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和我一起学 Three.js【初级篇】：1. 搭建 3D 场景

本篇文章共 5572 字，最近更新于 2023 年 04 月 19 日。

0. 系列文章合集

本系列第 6，7，8 章节支持在我的个人公众号「前端乱步」内付费观看，将在全平台文章「点赞数」+「评论数」 >= 500（第 6 章）, 1000（第 7，8 章） 时分别解锁发布。

  1. 《和我一起学 Three.js【初级篇】：0. 总论》
  2. 您当前在这里 《和我一起学 Three.js【初级篇】：1. 搭建 3D 场景》
  3. 《和我一起学 Three.js【初级篇】：2. 掌握几何体》
  4. 《和我一起学 Three.js【初级篇】：3. 掌握摄影机》
  5. 《和我一起学 Three.js【初级篇】：4. 掌握纹理》
  6. 《和我一起学 Three.js【初级篇】：5. 掌握材质》
  7. 《和我一起学 Three.js【初级篇】：6. 掌握光照》
  8. 《和我一起学 Three.js【初级篇】：7. 掌握阴影》
  9. 《和我一起学 Three.js【初级篇】：8. 融会贯通》

1. 理解 3D 场景是如何被渲染的

在上一章中，我们介绍过 Three.js 基于 WebGL 向开发者暴露了更加友好的 API。让开发者可以更加便捷地在浏览器中渲染 3D 场景。这意味着绘制 3D 场景的逻辑实际上是被 WebGL 完成的。

「为了绘制 3D 场景我们需要了解多深 WebGL ？」这是一些对 Three.js 刚刚产生兴趣的学习者经常会问的问题，对此，我的看法是：目前您不需要了解太多。您仅需要了解 WebGL 是一种能令开发者在 标签内绘制 3D 图形的 JavaScript API 即可，并且这主要都是通过 GPU 完成的。

您应该很容易理解，所谓的「3D 场景」实际上只是通过「透视」与「光影」，利用了人的视觉错觉所营造的一种假象。

和我一起学 Three.js【初级篇】：1. 搭建 3D 场景_第1张图片

您可能有能力使用 CSS3 提供的 API 绘制出一些简单的 3D 场景，并好奇为什么我们需要使用 Three.js？答案是我们期待更复杂，更具备交互性的 3D 场景，而这需要计算机更加复杂的计算！

当我们切换至计算机内部，我们会发现，想要绘制一个逼真的 3D 场景，需要完成以下工作：

  1. 在一个二维坐标系中打点，这些点将会连成线，由线结成面并最终由面组成体（这里我们所提到的「面」，在计算机看来就是一个个小的「三角形」）；
  2. 通过「摄影机所在的位置（即人的观察方向）」和「光源的位置与类型」计算出每个小三角形应该被如何绘制和着色（这个过程称为光栅化）；
    1. 摄像机位置 -> 物体的透视；
    2. 光源的位置和类型 -> 物体的阴影和投影；

我们绘制 3D 场景的过程，就是通过 JavaScript 代码以及 Three.js API 提供点的坐标，设置摄影机与光源的位置，然后调用 WebGL，让 GPU 完成「连线」，「涂面」工作的这样一个过程。

如果我们只是想要实现一个静态的 3D 场景，通过 CSS3 或 Canvas 2D 技术实际上也能实现，但假如我们想要完成一个交互性强的复杂场景，例如，摄像头在不断移动，或是光源在不断变化，你可以想象计算机需要实时计算多少次各个小三角形的瞬时状态。

换句话说，3D 场景中交互是否顺畅取决于两个要素：

  1. GPU 的运算效率有多快或算力有多强（硬件标准）；
  2. 促使 GPU 执行操作的算法有多高效（软件标准）—— 我们将其称为「着色器」；

您也许可以由此理解这样两件事：

  • 为什么想要流畅体验巫师次时代版本的最高画质需要一片先进地显卡；
  • 为什么游戏公司要求开发者熟练掌握 C 或 C++ 语言；

2. 搭建 3D 场景的基本要素

在理解了计算机绘制 3D 场景背后的逻辑后，我们可以来到应用层看看在 Three.js 世界，绘制一个 3D 场景需要哪些基本要素。

为了让问题尽量简单化，让我们先不考虑光照和阴影的部分，仅仅从透视的角度思考这个问题，我们实际上需要以下 3 个基本要素：

  1. 一个容纳我们 3D 物体的容器，我们称其为「场景（Scene）」；
  2. 一些 3D 物体，在 Three.js 中，每个物体又由两部分组成：
    1. 物体的「形状」：某种类型的几何体；
    2. 物体的「材质」：描述物体外观信息，例如颜色，纹理以及改如何反应光线；
  3. 一个或多个确定的视角：我们将使用「摄影机（Camera）」实现；

有了以上三个要素，仅仅基于透视效果，我们就有能力在屏幕中绘制一些逼真的 3D 图形！下面让我们看看如何通过代码实现：

2.1 引入 Three.js

您有很多方式可以引入 Three.js，例如 npm 包形式引入，CDN 引入或直接使用官网提供的脚本（我们当下采用的方式）：

虽然您正在下载的大约 344 MB 的压缩文件看起来有点吓人，但我们真正需要使用的 build/three.min.js 文件只有大约 599 KB。我们需要将其以脚本引入的方式嵌入 HTML 文档：

DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
    <meta name=

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