three.js实战原理与解析
第一章 简介与概述
1.1 什么是three.js？
官网地址：https://threejs.org/
文档地址：https://threejs.org/docs/index.html#manual/zh/introduction/Installation
three.js，一个WebGL引擎，基于JavaScript，可直接运行GPU驱动游戏与图形驱动应用于浏览器。其库提供大量特性与API以绘制3D场景于浏览器。 与其他3D图形库相比，three.js的优势在于其易用性和跨平台性。它不仅可以在支持WebGL的现代浏览器上运行，还可以在桌面、移动设备和虚拟现实等多个平台上展示3D内容。同时，three.js还提供了丰富的文档和示例，使开发者能够快速入门并探索更高级的图形效果和交互功能。
1.2 three.js的优势与应用领域
three.js具有以下几个优势，使其在各种应用领域中得到广泛应用：
- 易用性：three.js提供了简化的接口和高级功能，使开发者能够以简单的方式构建复杂的3D场景。它具有清晰的文档和丰富的示例，使初学者能够快速入门，并为开发者提供了易于使用的工具。
- 跨平台性：three.js可以在支持WebGL的现代浏览器上运行，包括桌面、移动设备和虚拟现实平台。这使得开发者能够在不同的设备和平台上展示和交互3D内容，无需额外的插件或应用程序。
- 灵活性与可扩展性：three.js提供了丰富的功能和组件，使开发者能够根据需求构建自定义的3D应用程序。它支持各种几何体、材质、光照效果、动画和特效，同时也支持自定义着色器和后期处理效果，为开发者提供了无限的创作可能性。
- 社区支持与生态系统：three.js拥有一个活跃的开源社区，开发者可以从中获取支持、分享经验，并获得各种扩展和工具。此外，社区还贡献了大量的示例、教程和文档，使学习和使用three.js变得更加容易和便捷。
由于以上优势，three.js在多个应用领域中得到广泛应用，包括但不限于：
- 游戏开发：开发者可以利用three.js创建2D或3D的网页游戏，包括休闲游戏、角色扮演游戏、物理模拟等。
- 数据可视化：通过将数据以可视化的方式展示，开发者可以利用three.js创建交互式的数据可视化应用，用于展示复杂的数据模型、图表和地图。
- 虚拟现实和增强现实：three.js可以与WebVR和WebXR技术结合使用，实现虚拟现实和增强现实应用的开发，为用户带来沉浸式的体验。
- 产品展示和教育：通过three.js，开发者可以创建逼真的产品展示场景，让用户在网页上实时查看和交互产品。此外，它还可用于教育领域，创建交互式的教学场景和模拟实验。
- 创意艺术与实验性项目：由于其灵活性和自定义性，three.js被广泛用于艺术项目、创意实验和互动展览等领域，提供了独特而令人惊叹的视觉效果和交互体验。
需要注意的是，由于three.js的灵活性和可定制性，它的应用领域不仅限于上述示例，开发者可以根据需求和创意将其应用于各种不同的领域和项目中。
1.3 开发环境准备
安装代码编辑器：选择一款适合您的代码编辑器，例如Visual Studio Code、Atom、Sublime Text等。确保您选择的编辑器具有语法高亮、代码补全和调试等功能。
安装浏览器：three.js是在Web浏览器中运行的，因此您需要安装一个现代的Web浏览器，如Google Chrome、Mozilla Firefox或Microsoft Edge。
创建项目文件夹：在本地计算机上选择一个文件夹作为您的项目文件夹。您可以通过命令行或图形界面创建文件夹。
引入three.js：有几种方法可以引入three.js库到您的项目中：
下载：访问three.js的官方网站（https://threejs.org/），下载最新版本的three.js库文件，并将其复制到您的项目文件夹中。
CDN：通过使用CDN（内容分发网络），您可以在HTML文件中直接链接到托管的three.js库。例如，可以在HTML文件中的
<head>部分添加以下代码：html<script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/three@0.152.2/build/three.min.js"></script>
创建HTML文件：在您的项目文件夹中创建一个HTML文件，作为您的项目的入口点。在HTML文件中，您将编写three.js代码，并链接three.js库。
编写JavaScript代码：在HTML文件中，使用
<script>标签将JavaScript代码嵌入到文件中，以编写与three.js相关的逻辑和场景代码。运行项目：将HTML文件在浏览器中打开，以查看和测试您的three.js应用程序。您可以直接从浏览器中打开HTML文件，或者在本地搭建一个简单的Web服务器来运行项目。
