3D世界

前言
最近在学习three.js,以下是我的笔记。

相关概念了解

1.WebGL与Three.js

1.1什么是WebGL

WebGL是基于OpenGL ES 2.0的Web标准,可以通过HTML5 Canvas元素作为DOM接口访问。
听起来挺像回事儿的,但是这是什么意思呢?
如果你了解OpenGL,那么我解释起来就比较轻松了。WebGL可以看做是将OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems,OpenGL嵌入式版本,针对手机、游戏机等设备相对较轻量级的版本)移植到了网页平台,像Chrome、Firefox这些现代浏览器都实现了WebGL标准,使用JavaScript就可以用你熟悉的、类似OpenGL的代码编写了。
如果你不了解OpenGL,那也没关系,因为正如Three.js不需要你了解OpenGL或WebGL一样,本书也不需要你预先知道这些知识。你可以把WebGL简单地认为是一种网络标准,定义了一些较底层的图形接口,至于究竟多底层,稍后我们和Three.js代码对比来看。本书不会过多涉及WebGL的相关知识,如果读者想学习的话,市场上有不少相关书籍可供参考。
现在,我们知道了WebGL是一个底层的标准,在这些标准被定义之后,Chrome、Firefox之类的浏览器实现了这些标准。然后,程序员就能通过JavaScript代码,在网页上实现三维图形的渲染了。如果这对你来说还是太抽象,别着急,稍后我们会用具体的例子来说明。

1.2什么是WebGL

Three.js究竟能用来干什么呢?
Three.js封装了底层的图形接口,使得程序员能够在无需掌握繁冗的图形学知识的情况下,也能用简单的代码实现三维场景的渲染。我们都知道,更高的封装程度往往意味着灵活性的牺牲,但是Three.js在这方面做得很好。几乎不会有WebGL支持而Three.js实现不了的情况,而且就算真的遇到这种情况,你还是能同时使用WebGL去实现,而不会有冲突。当然,除了WebGL之外,Three.js还提供了基于Canvas、SVG标签的渲染器,但由于通常WebGL能够实现更灵活的渲染效果,所以本书主要针对基于WebGL渲染器进行说明。

1.1.3 WebGL vs. Three.js

画一个这个图

image

three 写法

var renderer = new THREE.WebGLRenderer({
    canvas: document.getElementById('mainCanvas')
});
renderer.setClearColor(0x000000); // black

var scene = new THREE.Scene();

var camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, 4 / 3, 1, 1000);
camera.position.set(0, 0, 5);
camera.lookAt(new THREE.Vector3(0, 0, 0));
scene.add(camera);

var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
        color: 0xffffff // white
});
// plane
var planeGeo = new THREE.PlaneGeometry(1.5, 1.5);
var plane = new THREE.Mesh(planeGeo, material);
plane.position.x = 1;
scene.add(plane);

// triangle
var triGeo = new THREE.Geometry();
triGeo.vertices = [new THREE.Vector3(0, -0.8, 0),
        new THREE.Vector3(-2, -0.8, 0), new THREE.Vector3(-1, 0.8, 0)];
triGeo.faces.push(new THREE.Face3(0, 2, 1));
var triangle = new THREE.Mesh(triGeo, material);
scene.add(triangle);

renderer.render(scene, camera);

WebGL代码

var gl;
function initGL(canvas) {
    try {
        gl = canvas.getContext("experimental-webgl");
        gl.viewportWidth = canvas.width;
        gl.viewportHeight = canvas.height;
    } catch (e) {
    }
    if (!gl) {
        alert("Could not initialise WebGL, sorry :-(");
    }
}

function getShader(gl, id) {
    var shaderScript = document.getElementById(id);
    if (!shaderScript) {
        return null;
    }

    var str = "";
    var k = shaderScript.firstChild;
    while (k) {
        if (k.nodeType == 3) {
            str += k.textContent;
        }
        k = k.nextSibling;
    }

