前端前沿web 3d可视化技术

完整案例与项目代码：gitee开源项目地址 https://gitee.com/jumping-world-line/01_threeJS_basic

随着浏览器性能和网络带宽的提升 使得3D技术不再是桌面的专利 打破传统平面展示模式

前端方向主要流向的3D图形库包括Three.js和WebGL

• WebGL灵活高性能，但代码量大，难度大，需要掌握很多底层知识和数学知识
• Threejs封装了WebGL的底层细节，可拓展性强，有很多开源的插件和工具，更易上手

就像2G时代文字信息是主要传输媒介 3G时代的图片 4G时代的视频
随着硬件性能与技术的提升，未来的前端也一定是3D的

开始学习

threejs官方项目

首先要有一定的前端开发基础以及开发环境 不多赘述

访问https://threejs.org/ 点击github

拷贝项目到本地即可查看文档 案例文件 使用编辑器等

parcel打包工具

就像前端需要webpack来进行模块化开发 three JS也需要一个对应的工具，他就是PARCEL https://www.parceljs.cn/
当然，也可以使用前端常用的webpack vite等 各有优劣
parcel的优势在于上手速度快 0配置

本地新建空文件夹 使用npm init 命令创建新的NPM包
npm install -g parcel-bundler 安装parcel
手动建立如图的目录结构与基础文件 参考

到此 使用parcel搭建的最基础的threeJS开发环境就完成了

可以拿到ThreeJS的各种接口 方法 常量等

搭建第一个场景和物体

打开上文提到的本地编辑器
。。。感觉和当年在学校学的unity很像，如果有过类似经验，理解上手会很快

相机，即使观察视角
场景，即被观察的物体

• 理解相机的视锥体概念，官方案例
  const camera = new THREE.PerspectiveCamera( fov : Number, aspect : Number, near : Number, far : Number )
  fov — 摄像机视锥体垂直视野角度
  aspect — 摄像机视锥体长宽比
  near — 摄像机视锥体近端面
  far — 摄像机视锥体远端面

这些参数一起定义了摄像机的viewing frustum（视锥体）。

main.js案例代码

//  1.创建场景
const scene = new THREE.Scene()  

//  2.创建并添加相机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75,window.innerWidth/window.innerHeight,0.1,1000)  
camera.position.set(0,0,10) //设置相机位置
scene.add(camera)


//  3. 在场景中创建并添加物体
const cubGeometry = new THREE.BoxGeometry( 1, 1, 1 );// 创建几何立方体
const cubMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({color: 0x00ff00} );// 添加材质
const cube = new THREE.Mesh( cubGeometry, cubMaterial );// 将几何体和材质组合为物体
scene.add( cube );

//  4.设置渲染器并渲染场景
const renderer = new THREE.WebGL1Renderer() //初始化渲染器
renderer.setSize(window.innerWidth,window.innerHeight)  //设置渲染的尺寸大小
document.body.appendChild(renderer.domElement);// 将webgl渲染的内容添加到body
renderer.render(scene,camera) // 使用渲染器，通过相机将场景渲染进来

案例成功
在浏览器中会渲染出一个固定视角下观察到的，黑色场景内的绿色绿色正方体的一面。

轨道控制器查看物体

// 引入轨道控制器
import { OrbitControls } from 'three/examples/jsm/controls/OrbitControls';
// 5.添加控制器-轨道控制器 可以使得相机围绕目标进行轨道运动  通过不断地重新渲染来实现移动视角的效果
const controls = new OrbitControls(camera,renderer.domElement);

function render(){//递归实现每一帧的重新渲染
    renderer.render(scene,camera)
    requestAnimationFrame(render);
}
render();

添加坐标轴辅助器

const axesHelper = new THREE.AxesHelper( 5 );
scene.add( axesHelper );

设置物体移动

function render(){//递归实现每一帧的重新渲染
    //  7.通过循环 不断修改物体的位置
    cube.position.x += 0.1;
    if(cube.position.x > 5){
        cube.position.x = 0;
    }
    renderer.render(scene,camera)
    requestAnimationFrame(render);
}