第二章 基础概念与核心组件
2.1 场景（Scene）
2.1.1 什么是场景？
在three.js中，场景（Scene）是一个容器，用于存放和管理3D场景中的所有对象、光源和相机等元素。它是构建和展示三维图形的基础。
2.1.2 创建场景
在three.js中，创建一个场景非常简单。可以通过以下代码创建一个空的场景：
var scene = new THREE.Scene();2.1.3 添加对象到场景
场景中的对象可以是几何体（Geometries）、材质（Materials）、光源（Lights）以及其他的3D元素。要将对象添加到场景中，可以使用场景的add方法。
var mesh = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(mesh);可以多次调用add方法来添加多个对象到场景中。
2.1.4 移除对象
如果需要从场景中移除对象，可以使用场景的remove方法：
scene.remove(mesh);2.1.5 清空场景
要清空场景中的所有对象，可以使用场景的clear方法：
scene.clear();2.1.6 使用场景
创建和设置场景后，需要将场景与渲染器（Renderer）和相机（Camera）结合使用，以将场景渲染到屏幕上。这通常在渲染循环中完成，例如在每一帧更新和渲染场景。
function animate() {
requestAnimationFrame(animate);
// 更新场景和相机等逻辑
renderer.render(scene, camera);
}以上是场景（Scene）的基本概念和使用方法的简要说明。场景是three.js中非常重要的一个概念，它提供了一个容器，用于组织和管理3D场景中的所有元素。
2.2 相机（Camera）
2.2.1 什么是相机？
在three.js中，相机（Camera）决定了我们在场景中看到的视角和投影方式。它定义了我们观察和呈现3D场景的视图。
2.2.2 相机类型
在three.js中，有几种不同类型的相机可供选择，以满足不同的需求。以下是其中一些常见的相机类型：
- 透视相机（PerspectiveCamera）：透视相机模拟人眼的视角，创建逼真的透视投影效果。透视相机具有视野角度（fov）、长宽比（aspect）、近裁剪面（near）和远裁剪面（far）等参数。
- 正交相机（OrthographicCamera）：正交相机具有平行投影效果，使场景中的物体在任何距离上都具有相同的大小。它通过定义裁剪体积来控制物体的可见性。正交相机具有左、右、上、下、近和远等裁剪平面参数。
2.2.3 创建相机
要创建相机对象，可以使用相应的构造函数，并传入所需的参数。以下是创建透视相机和正交相机的示例代码：
// 创建透视相机
var camera = new THREE.PerspectiveCamera(fov, aspect, near, far);
// 创建正交相机
var camera = new THREE.OrthographicCamera(left, right, top, bottom, near, far);其中，fov代表视野角度，aspect代表长宽比，near和far代表近裁剪面和远裁剪面。对于正交相机，left、right、top、bottom定义了裁剪平面的范围。
2.2.4 设置相机位置和方向
相机的位置和方向决定了观察场景的视角。可以使用相机的position属性设置相机的位置，并使用lookAt()方法设置相机看向的目标位置。其中，target是一个THREE.Vector3类型的目标位置对象，表示相机要观察的目标点的三维坐标。
camera.position.set(x, y, z);
camera.lookAt(target);2.2.5 使用相机
创建并设置相机后，需要将相机与渲染器（Renderer）一起使用，以便在场景中渲染所选择的视角。
renderer.render(scene, camera);在渲染循环中，通过更新相机的位置和方向，可以实现交互式的相机控制和视角变换。
以上是相机（Camera）的基本概念和使用方法的简要说明。相机在three.js中是非常重要的组件，它决定了观察场景的视角和投影方式。
2.3 渲染器（Renderer）
2.3.1 什么是渲染器？
在three.js中，渲染器（Renderer）是将场景中的3D元素渲染到屏幕上的核心组件。它负责处理光照、阴影、材质和纹理等，以生成最终的可视输出。
2.3.2 创建渲染器
在使用渲染器之前，首先需要创建一个渲染器对象。可以通过以下代码创建一个基本的渲染器：
var renderer = new THREE.WebGLRenderer();该代码将创建一个基于WebGL的渲染器。在创建渲染器时，还可以传入一些配置选项，例如指定渲染器的宽度和高度，如：
