邂逅Three.js探秘图形世界之美

可能了解过three.js等大型的3D 图形库同学都知道啊，学习3D技术都需要有图形学、线性代数、webgl等基础知识，以前读书学的线性代数足够扎实的话听这节课也会更容易理解，这是shader课程，希望能帮助你理解着色器，也面向第一次了解threejs的同学。

本文相关文献资料：

  • three.js https://threejs.org/
  • Become a Three.js developer https://threejs-journey.com/
  • WebGL Shader 魔法指南：创意图形编程入门 https://juejin.cn/book/7267462574734573604?utm_source=course_list
  • 下雨特效 https://www.shadertoy.com/view/ltffzl
  • GAMES101-现代计算机图形学入门-闫令琪 https://www.bilibili.com/video/BV1X7411F744/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=ae1012c48d1ebdad8a46df1d056238b9
  • -UP主汉语配音-【线性代数的本质】合集-转载于3Blue1Brown官方双语】https://www.bilibili.com/video/BV1ib411t7YR/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=ae1012c48d1ebdad8a46df1d056238b9
  • 【双语字幕】什么是仿射变换？https://www.bilibili.com/video/BV1254y1h7R7/?spm_id_from=333.1007.top_right_bar_window_custom_collection.content.click&vd_source=ae1012c48d1ebdad8a46df1d056238b9
  • 图形学：MVP变换概述 https://zhuanlan.zhihu.com/p/551648397

学习Three.js有啥用？

  • 工作上的可视化智慧小区、园区的建筑模型，包括外观、内部布局和房间分配等。

  • 元宇宙交互式导览 用户可以在元宇宙内自由探索，虚拟世界！VR和AR等技术应用。

  • 个人上的学习 Three.js 可以让你在 Web 上轻松地创建出令人惊叹的 3D 图形和交互体验，为你的项目添加更多视觉上的吸引力和创造力。
    经典案例：https://lusion.co/

让我们探秘数学的魅力，了解优雅的图形学，让枯燥无味的数字渲染出绚丽多彩的3D世界，了解底层的着色器原理是如此的精彩绝伦，今天的文章就让我们从底层开始揭秘优雅的three.js的面纱吧！

three.js的介绍和特点

Three.js 非常庞大，你可以用它做很多的事情。我们将学习所有基础知识，例如创建第一个场景、渲染、添加对象、选择正确的材料、添加纹理、为所有内容制作动画、添加光和阴影，甚至有些人可能会觉得这部分有点无聊，因为都是一些API的讲解。刚体（物理physic）很重要，可以看我之前发的文章

还有blender帮助我们导入导出模型和自己建模（有些偏离three的课题，但是真的很酷）

元神启动！！！！

tutieshi_640x432_20s.gif
但是篇幅不够了，所以后半段我选择给大家着重讲一讲底层的原理，大名鼎鼎的“着色器”，这是大家开始觉得学习困难的地方，并且有充分的理由。着色器很难，但着色器将释放 WebGL 的真正力量。

hello！three.js

铺垫了这么久，我们直接进入正题吧～！
郭隆邦安装three.js教程：
http://www.webgl3d.cn/pages/cd35b2/
安装glsl环境：

要添加语法着色，如果您使用的是 VSCode，请转到您的插件，搜索shader并安装该Shader languages support for VS Code插件。如果您使用其他代码编辑器，请寻找兼容的插件并关注流行度和评论。

three四要素

这是最简单最基础的渲染three的方式，所以我们花时间讲一下，本文还会出现动画，自适应尺寸，debug UI调试界面等看下注释就懂了。

场景

import * as THREE from 'three'

// Scene 场景就像一个容器。我们将对象、模型、粒子、灯光等放入其中，并在某个时候要求 Three.js 渲染该场景。
const scene = new THREE.Scene()

网格

three内置有许多种几何体和材料的类型，但我们今天先简单的创建一个BoxGeometry和一个MeshBasicMaterial。

// Object 
// 形状 参数：长宽高
const geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1)
// 材质 参数： 颜色
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000 })
// 网格是几何体（形状）和材质的组合。
const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material)

// 如果不向scene场景添加mesh对象，那么这个对象就无法渲染了。
scene.add(mesh)

相机

// Sizes
const sizes = {
  width: 800,
  height: 600
}

// Camera 相机不可见。这更像是一种理论观点。当我们对场景进行渲染时，将从该摄像机的视觉角度进行渲染。(mvp会讲怎么做到的)
// 参数一：视野
// 参数二：纵横比
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, sizes.width / sizes.height)
scene.add(camera)

渲染器

// Canvas
const canvas = document.querySelector('canvas.webgl')

// ...