设置物体缩放和旋转

//  物体的缩放
cube.scale.set(3,2,1);//指物体在X,Y,Z轴上的缩放倍数
//  物体的旋转 ———— 欧拉角描述一个旋转变换，通过指定轴顺序和其各个轴向上的指定旋转角度来旋转一个物体。
cube.rotation.set(Math.PI/4,0,0,'XYZ')//物体沿X轴旋转90度

动画

gsap 补间动画： https://www.npmjs.com/package/gsap
文档：https://greensock.com/ 动画速度调整

//  9.gsap 补间动画  ——  无需再手动计算时间做动画了  内置API自动生成  并能通过丰富的参数和回调进行控制
let animate_line = gsap.to(cube.position,{ 
    x: 5 ,                  //轴对象与动画值
    duration: 5 ,           //持续时间
    ease: "power1.inOut" ,  //速度
    repeat:-1 ,             //重复次数
    yoyo:true ,             //往返运动
    delay:2 ,               //延迟动画开始时间 
    onComplete:()=>{        //动画完成的回调函数

    },
    onStart:()=>{        //动画开始的回调函数

    }
});
let animate_rotat = gsap.to(cube.rotation,{ x: Math.PI*2 , duration: 5 , repeat:-1 , ease: "power1.inOut"});

window.addEventListener("click",()=>{//单击屏幕暂停
    animate_line.isActive()?animate_line.pause():animate_line.resume()
    animate_rotat.isActive()?animate_rotat.pause():animate_rotat.resume()
})
window.addEventListener("dbclick",()=>{//双击屏幕全屏/取消全屏
    document.fullscreenElement?document.exitFullscreen():renderer.domElement.requestFullscreen()
})

function render(){//递归实现每一帧的重新渲染
    //  8.制作动画  ——  时间动画原理(通过每一帧的生成时间为基准来渲染动画  clock函数或render自带时间参数)  较简单 略...  
    renderer.render(scene,camera)
    requestAnimationFrame(render);
}
render();

设置阻尼与监听画面变化渲染画面

// 10.设置控制器阻尼 更真实  需要在每一帧重新生成时调用controls.update();
controls.enableDamping = true;
// 11.监听画面变化渲染画面  
window.addEventListener('resize',()=>{
    camera.aspect = window.innerWidth/window.innerHeight//更新相机
    camera.updateProjectionMatrix();//更新相机投影矩阵
    renderer.setSize(window.innerWidth,window.innerHeight)//更新渲染器尺寸大小
    renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio)//设置渲染器像素比————就是缩放比
})

基本案例完成
总结主要步骤:

• 创建场景
• 创建并添加相机
• 在场景中创建并添加物体(几何体+材质)
• 添加轨道控制器与阻尼、 补间动画(移动 缩放 旋转等)、监听画面变化重新渲染、辅助坐标轴等
• 设置渲染器并渲染场景

入门部分的进阶内容

GUI库 —轻量级UI界面控制库

安装npm install dat.gui,
很方便的工具 感觉也可以用在echarts上

import  * as dat from 'dat.gui';



// 12. GUI  实现开发中快速调试物体的效果
const gui = new dat.GUI();
// 折叠目录  设置文件夹
let folder = gui.addFolder('设置立方体')
//材质工具栏
folder.add(cube.material,'wireframe').name('材质');
//坐标轴工具栏
folder.add(cube.position,'x').min(0).max(5).step(0.001).name('移动X轴坐标').onChange((val)=>{
    // 回调函数 val是修改后的值
}).onFinishChange((val)=>{
    // 回调函数 val是修改后的值
});
//展示工具栏
folder.add(cube,'visible').name('是否展示')
const params = {
    color:'#ffff00',
    fn:()=>{//动画
        gsap.to(cube.position,{ 
            x: 5 ,                  //轴对象与动画值
            duration: 3 ,           //持续时间
            ease: "power1.inOut" ,  //速度
            repeat:-1 ,             //重复次数
            yoyo:true ,             //往返运动
            delay:2 ,               //延迟动画开始时间 
            onComplete:()=>{        //动画完成的回调函数
        
