👋 和我一起学【Three.js】「初级篇」:3. 掌握摄影机 |
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本文为《和我一起学 Three.js 系列》初级篇的第四篇文章,文中的示例代码基于上一篇文章中的代码进行相应的扩展,请确保您已经阅读上一篇文章,并和我一起使用 vite 搭建了现代前端开发环境。1. 什么是摄影机? 在 Three.js 中,摄影机(Camera)用来定义场景中的「视角」以及「可见范围」(_为了提升渲染性能,超出可见范围的物体将不会被渲染,这被称为「视锥体剔除(frustum culling)」技术_)。除此之外,摄影机实际上还控制着场景中物体的「位置」和「大小」,通过移动摄影机,GPU 会渲染出符合直觉的物体透视效果,从而让我们有优秀的 3D 场景体验。 因此,掌握 Three.js 提供的各种摄影机以及控制摄影机的各种方法,能够使我们的 3D 场景和用户进行互动并极大的丰富场景的呈现方式。 掌握本章节的概念和内容非常重要,请您务必保持耐心,动手实践。2. 摄影机的种类在 Three.js 中,所有摄影机都封装为特定的子类,它们统一继承自一个抽象类:[Camera](https://threejs.org/docs/?q=camera#api/en/cameras/Camera)。Three.js 提供的摄影机有: 数组摄影机([ArrayCamera](https://threejs.org/docs/?q=camera#api/en/cameras/ArrayCamera)):主要用于需要渲染多个视角的场景,例如 VR,AR,多屏幕游戏等。它通过将多个摄影机实例放入数组并传入 ArrayCamera 中,GPU 会渲染各个摄影机视角下的场景,并将它们合并在画布中,例如这个示例展示了不同角度的摄影机观察同一个物体的效果:本节我们不会涵盖「立方体摄影机」和「立体摄影机」,因为前者涉及我们下一章的内容,我会放在一起介绍。而后者由于需要额外设备,对于大多数人难以观察结果,因此略去不提。 3.1 透视摄像机让我们首先介绍最常用的透视摄像机,创建一个透视摄像机非常简单,只需要实例化 PerspectiveCamera 类,并传入对应的参数: const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, sizes.width / sizes.height, 1, 100)PerspectiveCamera 函数接收四个参数,从前到后依次为: 视场角(FOV):表示视场角的大小,单位是「度(degree)」。视场角越大,摄像机所能看到的东西就越多,但是画面中物体的尺寸也会变得更小。通常 pov 取值在 45 到 75 之间。 「视场角」是摄像机能够看到的视角的大小。它以角度为单位,表示摄像机能够看到的场景的宽度。宽高比(Aspect Ratio):表示画面的宽度与高度的比例(这是因为在视角中,物体在视平面上的大小与距离相互关联。如果宽高比不正确,那么最终渲染出的画面将会变形或扭曲。); 近裁切面(Near Plane):表示摄影机能够看到的最近距离,如果物体比这个距离还要近,它就不会出现在画面中; 远裁切面(Far Plane):表示摄影机能够看到的最远距离,如果物体比这个距离还要远,它就不会出现在画面中;想要操作摄影机,仅仅实例化一个摄影机对象是不够的,我们还需要额外两个步骤(您应该在之前的代码已经做过了): 将摄影机添加至场景:scene.add(camera);将摄影机添加至渲染器中:renderer.render(scene, camera);3.2 数组摄像机我们方才提过,数组相机允许用户在画布中同时出现多台摄影机视角下的渲染结果,它的使用也非常符合直觉,我们只需创建多个摄影机,并制定不同摄影机的位置,然后放入数组,传入 ArrayCamera 对象即可: const camera1 = new THREE.PerspectiveCamera( 75, sizes.width / sizes.height, 0.1, 10 ); camera1.position.set(0, 0.5, 3); camera1.lookAt(0, 0, 0); const camera2 = new THREE.PerspectiveCamera( 75, sizes.width / sizes.height, 0.1, 10 ); camera2.position.set(0.5, -0.5, 2.5); camera2.lookAt(0, 0, 0); const camera3 = new THREE.PerspectiveCamera( 75, sizes.width / sizes.height, 0.1, 10 ); camera3.position.set(-0.5, -0.5, 2); camera3.lookAt(0, 0, 0); const arrayCamera = new THREE.ArrayCamera([camera1, camera2, camera3]); arrayCamera.position.z = 3;可以看到,虽然我们在上一章中只创建了一个立方体,但是由于我们有三个不同角度的摄影机,最终画布上呈现了三个旋转的立方体。 3.3 正交摄像机正交摄像机是一种平行投影(Parallel Projection)相机,因此我们需要指定投影屏幕的尺寸: const aspectRatio = sizes.width / sizes.height const camera = new THREE.OrthographicCamera(- 1 * aspectRatio, 1 * aspectRatio, 1, - 1, 0.1, 100)OrthographicCamera 函数接收六个参数,从前到后依次为: left:摄像机能够看到的最左边的距离;right:摄像机能够看到的最右边的距离;top:摄像机能够看到的最上边的距离;bottom:摄像机能够看到的最下边的距离;近裁切面(Near Plane):表示摄影机能够看到的最近距离,如果物体比这个距离还要近,它就不会出现在画面中;远裁切面(Far Plane):表示摄影机能够看到的最远距离,如果物体比这个距离还要远,它就不会出现在画面中;4. 操作摄影机将摄影机放置在场景中,让物体得以被看见似乎并不那么令人激动,我们更想要的是和物体产生互动,例如通过鼠标移动物体或旋转整个场景。而这一切都是由操作摄影机实现的,在本章最后的一小节中,我们将学习这一技术。 