// Renderer 渲染器的工作是进行渲染
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({
  canvas: canvas
})
renderer.setSize(sizes.width, sizes.height)
renderer.render(scene, camera)

一个完整的项目代码

直接看注释就懂了，用法很简单

import * as THREE from 'three'
import { OrbitControls } from 'three/examples/jsm/controls/OrbitControls.js'
import * as dat from 'lil-gui'

/**
 * Base
 */
// Debug
const gui = new dat.GUI({ width: 340 })

// Canvas
const canvas = document.querySelector('canvas.webgl')

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

/**
 * Object
 */
// Geometry
// 创建平面几何体
const geometry = new THREE.PlaneGeometry(2, 2, 128, 128)

// Material
// 创建基础材质
const material = new THREE.MeshBasicMaterial()

// Mesh
// 创建网格
const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material)
// 添加到场景上（很重要）
scene.add(mesh)

/**
 * Sizes
 */
// 获取用户浏览器宽高
const sizes = {
  width: window.innerWidth,
  height: window.innerHeight
}

// 监听屏幕缩放事件
window.addEventListener('resize', () =>
  {
    // Update sizes
    sizes.width = window.innerWidth
    sizes.height = window.innerHeight

    // Update camera
    camera.aspect = sizes.width / sizes.height
    // 更新投影矩阵
    camera.updateProjectionMatrix()

    // Update renderer
    renderer.setSize(sizes.width, sizes.height)
    // 更新像素比
    renderer.setPixelRatio(Math.min(window.devicePixelRatio, 2))
  })

/**
 * Camera
 */
// Base camera
// 创建投影相机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, sizes.width / sizes.height, 0.1, 100)
// 相机默认在原点，所以要设置位置，否则就和mesh重合了
camera.position.set(1, 1, 1)
// 别忘了把相机添加到场景上！
scene.add(camera)

// Controls
// 轨道控制器
const controls = new OrbitControls(camera, canvas)
// 开启阻尼效果
controls.enableDamping = true

/**
 * Renderer
 */
// 创建渲染器
const renderer = new THREE.WebGLRenderer({
  canvas: canvas
})
// 设置渲染器的大小
renderer.setSize(sizes.width, sizes.height)
// 设置渲染器的像素比
renderer.setPixelRatio(Math.min(window.devicePixelRatio, 2))

/**
 * Animate
 */
// 获取时间的类
const clock = new THREE.Clock()

const tick = () =>
  {
    // 获取当前经过的时间
    const elapsedTime = clock.getElapsedTime()

    // Update controls
    // 更新控制器
    controls.update()

    // Render
    // 重新渲染场景和相机
    renderer.render(scene, camera)

    // Call tick again on the next frame
    // 递归调用自身，无限循环钩子
    window.requestAnimationFrame(tick)
  }

tick()

Shader 的魅力

这是最值得期待的一部分。我们上半节课已经讨论过着色器，所以大家可能会好奇它究竟是用来干什么的？
着色器是用 GLSL 编写的发送到 GPU 的程序。
看看着色器能做些什么：
https://zero.tech/
https://homunculus.jp/
Shader本身固然十分强大，但学起来也是相当有难度的。
一方面，它代码的核心就是计算，这涉及到了大量的数学和线性代数的知识，非常抽象；另一方面，它没有跟传统编程语言类似的调试工具，想要了解变量值的变化，只能通过观察画面的输出，对于初学者来说并不是很友好，这就是原生 WebGL 的学习如此困难的原因。

什么是 WebGL？

WebGL 是一种 JavaScript API，可以以惊人的速度在画布中绘制三角形。它与大多数现代浏览器兼容，而且速度很快，因为它是直接操作使用我们的图形处理单元 (GPU)。GPU 可以进行数千次并行计算。想象一下，想要渲染一个 3D 模型，而这个模型由 900 个三角形组成——仔细想想，这并不多。每个三角形包括 3 个点。当我们想要渲染我们的模型时，GPU 将不得不计算这 2700 个点的位置。因为 GPU 可以进行并行计算，所以它会在一个原始数据中处理所有的三角形点。
tutieshi_640x385_10s.gif

image.png

GLSL语言介绍

我们简单介绍一下GLSL语言！
用于编码着色器的语言称为 GLSL，代表 OpenGL 着色语言。很接近C语言。让我们了解其语法的基础知识。(学过c语言的有福了)

float fooBar = 0.123; // 浮点
int foo = 123; // 整数
bool foo = true; // 布尔

// 函数
float loremIpsum()
{
  float a = 1.0;
  float b = 2.0;