            },
            onStart:()=>{        //动画开始的回调函数
        
            }
        });
    }
};
//颜色工具栏
folder.addColor(params,'color').onChange((val)=>{
    // 回调函数 val是修改后的值
    cube.material.color.set(val);
})
//动画工具栏  点击触发特定效果
folder.add(params,'fn').name('移动动画')

几何体

基础概念：

正方体坐标：最基础的正方体拥有六个面，每个面4个点，共24个点。每个点都需要xyz三轴的坐标，即72个坐标数据。
法相量：面的朝向角度

// 13. 通过顶点设置创建几何体矩形
const geometry = new THREE.BufferGeometry();
const vertices = new Float32Array([
    -1.0,-1.0,1.0,
    1.0,-1.0,1.0,
    1.0,1.0,1.0,
    1.0,1.0,1.0,
    -1.0,1.0,1.0,
    -1.0,-1.0,1.0
]);
geometry.setAttribute('position',new THREE.BufferAttribute(vertices,3));

const Material = new THREE.MeshBasicMaterial({color: 0x00ff00} );// 添加材质
const cube = new THREE.Mesh( geometry, Material );// 将几何体和材质组合为物体

常用网格几何体：

立方缓冲几何体、圆形缓冲几何体、圆锥缓冲几何体、圆柱缓冲几何体、八面缓冲几何体、十二面缓冲几何体、二十面缓冲几何体、边缘缓冲几何体、挤压缓冲几何体、车削缓冲几何体、参数化缓冲几何体、平面缓冲几何体、多面缓冲几何体、圆环缓冲几何体、形状缓冲几何体、球缓冲几何体、圆环缓冲扭结几何体、管道缓冲几何体、网格几何体

纹理与材质

物体=几何体+纹理与材质
相同的形状，加上不同的纹理即可表示不同的物体。例如长方体，可能是板砖，可能是烟盒，也可能是手机等

纹理

// 14 纹理与材质
// 导入纹理 通过图片加载
const textureLoader = new THREE.TextureLoader();
const wenliColorTexture = textureLoader.load('./textures/123.png')
// const wenliColorTexture = textureLoader.load(require('../assets/imgs/textures/123.pn'))
// 添加物体
const cubeGeometry = new THREE.BoxBufferGeometry(1,1,1)
//材质
const BasicMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({
    color:'#ffff00',
    map:wenliColorTexture,
})
const cube = new THREE.Mesh( cubeGeometry, BasicMaterial );// 将几何体和材质组合为物体
scene.add( cube );//在场景中添加物体

纹理偏移 旋转 重复等常用属性

// 14 纹理与材质
// 导入纹理 通过图片加载
const textureLoader = new THREE.TextureLoader();
const wenliColorTexture = textureLoader.load(require('../assets/imgs/textures/123.png'));//纹理加载器
// 纹理常用属性
wenliColorTexture.offset.set(0.5,0.5);//偏移
wenliColorTexture.rotation = Math.PI/4;///旋转45°
wenliColorTexture.center.set(0.5,0.5);///旋转原点 默认(0,0)
wenliColorTexture.repeat.set(2,3);///重复次数
wenliColorTexture.wrapS = THREE.MirroredRepeatWrapping;///重复模式  水平方向  镜像重复
wenliColorTexture.wrapT = THREE.RepeatWrapping;///重复模式  垂直方向  无限重复

纹理显示算法与mipmap

// 纹理的显示算法
// wenliColorTexture.minFilter = THREE.NearestFilter;//一纹素小于一像素时，贴图如何采样
// wenliColorTexture.magFilter = THREE.NearestFilter;//一纹素大于一像素时，贴图如何采样
wenliColorTexture.minFilter = THREE.LinearFilter;//默认值
wenliColorTexture.magFilter = THREE.LinearFilter;//默认值