var renderer = new THREE.WebGLRenderer({ width: window.innerWidth, height: window.innerHeight });2.3.3 设置渲染器
在渲染器创建后，还可以对其进行一些设置以满足特定的需求。以下是一些常用的设置选项：
setSize(width, height)：设置渲染器的宽度和高度，通常将其设置为窗口的大小以充满整个屏幕。
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);setPixelRatio(ratio)：设置渲染器的设备像素比，用于处理高分辨率屏幕。一般情况下，将其设置为window.devicePixelRatio即可。
renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio);setClearColor(color, alpha)：设置渲染器的清除颜色和透明度。清除颜色是渲染每一帧之前用来清除画布的颜色。
renderer.setClearColor(0x000000, 1); // 使用黑色作为清除颜色，透明度为12.3.4 渲染场景
在设置好渲染器后，可以使用render方法将场景渲染到屏幕上。需要指定要渲染的场景和相机。
renderer.render(scene, camera);这个方法会在每一帧中调用，以更新场景的可视输出。通常将其放在一个渲染循环中，以实现动画效果。
function animate() {
requestAnimationFrame(animate);
// 更新场景和相机等逻辑
renderer.render(scene, camera);
}2.3.5 将渲染器输出添加到HTML文档
渲染器生成的渲染输出需要将其添加到HTML文档中的某个元素上。可以使用appendChild方法将渲染器的DOM元素添加到指定的容器中。
var container = document.getElementById('container');
container.appendChild(renderer.domElement);以上是渲染器（Renderer）的基本概念和使用方法的简要说明。渲染器负责将场景渲染到屏幕上，通过设置和调整渲染器的参数，可以实现对输出的控制和优化。
2.4 几何体（Geometry）
2.4.1 什么是几何体？
在three.js中，几何体（Geometry）是描述和定义3D物体形状的对象。它包含了物体的顶点、面和其他相关信息，用于构建和渲染物体的可视表示。
2.4.2 创建几何体
在three.js中，可以通过几何体的构造函数来创建不同类型的几何体。以下是一些常见的几何体类型：
- 立方体（BoxGeometry）：立方体是一种由六个面组成的几何体，每个面都是正方形。
var geometry = new THREE.BoxGeometry(width, height, depth);- 球体（SphereGeometry）：球体是一种由无数个三角面组成的几何体，用于表示球形的物体。
var geometry = new THREE.SphereGeometry(radius, segments, rings);- 圆柱体（CylinderGeometry）：圆柱体是一种由侧面和两个平面组成的几何体，用于表示圆柱形的物体。
var geometry = new THREE.CylinderGeometry(radiusTop, radiusBottom, height, segments);除了上述几何体类型，还有许多其他的几何体可供选择，例如平面（PlaneGeometry）、圆环（TorusGeometry）等。
2.4.3 几何体属性
几何体具有一些常用的属性，可以用于控制和调整几何体的外观。
vertices：顶点数组，表示几何体的顶点位置。faces：面数组，表示几何体的面，其中每个面由三个顶点索引构成。normals：法向量数组，表示每个面的法向量。uvs：UV坐标数组，用于纹理映射。
可以通过设置这些属性来自定义几何体的形状和外观。
2.4.4 更新几何体
几何体是可变的，可以通过修改几何体的属性来实时更新其形状。例如，可以修改顶点位置、添加或移除顶点等。
geometry.vertices[index].x = newX;
geometry.verticesNeedUpdate = true; // 标记顶点位置已更新2.4.5 几何体和网格
几何体本身不可见，需要与网格（Mesh）对象结合使用，将几何体赋值给网格的geometry属性。
var mesh = new THREE.Mesh(geometry, material);网格是由几何体和材质组合而成的对象，可以添加到场景中进行渲染和显示。
