 2.3 初始化Three.js场景
现在，我们需要使用Three.js来初始化场景。在页面的底部，添加以下代码：
```html
<script>
// 创建一个场景对象
const scene = new THREE.Scene();
// 创建一个透视摄像机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
// 创建一个渲染器
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({ canvas });
// 设置渲染器的大小
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
// 将渲染器添加到页面中
container.appendChild(renderer.domElement);
// 渲染场景
renderer.render(scene, camera);
</script>
```
以上代码创建了一个场景对象、一个透视摄像机和一个渲染器，并将渲染器添加到页面中的`<canvas>`元素中。最后，使用渲染器对场景进行渲染。
现在，我们已经完成了Three.js环境的设置。在下一章节中，我们将学习如何创建场景中的物体。
# 3. 创建场景中的物体
在这一章节中，我们将学习如何在Three.js场景中创建不同的物体。
#### 添加一个平面
首先，让我们创建一个平面。在Three.js中，平面是由两个维度组成的表面，我们可以为其设定尺寸、位置、颜色和纹理等属性。
```javascript
// 创建平面
var geometry = new THREE.PlaneGeometry(10, 10); // 平面的宽度和高度
var material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 }); // 平面的材质
var plane = new THREE.Mesh(geometry, material); // 创建一个Mesh对象，将平面和材质组合起来
scene.add(plane); // 将平面添加到场景中
```
#### 添加一个立方体
接下来，我们将创建一个立方体对象。立方体由六个平面组成，我们可以为每个平面设定不同的材质和纹理。
```javascript
// 创建立方体
var geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1); // 立方体的宽度、高度和深度
var material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000 }); // 立方体的材质
var cube = new THREE.Mesh(geometry, material); // 创建一个Mesh对象，将立方体和材质组合起来
scene.add(cube); // 将立方体添加到场景中
```
#### 为物体设定材质和纹理
在Three.js中，物体的材质决定了其外观和渲染方式。我们可以使用不同类型的材质来实现融合、透明、反射等效果。同时，我们还可以为物体添加纹理，使其外观更加细腻逼真。
```javascript
// 创建材质和纹理
var material = new THREE.MeshPhongMaterial({ color: 0x00ff00 }); // 使用Phong材质，设置颜色
var texture = new THREE.TextureLoader().load('texture.jpg'); // 导入纹理图片
material.map = texture; // 将纹理赋给材质
plane.material = material; // 将材质赋给平面对象
```
以上是在Three.js场景中创建物体的基本过程，接下来我们将学习如何调整物体的位置和旋转。
# 4. 调整物体的位置和旋转
在本节中，我们将学习如何在Three.js中调整物体的位置、旋转和缩放。这些操作可以帮助我们创建更加生动和丰富的3D场景。
#### 移动物体
在Three.js中，我们可以通过修改物体的位置向量来实现移动物体的效果。假设我们有一个立方体对象`cube`，我们可以通过以下代码将其沿着x、y、z轴移动：
```javascript
// 将立方体沿着x轴正方向移动10个单位
cube.position.x += 10;
// 将立方体沿着y轴正方向移动5个单位
cube.position.y += 5;
// 将立方体沿着z轴负方向移动3个单位
cube.position.z -= 3;
```
#### 旋转物体
同样地，我们也可以通过修改物体的旋转属性来实现旋转效果。以立方体对象`cube`为例，以下代码展示了如何使其绕着y轴旋转：
```javascript
// 将立方体绕着y轴顺时针旋转90度
cube.rotation.y += Math.PI / 2;
```
#### 缩放物体
如果我们需要改变物体的大小，可以通过修改其缩放属性来实现。以下代码展示了如何将立方体对象`cube`沿着各个轴进行缩放：
```javascript
// 将立方体沿着x轴方向缩小一半
cube.scale.x = 0.5;
// 将立方体沿着y轴方向放大2倍
cube.scale.y = 2;
// 将立方体沿着z轴方向缩小至原来的1/4
cube.scale.z = 0.25;
```
在本节中，我们学习了如何在Three.js中调整物体的位置、旋转和缩放，这些操作可以帮助我们创建更加生动和丰富的3D场景。接下来，我们将继续学习如何添加光源和阴影效果。
# 5. 添加光源和阴影效果
在 Three.js 中，光源可以为场景中的物体提供明暗、颜色和投影等效果，并且通过使用阴影效果可以增强场景的逼真度。本章将介绍如何添加光源和阴影效果。
### 5.1 添加环境光
环境光是一种均匀的光源，它会照亮整个场景，使得没有直接光照的区域也能有一定的明暗效果。
```javascript
var ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xffffff, 0.5);
scene.add(ambientLight);
```
在上述代码中，`THREE.AmbientLight` 表示创建一个环境光，参数分别是光的颜色和光的强度。通过 `scene.add` 将环境光添加到场景中。
### 5.2 添加点光源
点光源是一种从一个点向四面八方发射光线的光源，它产生的光线会随着距离的增加而衰弱。
```javascript