  return a + b;
}

GLSL内置了很多经典的函数如也有非常实用的函数。

向量 vector

向量(也叫矢量)(vector)，具有大小和方向的量。向量可以理解为是空间中的箭头。
基向量(basis vectors)
我们可以认为任何向量都是由2个基向量通过伸缩得到的，比如 向量v[-5,2] 可以由 基向量i[1,0] 向左伸缩5倍，基向量j[0,1]向上伸缩2倍得到
即 v = ai + bj = -5i + 2j
image.png
我们可以选择不同的基向量来获取一个合理的不同的坐标系
要注意一点，每当我们用数字描述一个向量时，都是基于基向量的
齐次坐标
vec4可以是一个齐次坐标(x, y, z,w)即为x/w, y/w, z/w），由此齐次坐标有规模不变性，还可以表示无穷远处的点。
在计算机图形学中，齐次坐标是一种扩展了传统的笛卡尔坐标系的表示方法，它包含了额外的一个分量’w’。
我们思考这样一个问题：两条平行线可以相交吗？
但是齐次坐标坐标中结果是不一样的，试想一条铁轨：
image.png
可以发现，在无穷远处，两条铁轨相交汇合为一点！
齐次坐标就是将一个原本是n维的向量用一个n+1维向量来表示。

image.png

向量加法：

向量乘法：

矩阵 matrix

线性变换(linear transformation)，其实也可以理解成函数处理，该函数接收一个向量，经过处理后输出另一个向量。
在空间里，一个向量可以通过移动得到另一个向量
线性变换可以理解为原始的时候在xy坐标系中，是一个个正方形表格，通过线性变换后，这些表格线还是保持平行的且等距分布。
**矩阵(matrix)**代表一个特定的线性变换，矩阵跟向量的乘积就是将线性变换作用于这个向量

看视频更直观的了解一下：
https://www.bilibili.com/video/BV1ib411t7YR/?p=5&vd_source=ae1012c48d1ebdad8a46df1d056238b9
三维矩阵乘法

了解MVP变换

image.png
了解到了线性代数的一些基础知识，我们开始讲解MVP变换
MVP变换，就是Model模型、View观察、Projection投影变换三个单词的缩写。
我们先拆分一下这三个矩阵来认识了解这三个矩阵

uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform mat4 modelMatrix;

attribute vec3 position;

void main()
{
  vec4 modelPosition = modelMatrix * vec4(position, 1.0); 
  vec4 viewPosition = viewMatrix * modelPosition;
  vec4 projectedPosition = projectionMatrix * viewPosition;

  gl_Position = projectedPosition;
}

仿射变换

https://www.bilibili.com/video/BV1254y1h7R7/?spm_id_from=333.1007.top_right_bar_window_custom_collection.content.click&vd_source=ae1012c48d1ebdad8a46df1d056238b9

MVP变换

我们已经了解到了仿射变换，接下来了解模型矩阵就比较好理解了看下面

模型矩阵

根据线代的知识，对于三维空间中的一个点进行平移，可以将坐标乘上一个平移矩阵，那么想让一个小盒子进行平移，则对其所有顶点都乘上一个平移矩阵，使其所有顶点都进行平移。
同理，想让一个小盒子进行大小的放缩，让其顶点都成上一个放缩矩阵即可。
除了平移和放缩，变换还包括旋转，在三维空间中，绕哪个轴进行旋转，都有不同的公式。具体的公式由极坐标即可较容易推导出。具体推导过程以及绕Y轴旋转的特殊性可以看：
将上述三中类型的矩阵作用在一起，即可得到模型变换矩阵，要注意**矩阵的顺序是从右到左作用到局部空间中的顶点上的。**即先进行缩放、旋转后，再进行平移。
后面的视图矩阵、投影矩阵不是我们本节课的重点，所以不会过多讲解了，感兴趣可以自行去了解，这两个矩阵也更复杂。可以参考课程GAMES101-现代计算机图形学入门-闫令琪https://www.bilibili.com/video/BV1X7411F744/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=ae1012c48d1ebdad8a46df1d056238b9】

让我们开始创建第一个shader吧!

顶点着色器

创建vertex.glsl

uniform mat4 projectionMatrix; //透视矩阵
uniform mat4 viewMatrix; // 视图矩阵
uniform mat4 modelMatrix; // 模型矩阵

attribute vec3 position; // 传入的顶点坐标

void main()
{   
  gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(position, 1.0);
}

我们最重要的就是要知道这三个变量具体的含义projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix （mvp变换）

片段着色器

片段着色器的目的是为几何体的每个可见片段着色。
创建fragment.glsl

void main(){ 
    gl_FragColor = vec4(0.5, 0.8, 1.0, 1.0); 
}

我们只要操作顶点着色器和片段着色器即可,不用理会图元和光栅化。

//首先替换我们的material
const material = new THREE.RawShaderMaterial({
    vertexShader: testVertexShader,
    fragmentShader: testFragmentShader
})

创建着色器glsl文件并且导入

import testVertexShader from './shaders/test/vertex.glsl'
import testFragmentShader from './shaders/test/fragment.glsl'

这时候我们可以看到页面上出现了一个蓝色的平面了。

入门课程就到这里结束了，这些基础知识希望可以帮助你在学习threejs的过程中走的更远！
下集分享 - shader实操和shader-toy上的案例。

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