透明材质与透明纹理

类似铁栅栏场景 需要部分透明 遵循黑遮白显的原则

// 纹理的透明
const wenliAplhaTexture = textureLoader.load(require('../assets/imgs/alphaMap/alphaMap.png'));//纹理加载器加载不透明度灰阶图片

// 添加物体
const cubeGeometry = new THREE.BoxBufferGeometry(1,1,1)
//材质
const BasicMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({
    color:'#ffff00',
    map:wenliColorTexture,
    alphaMap:wenliAplhaTexture,//控制表面透明度(黑色完全透明 白色完全不透明  灰阶代表不透明度)
    transparent:true,//允许透明
})
const cube = new THREE.Mesh( cubeGeometry, BasicMaterial );// 将几何体和材质组合为物体
scene.add( cube );//在场景中添加物体

纹理图片

设置透明纹理图片

（用PS调整了半天 一开始图片没选好效果不尽如人意了23333）

PBR——材质

基于物理渲染，通过计算环境光线使物体更真实

• 灯光属性(Light Properties):
  • 直接照明：直接从光源发射的光至物体表面，造成直接漫反射(整体亮)或高光(局部亮)
  • 间接照明： 环境光直接光等二次反射至物体表面，造成间接漫反射或高光
  • 直接高光
  • 间接高光
  • 阴影
  • 环境光闭塞
• 表面属性(Surface Properties)
  • 基础色
  • 法线：使得表面显得凹凸不平，用于添加表面细节，是一种三维向量（Vector3）数据
  • 高光:定义物体表面不同区域上不同的反射率来区分不同的物体材质
  • 粗糙度
  • 金属度

标准网格材质与光照效果

漫反射环境光

// 添加物体
const cubeGeometry = new THREE.BoxBufferGeometry(1,1,1)
// 14 纹理与材质   纹理常用属性 显示算法 纹理材质的透明
// 导入纹理 通过图片加载
const textureLoader = new THREE.TextureLoader();
const wenliColorTexture = textureLoader.load(require('../assets/imgs/textures/123.png'));//纹理加载器
// const BasicMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({//基础材质 MeshBasicMaterial
// 15. 标准物理网格材质 MeshStandardMaterial 🔺需要灯光和表面属性
const material = new THREE.MeshStandardMaterial({
    map:wenliColorTexture,
    color:'#62b5eb',
})
const cube = new THREE.Mesh( cubeGeometry, material );// 将几何体和材质组合为物体
scene.add( cube );//在场景中添加物体

// 16. 设置灯光
// 环境光(颜色 强度)
const light = new THREE.AmbientLight(0XFFFFFF,0.8);
// 直线平行光(颜色 强度 位置)
const directionLight = new THREE.DirectionalLight(0XFFFFFF,0.8);
directionLight.position.set(10,10,10)
scene.add( light );

漫反射平行光

// 16. 设置灯光
// 环境光(颜色 强度)
const light = new THREE.AmbientLight(0XFFFFFF,0.8);
// 直线平行光(颜色 强度 位置)
const directionLight = new THREE.DirectionalLight(0XFFFFFF,0.8);
directionLight.position.set(10,10,10)
scene.add( directionLight);

粗糙度与粗糙贴图，金属度与金属贴图，法线贴图

粗糙度

const material = new THREE.MeshStandardMaterial({
    map:wenliColorTexture,
    color:'#62b5eb',
    roughness:0,//15.2 粗糙度  0-1 数值越小越光滑
    // roughnessMap:0,//粗糙度贴图  暂无资源
})

金属度

const material = new THREE.MeshStandardMaterial({
    map:wenliColorTexture,
    color:'#62b5eb',
    roughness:0,//15.2 粗糙度  0-1 数值越小越光滑
    // roughnessMap:0,//粗糙度贴图  暂无资源
    metalness:1,//15.3 金属度  0-1 数值越小越不像金属
    // metalnessMap:0,//金属度贴图  暂无资源
})