以上是几何体（Geometry）的基本概念和使用方法的简要说明。几何体用于描述3D物体的形状，可以通过设置属性和修改顶点来调整几何体的外观。
2.5 材质（Material）
2.5.1 什么是材质？
在three.js中，材质（Material）定义了物体表面的外观和渲染属性。它决定了物体在光照条件下的颜色、反射、阴影等视觉效果。
2.5.2 创建材质
在three.js中，可以通过材质的构造函数来创建不同类型的材质。以下是一些常见的材质类型：
- 基础材质（MeshBasicMaterial）：基础材质不考虑光照的影响，只显示基本的颜色或纹理。
var material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000 });- 兰伯特材质（MeshLambertMaterial）：兰伯特材质考虑了光照的影响，具有漫反射和阴影效果。
var material = new THREE.MeshLambertMaterial({ color: 0xff0000 });- 镜面反射材质（MeshPhongMaterial）：镜面反射材质考虑了光照的影响，并具有镜面反射效果。
var material = new THREE.MeshPhongMaterial({ color: 0xff0000 });除了上述材质类型，还有许多其他的材质可供选择，例如透明材质（MeshBasicMaterial）、自发光材质（MeshBasicMaterial）等。
2.5.3 材质属性
材质具有一些常用的属性，可以用于控制和调整材质的外观。
color：材质的颜色。map：材质的纹理贴图。opacity：材质的透明度。transparent：指定材质是否透明。side：指定材质的渲染面。
可以通过设置这些属性来自定义材质的外观和渲染效果。
2.5.4 使用材质
材质需要与几何体（Geometry）结合使用，将材质赋值给几何体对应的网格（Mesh）对象。
var mesh = new THREE.Mesh(geometry, material);通过将几何体和材质组合成网格，可以将物体添加到场景中进行渲染和显示。
2.5.5 材质和光照
在渲染过程中，材质和光照密切相关。不同类型的材质对光照的反应效果不同，例如基础材质（MeshBasicMaterial）不考虑光照，而兰伯特材质（MeshLambertMaterial）和镜面反射材质（MeshPhongMaterial）会考虑光照的影响。
通过设置光源和调整材质的光照属性，可以实现不同的视觉效果和渲染结果。
以上是材质（Material）的基本概念和使用方法的简要说明。材质决定了物体的外观和渲染效果，通过设置材质的属性，可以实现对物体外观的控制和定制。
2.6 光源（Light）
2.6.1 什么是光源？
在three.js中，光源（Light）用于模拟光照效果，影响场景中物体的外观和阴影。光源可以是点光源、平行光源、聚光灯等不同类型。
2.6.2 创建光源
在three.js中，可以通过光源的构造函数来创建不同类型的光源。以下是一些常见的光源类型：
- 点光源（PointLight）：点光源以指定的位置向各个方向发射光线，类似于一个发光的球体。
var light = new THREE.PointLight(color, intensity, distance, decay);- 平行光源（DirectionalLight）：平行光源以指定的方向发射平行光线，类似于太阳的光线。
var light = new THREE.DirectionalLight(color, intensity);- 聚光灯（SpotLight）：聚光灯以指定的位置和方向发射锥形范围内的光线。
var light = new THREE.SpotLight(color, intensity, distance, angle, penumbra, decay);除了上述光源类型，还有许多其他的光源可供选择，例如环境光（AmbientLight）、半球光（HemisphereLight）等。
2.6.3 光源属性
光源具有一些常用的属性，可以用于控制和调整光源的外观和影响范围。
color：光源的颜色。intensity：光源的强度。distance：光源的影响范围。decay：光源的衰减系数。angle：聚光灯的发射角度。
通过设置这些属性，可以自定义光源的外观和影响效果。
2.6.4 光照效果
在渲染过程中，光源与材质（Material）相互作用，产生不同的光照效果。
- 基础材质（MeshBasicMaterial）不受光源影响，始终显示基本颜色。
- 兰伯特材质（MeshLambertMaterial）根据光源的方向和强度产生漫反射效果，形成平面的阴影。
- 镜面反射材质（MeshPhongMaterial）在漫反射效果的基础上，还考虑了镜面反射，形成光亮的高光区域。