    var shader;
    if (shaderScript.type == "x-shader/x-fragment") {
        shader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
    } else if (shaderScript.type == "x-shader/x-vertex") {
        shader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
    } else {
        return null;
    }

    gl.shaderSource(shader, str);
    gl.compileShader(shader);

    if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
        alert(gl.getShaderInfoLog(shader));
        return null;
    }

    return shader;
}

var shaderProgram;

function initShaders() {
    var fragmentShader = getShader(gl, "shader-fs");
    var vertexShader = getShader(gl, "shader-vs");

    shaderProgram = gl.createProgram();
    gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader);
    gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader);
    gl.linkProgram(shaderProgram);

    if (!gl.getProgramParameter(shaderProgram, gl.LINK_STATUS)) {
        alert("Could not initialise shaders");
    }

    gl.useProgram(shaderProgram);

    shaderProgram.vertexPositionAttribute = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "aVertexPosition");
    gl.enableVertexAttribArray(shaderProgram.vertexPositionAttribute);

    shaderProgram.pMatrixUniform = gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uPMatrix");
    shaderProgram.mvMatrixUniform = gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uMVMatrix");
}

var mvMatrix = mat4.create();
var pMatrix = mat4.create();

function setMatrixUniforms() {
    gl.uniformMatrix4fv(shaderProgram.pMatrixUniform, false, pMatrix);
    gl.uniformMatrix4fv(shaderProgram.mvMatrixUniform, false, mvMatrix);
}

var triangleVertexPositionBuffer;
var squareVertexPositionBuffer;

function initBuffers() {
    triangleVertexPositionBuffer = gl.createBuffer();
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, triangleVertexPositionBuffer);
    var vertices = [
         0.0,  1.0,  0.0,
        -1.0, -1.0,  0.0,
         1.0, -1.0,  0.0
    ];
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW);
    triangleVertexPositionBuffer.itemSize = 3;
    triangleVertexPositionBuffer.numItems = 3;

    squareVertexPositionBuffer = gl.createBuffer();
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, squareVertexPositionBuffer);
    vertices = [
         1.0,  1.0,  0.0,
        -1.0,  1.0,  0.0,
         1.0, -1.0,  0.0,
        -1.0, -1.0,  0.0
    ];
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW);
    squareVertexPositionBuffer.itemSize = 3;
    squareVertexPositionBuffer.numItems = 4;
}

function drawScene() {
    gl.viewport(0, 0, gl.viewportWidth, gl.viewportHeight);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

    mat4.perspective(45, gl.viewportWidth / gl.viewportHeight, 0.1, 100.0, pMatrix);

    mat4.identity(mvMatrix);

    mat4.translate(mvMatrix, [-1.5, 0.0, -7.0]);
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, triangleVertexPositionBuffer);
    gl.vertexAttribPointer(shaderProgram.vertexPositionAttribute, triangleVertexPositionBuffer.itemSize, gl.FLOAT, false, 0, 0);
    setMatrixUniforms();
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, triangleVertexPositionBuffer.numItems);

    mat4.translate(mvMatrix, [3.0, 0.0, 0.0]);
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, squareVertexPositionBuffer);
    gl.vertexAttribPointer(shaderProgram.vertexPositionAttribute, squareVertexPositionBuffer.itemSize, gl.FLOAT, false, 0, 0);
    setMatrixUniforms();
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, squareVertexPositionBuffer.numItems);
}

function webGLStart() {
    var canvas = document.getElementById("lesson01-canvas");
    initGL(canvas);
    initShaders();
    initBuffers();

    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

    drawScene();
}

总结:从上面的代码我们不难发现,使用原生WebGL接口实现同样功能需要5倍多的代码量,而且很多代码对于没有图形学基础的程序员是很难看懂的。由这个例子我们可以看出,使用Three.js开发要比WebGL更快更高效。尤其对图形学知识不熟悉的程序员而言,使用Three.js能够降低学习成本,提高三维图形程序开发的效率

参考:
three.js入门指南

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