4.1 手动实现既然我们希望通过移动鼠标操作物体,首先我们需要获取鼠标的位置,好在这并不困难: const cursor = { x: 0, y: 0, } window.addEventListener('mousemove', (event) => { cursor.x = event.clientX / sizes.width - 0.5 cursor.y = - (event.clientY / sizes.height - 0.5) })4.1.1 思考题在上面的代码中,为什么 cursor.y 的值要取负值?欢迎在评论区与我留言讨论! 在上面的代码中,我们监听 mousemove 事件,并及时通过 event.clientX 属性更新鼠标的 x,y 坐标,它们表示鼠标距离视窗左上角的位置。 您应该注意到我们代码中的一些「小花招」,这样做的目的在于我们希望让鼠标的坐标值保持在 0 到 1 之间,这样,当 x 坐标值为屏幕的一半时,计算值刚好为 0.5,鼠标位于屏幕中心位置。这和我们在 Three.js 场景中的坐标系统相对应。既然我们获取了鼠标的位置,并标准化了它的单位,下一步即是在每次渲染时,根据鼠标位置调整摄影机的位置: const animate = () => { // ... camera.position.x = cursor.x * 10 camera.position.y = cursor.y * 10 // 为了让效果更明显,我们乘以一个常量系数 camera.lookAt(mesh.position) // ... } animate()至此,我们终于获得设备与物体交互的能力!但这依然还有一个问题,由于每次鼠标移动时,都是同时改变摄影机的 x 与 y 坐标,这使得我们的立方体会随着鼠标移动忽大忽小,这可能不是我们想要的,如果我们想要固定朝一个方向移动立方体,我们该怎么做呢?答案是使用一些简单的几何知识,例如「三角函数」,代码如下: const animate = () => { // ... camera.position.x = Math.sin(cursor.x * Math.PI * 2) * 2 camera.position.z = Math.cos(cursor.x * Math.PI * 2) * 2 camera.position.y = cursor.y * 3 camera.lookAt(mesh.position) // ... } animate()让我们先看看这段代码的效果: 非常完美 我们做了什么?可以看到,我们使用了 Math.sin() 和 Math.cos() 方法设置了摄影机「左右方向」的 x 坐标与表示「前后方向」的 z 坐标值。我们知道 Math.sin() 和 Math.cos() 接收弧度值,并始终返回 1 到 -1 间的任意实数。这里的 Math.PI * 2 (一个完整的圆周弧度值是 2π)起到了将角度值转换为弧度值的作用,由此我们可以得到一个 0 到 2π 之间的弧度值。 您可能会困惑,为什么对于 x 坐标我们使用正弦值,而对于 z 坐标我们却使用余弦值。这是因为如果我们在 x 轴和 z 轴上都使用正弦函数或余弦函数,摄影机的移动路径将会是沿着某个斜线方向移动,表现为物体会整体放大或缩小。而通过分别使用正弦与余弦值,我们可以让摄影机在向「右」移动的同时,向「前」移动,这样就会形成一个「环轨」的效果,我们的摄影机会在鼠标移动时,像是在围绕着物体旋转。 正弦函数与余弦函数的运用在 Three.js 中非常常见,请保障您真的理解本章所讲述的内容。4.2 使用控制器我们是否每次都需要通过代码控制摄影机的位置呢?非常幸运,答案是否定的。Three.js 提供了一系列称之为「控制器(Controls)」的对象,让开发者可以快速,轻松地控制摄像机的位置和视角。这些控制器包括: 弧球控制器([ArcballControls](https://threejs.org/docs/?q=Control#examples/en/controls/ArcballControls)):该控制器会创建一个轨迹球,并允许用户通过鼠标或触摸的方式,放大/缩小(滚轮)/旋转(鼠标)目标对象,官网的这个示例,非常清晰地表明了它的作用:使用控制器非常简单,首先,您需要在 three/addons/controls/.js 路径下引入控制器,然后初始化该控制器即可: const controls = new OrbitControls(camera, canvas) 注意,不同的控制器的参数和调用方式可能不同,您需要根据文档酌情处理。对于一些控制器,您需要在动画函数中使用 update() 方法更新控制器。 4.2.2 优化控制器默认情况下,摄影机注视着场景的正中心,我们可以通过修改控制器 target 属性改变摄像头的位置,在修改完成后,需要调用 udpate()方法: controls.target.y = 1 controls.update()为了使摄影机的变化更加自然,我们可以通过配置 enableDamping 属性,让动画更加平滑自然。 const controls = new OrbitControls(camera, canvas) controls.enableDamping = true 注意,并非所有控制器都有该属性!5. 总结大功告成 !在本篇文章中,我向您介绍了 Three.js 中绝大多数关于「摄影机(Camera)」的概念和用法,通过恰当的使用摄影机和控制器,我们可以轻松地创建可交互的 3D 场景。这会让我们的 3D 世界更具吸引力!恭喜您又掌握了 3D Web 世界的一个重要概念,在下一篇文章中,我会想您介绍一个令人兴奋的主题「纹理(Textures)」,它可以使我们简单的几何体变成现实中我们熟悉的真实物体,敬请期待! 6. 参考资料一文读懂正交投影变换:https://zhuanlan.zhihu.com/p/473031788Three.js 官网:https://threejs.org/three.js journey:https://threejs-journey.com/7. 使用到的工具截屏:Xnip;屏幕录制:QuickTime Player;视频转 GIF 图片:video-to-gif;8. 支持创作您有很多方式可以表达您喜欢这篇文章,并愿意支持我持续创作,例如: 点击各类平台「喜欢」按钮;将文章转发在各类您喜欢的平台,并为它写一份简短的推荐语;在评论区留言;关注我的个人公众号「前端乱步」;...无论您选择哪一项,我都会因为您的欣赏而感到愉悦。 |
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