var pointLight = new THREE.PointLight(0xff0000, 1, 100);
pointLight.position.set(10, 10, 10);
scene.add(pointLight);
```
在上述代码中，`THREE.PointLight` 表示创建一个点光源，参数分别是光的颜色、光的强度和光的距离范围。通过 `pointLight.position.set` 设置光源的位置，并将点光源添加到场景中。
### 5.3 添加阴影效果
为了在场景中实现阴影效果，需要使用 WebGLRenderer 的 `setShadowMap` 设置。
```javascript
renderer.shadowMap.enabled = true;
renderer.shadowMap.type = THREE.PCFSoftShadowMap;
```
在上述代码中，`renderer.shadowMap.enabled` 表示开启阴影效果，`renderer.shadowMap.type` 表示设置阴影类型为 PCFSoftShadowMap，这种类型的阴影效果较为平滑。
为了使物体产生阴影，需要设置物体的 `castShadow` 属性为 `true`，并设置接收阴影的物体的 `receiveShadow` 属性为 `true`。
```javascript
object.castShadow = true;
object.receiveShadow = true;
```
通过上述步骤，你就可以为场景中的物体添加光源和阴影效果了。
## 总结
本章介绍了如何在 Three.js 中添加光源和阴影效果。通过添加环境光和点光源，可以为场景中的物体提供明暗和颜色的效果。通过设置阴影类型和物体的 `castShadow` 和 `receiveShadow` 属性，可以实现物体的阴影效果，进一步增强场景的逼真度。
# 6. 渲染和控制
在创建了场景和添加了物体之后，我们需要对场景进行渲染，并且添加交互控制功能。
#### 设置相机
相机是用来观察场景的，我们可以通过设置相机的位置、焦距、视角等参数来控制观察的效果。在Three.js中，有多种相机可供选择，如透视相机（PerspectiveCamera）、正交相机（OrthographicCamera）等。接下来，我们创建一个透视相机来观察场景。
```js
// 创建相机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(
75, // 视角
window.innerWidth / window.innerHeight, // 宽高比
0.1, // 近裁剪面
1000 // 远裁剪面
);
// 设置相机位置
camera.position.z = 5;
```
#### 渲染场景
在Three.js中，我们需要创建一个渲染器（Renderer）对象来将场景和相机进行渲染。渲染器将会在HTML页面上创建一个<canvas>元素，然后通过将场景和相机的信息渲染到<canvas>上来实现渲染。
```js
// 创建渲染器
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true });
// 设置渲染器的尺寸为窗口的大小
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
// 将渲染器的输出添加到HTML页面中
document.body.appendChild(renderer.domElement);
// 渲染函数
function animate() {
requestAnimationFrame(animate);
// 渲染场景
renderer.render(scene, camera);
}
// 启动动画循环
animate();
```
#### 添加交互控制功能
为了对场景进行交互操作，我们可以使用一些控制器（Controller）插件，如OrbitControls、TrackballControls等。这些控制器提供了鼠标拖拽、缩放等功能，让我们可以更方便地控制场景的视角。
```js
// 创建控制器
const controls = new THREE.OrbitControls(camera, renderer.domElement);
// 设置控制器的相关参数
controls.enableDamping = true; // 启用阻尼效果，使控制更平滑
controls.dampingFactor = 0.25; // 阻尼系数
controls.rotateSpeed = 0.3; // 旋转速度
// 更新控制器
function update() {
controls.update();
}
// 监听窗口大小变化事件，更新渲染器和相机的尺寸
window.addEventListener('resize', () => {
camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;
camera.updateProjectionMatrix();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
});
// 渲染函数
function animate() {
requestAnimationFrame(animate);
// 渲染场景
renderer.render(scene, camera);
// 更新控制器
update();
}
// 启动动画循环
animate();
```
通过上述代码，我们可以在HTML页面中渲染出包含物体的3D场景，并且可以通过鼠标拖拽、缩放来控制场景的视角。在实际应用中，我们可以根据项目需求进行更多的场景渲染和控制的操作。
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本专栏致力于帮助零基础的读者轻松上手WebGL可视化3D绘图框架Three.js，并通过一系列实践操作，逐步掌握其基础与高级功能。从构建最基本的3D场景开始，逐步引导读者学习如何创建简单的几何体、添加光源、实现鼠标交互、处理Shader编程、渲染过程、模型加载转换、高级材质效果等技术要点。专栏包含了丰富的内容，涵盖了从基础操作到高级功能的全方位指导，例如碰撞检测、物理效果、相机控制、动画特效制作、骨骼动画以及构建复杂的3D场景等。读者将通过本专栏的学习，逐步拓展对Three.js的理解，从而能够应用于实际的3D可视化项目中。
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