通过调整光源和材质的属性，可以实现不同的光照效果和渲染结果。
以上是光源（Light）的基本概念和使用方法的简要说明。光源模拟了光照的效果，通过设置光源的属性和与材质的交互，可以实现对物体外观和阴影的控制。
2.7 控制器（Controller）
2.7.1 什么是控制器？
在three.js中，控制器（Controller）用于交互式地控制和操作3D场景中的物体。它可以让用户通过鼠标、键盘或触摸手势来旋转、缩放、平移物体或者改变相机的位置和视角。
2.7.2 内置控制器
three.js提供了一些内置的控制器，方便开发者快速实现交互操作。以下是一些常见的内置控制器：
- 轨道控制器（OrbitControls）：允许用户通过鼠标拖拽和滚轮来旋转、缩放和平移相机。
var controls = new THREE.OrbitControls(camera, renderer.domElement);- 第一人称控制器（FirstPersonControls）：模拟第一人称视角，允许用户通过鼠标和键盘来控制相机的移动。
var controls = new THREE.FirstPersonControls(camera, renderer.domElement);- 设备方向控制器（DeviceOrientationControls）：使用设备的方向传感器（如手机陀螺仪）来控制相机的旋转。
var controls = new THREE.DeviceOrientationControls(camera);2.7.3 自定义控制器
除了内置控制器，您还可以根据需要自定义控制器。通过监听用户的输入事件（如鼠标移动、键盘按键等），您可以编写自己的控制器逻辑来实现特定的交互效果。
自定义控制器的实现需要结合场景、相机和物体的属性来进行相应的变换和操作。
2.7.4 控制器属性和方法
控制器具有一些常用的属性和方法，用于控制和调整交互行为和效果。
enabled：指示控制器是否启用。target：控制器的目标点，用于控制相机的旋转中心或平移的参考点。update()：更新控制器的状态，通常在动画循环中调用。
通过设置这些属性和调用相应的方法，可以实现对控制器行为的定制和控制。
2.7.5 使用控制器
使用控制器需要将其实例与相机关联，并将其绑定到渲染器的元素上，以便捕捉用户的输入事件。
controls = new THREE.OrbitControls(camera, renderer.domElement);然后，可以在渲染循环中调用控制器的update()方法来更新控制器的状态。
function animate() {
requestAnimationFrame(animate);
// 更新控制器状态
controls.update();
// 渲染场景
renderer.render(scene, camera);
}通过使用控制器，用户可以与场景进行交互，并实现对物体和相机的控制。
第三章 3D对象的创建与操作
3.1 创建与添加对象
在three.js中，可以通过创建几何体（Geometry）和应用材质（Material）来创建3D对象。然后，将这些对象添加到场景中进行渲染和显示。
3.1.1 创建几何体
在创建3D对象之前，首先需要创建几何体，它定义了物体的形状和结构。three.js提供了各种几何体类型，如立方体（BoxGeometry）、球体（SphereGeometry）、圆柱体（CylinderGeometry）等。
var geometry = new THREE.BoxGeometry(width, height, depth);可以根据需要调整几何体的尺寸和细分级别。
3.1.2 创建材质
创建几何体后，需要为其应用材质，以决定物体的外观和渲染效果。three.js提供了多种材质类型，如基础材质（MeshBasicMaterial）、兰伯特材质（MeshLambertMaterial）、镜面反射材质（MeshPhongMaterial）等。
var material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 });可以根据需要设置材质的颜色、纹理、光照属性等。
3.1.3 创建对象
通过将几何体和材质组合在一起，可以创建一个完整的3D对象。
var cube = new THREE.Mesh(geometry, material);可以根据需要创建多个3D对象，并将它们添加到场景中进行显示和渲染。
3.1.4 添加对象到场景
创建完3D对象后，需要将它们添加到场景中，以便进行渲染和显示。
scene.add(cube);可以通过add()方法将对象添加到场景中，从而使其可见。
3.1.5 对象的位置和旋转
可以通过设置对象的位置和旋转来调整其在场景中的位置和朝向。