法线：使得表面显得凹凸不平，用于添加表面细节，通过设置对应贴图后效果是不同区域内面对光的反射效果不同，使物体看起来更真实。无图片资源，下面仅作门的案例展示
设置法线贴图前

法线贴图

设置法线贴图后

纹理材质资源网站

到这里已经不难发现，再ThreeJS开发中，各种图片资源对于最终的效果呈现有着相当重要的作用。
这里有推介的资源网站：

• https://www.poliigon.com/texture ，部分收费

• https://3dtextures.me/

• http://arroway-textures.ch/textures/，注册EPIC 虚幻引擎账号可以免费试用资源

纹理加载进度-设置加载管理器 LoadingManager

LoadingManager 跟踪已加载和待加载的数据

// 16 设置加载管理器LoadingManager   跟踪已加载和待加载的数据
let event = {}
event.onLoad = function(){
    console.log('所有资源图片加载完成')
}
event.onProgress = function(url,num,total){
    console.log(url+'加载完成')
    console.log('加载进度：'+num)
    console.log('资源总数：'+total)
    console.log('加载进度百分比：'+(num/total*100).toFixed(2)+'%')
}
event.onError = function(e){
    console.log(e)
    console.log('图片加载错误')
}
const loadingManager = new THREE.LoadingManager(
    event.onLoad,event.onProgress,event.onError
);

// 14 纹理与材质   纹理常用属性 显示算法 纹理材质的透明
// 导入纹理 通过图片加载
const textureLoader = new THREE.TextureLoader(loadingManager);

环境纹理贴图 物体环境贴图与场景环境贴图

像镜子一样 将周围场景的图像映射在物体上
需要设置三个轴两个方向上的图片属性，共六张图片。

// 17. 环境贴图
const cubeTextureLoader = new THREE.CubeTextureLoader();
const envMapTetxture =  cubeTextureLoader.load([
    require('../assets/imgs/textures/envMapTetxture/px.jpg'),
    require('../assets/imgs/textures/envMapTetxture/nx.jpg'),
    require('../assets/imgs/textures/envMapTetxture/py.jpg'),
    require('../assets/imgs/textures/envMapTetxture/ny.jpg'),
    require('../assets/imgs/textures/envMapTetxture/pz.jpg'),
    require('../assets/imgs/textures/envMapTetxture/nz.jpg'),
])

const spherGeometry = new THREE.SphereBufferGeometry(1,20,20);
const material = new THREE.MeshStandardMaterial({
    metalness:0.7,//15.3 金属度  0-1 数值越小越不像金属
    roughness:0.1,//15.2 粗糙度  0-1 数值越小越光滑
    envMap:envMapTetxture,//17.1  物体环境贴图
});

//17.2  场景环境贴图  缺少资源  待续。。。

const sphere = new THREE.Mesh( spherGeometry, material );// 将几何体和材质组合为物体
scene.add( sphere );//在场景中添加物体

环境纹理贴图 物体环境贴图与场景环境贴图

//17.2   给场景添加背景
scene.background = envMapTetxture;
//17.3   给场景所有物体添加默认的环境贴图
scene.environment = envMapTetxture;

灯光属性

待续。。。

纹理材质初步学习完成
总结:

• 创建场景
• 创建并添加相机 、可设置轨道控制器与阻尼
• 在场景中创建并添加物体、可设置动画效果(移动 缩放 旋转等)
  • 几何体 多个三维坐标点组成一个面或二维图形，多个面组成一个几何体。
    手动标记点和面生成或利用已有API生成。
  • 纹理：通过纹理API设置纹理的颜色、各种效果贴图、偏移、旋转、重复、透明贴图、环境遮挡等。并设置纹理显示算法
  • 材质 ：通过物理渲染使物体更真实。设置灯光属性的照明与反射效果，阴影等；设置物体表面的基础色、法线贴图、高光、粗糙度及粗糙度贴图、金属度及金属度贴图等。
• 设置渲染器并渲染场景、监听画面变化重新渲染、辅助坐标轴等
• GUI轻量级UI界面控制库