cube.position.set(x, y, z);
cube.rotation.set(x, y, z);通过修改对象的position和rotation属性，可以实现平移和旋转的效果。
3.2 对象的位置、旋转和缩放
在three.js中，可以通过设置对象的位置、旋转和缩放来调整对象在3D场景中的位置、朝向和大小。这些变换操作可以用于实现物体的运动、动画和布局等效果。
3.2.1 对象的位置
对象的位置由其在3D场景中的坐标表示。通过修改对象的position属性，可以将对象移动到指定的位置。
object.position.set(x, y, z);其中，(x, y, z)是对象在坐标系中的位置。
3.2.2 对象的旋转
对象的旋转由其在3D场景中的欧拉角（Euler Angles）表示，即绕三个轴的旋转角度。通过修改对象的rotation属性，可以实现对象的旋转效果。
object.rotation.set(x, y, z);其中，(x, y, z)是对象绕x轴、y轴和z轴的旋转角度。
3.2.3 对象的缩放
对象的缩放用于调整对象在3D场景中的大小。通过修改对象的scale属性，可以实现对象的缩放效果。
object.scale.set(x, y, z);其中，(x, y, z)是对象在各个轴上的缩放比例。
3.2.4 变换顺序
需要注意的是，对象的变换操作（位置、旋转和缩放）的顺序会影响最终的结果。在three.js中，默认的变换顺序是先缩放，再旋转，最后平移。这意味着对象会先缩放，然后旋转，并最终平移到指定的位置。
如果需要改变变换顺序，可以使用object.matrix属性手动设置变换矩阵。
3.2.5 局部变换和全局变换
对象的变换可以是局部的（相对于对象自身的坐标系）或全局的（相对于场景的全局坐标系）。默认情况下，对象的变换是局部的。但是，可以使用object.matrixWorld属性获取对象的全局变换矩阵。
var matrixWorld = object.matrixWorld;全局变换适用于场景中多个对象的协同变换，例如一个对象跟随另一个对象旋转。
3.2.6 组合变换
对象的位置、旋转和缩放可以组合在一起，以实现复杂的变换效果。可以通过连续地设置对象的position、rotation和scale属性，或者使用object.matrix属性来实现组合变换。
3.3 对象的动画与交互
在three.js中，可以使用动画和交互来增强3D对象的表现力和用户体验。通过动画，可以使对象在场景中平滑地移动、旋转和变形。通过交互，用户可以与对象进行互动，例如点击、拖拽和悬停。
3.3.1 对象的动画
对象的动画可以通过在渲染循环中连续更新对象的属性来实现。常见的动画效果包括平移、旋转、缩放以及透明度的渐变等。
function animate() {
requestAnimationFrame(animate);
// 更新对象的属性，实现动画效果
object.position.x += speed;
object.rotation.y += rotationSpeed;
// 渲染场景
renderer.render(scene, camera);
}在动画循环中，可以根据需求修改对象的属性，从而实现平滑的动画效果。
3.3.2 对象的交互
通过对象的交互，可以使用户与3D场景进行互动。常见的交互方式包括点击、悬停、拖拽等。
// 添加鼠标点击事件监听器
object.addEventListener('click', onClick);
// 添加鼠标悬停事件监听器
object.addEventListener('mouseover', onMouseOver);
// 添加鼠标离开事件监听器
object.addEventListener('mouseout', onMouseOut);
// 添加拖拽事件监听器
object.addEventListener('drag', onDrag);在事件监听器中，可以根据用户的操作来执行相应的逻辑，例如改变对象的颜色、执行特定的动画等。
3.3.3 动画库和交互库
除了手动编写动画和交互逻辑，您还可以使用现有的动画库和交互库来简化开发过程。例如，Tween.js和GSAP（GreenSock Animation Platform）是常用的动画库，它们提供了丰富的动画效果和缓动函数。而在交互方面，可以使用Three.js的扩展库如THREE.js-Interaction来实现更复杂的交互效果。
3.3.4 性能优化
在进行对象的动画和交互时，需要注意性能优化，以保持流畅的用户体验。一些优化技巧包括：
- 避免频繁的属性更新，尽量使用变换矩阵来操作对象；
- 合并多个对象的渲染，减少渲染调用次数；
- 使用请求动画帧（requestAnimationFrame）来控制动画循环的刷新率。
通过合理的优化，可以提高动画和交互的性能和效果。