一文掌握你所需Threejs3

一文掌握你所需Threejs3D全景预览 - 谢小飞的博客

　　我们经常会在一些景区、展厅、酒店民宿的宣传页面上，或者卖房看房网站，都能频繁的看到各种3D全景预览的网页效果，这样就可以如临其境般的看到所在场景的360度范围内的各种事物；那么，这样的效果是如何来实现的呢，本文我们就来探讨一下其中所有的技术实现细节，本文干货满满，记得点赞+收藏。

阅读本文需要一定的Threejs基础。

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　　首先什么是全景图呢？全景图是一种实景360°全方位的平面图像，需要用特殊的工具来查看才能达到360°环绕的效果，比如用我们的Threejs。

　　比如上面的这张照片，就是一张全景照片，将整个房间前后左右上下都拍摄进来，如果用肉眼看的话，整个房间弯弯曲曲的，没有什么特别的地方；那么，这样的照片是如何来拍摄的呢？

　　打开你的手机相机，点击更多，里面一般会有一个全景相机的选项，然后站起身来，转一圈，你就能得到一张完整的全景图片了。

手机拍摄全景

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　　当然开个玩笑，这样拍摄，除非你的手稳定得如同工厂里的机械臂一样，并且能够保持身体的平衡；一般拍摄出来的相片只能粗略的看看即可；专业的拍摄设备需要用到单反+三脚架+云台，拍摄后还需要专业的后期处理和拼接，比较麻烦；当然我们也可以从网上一些资源下载：

全景图下载

　　近些年，随着个人vlog的兴起，各种消费级的拍摄设备和工具也迅速发展，全景相机、运动相机等产品不断更新迭代，已经能够带来很多非常好玩的拍摄体验了；比如这款Insta360 ONE X2在拍摄时就可以选择360°全景照片模式，轻轻一按，就可以得到一张满意的全景图了。

Threejs封装

　　要实现全景图，首先我们来对Threejs的场景布局进行一个简单的封装，引入Threejs中所需要用到的组件：

import {
  Scene,
  WebGLRenderer,
  PerspectiveCamera,
  Vector3,
  PCFSoftShadowMap,
  Color,
  Clock,
  AxesHelper,
  LinearToneMapping,
} from "three";
import Stats from "stats.js";

import { OrbitControls } from "three/examples/jsm/controls/OrbitControls";

　　将一些用到的默认配置定义到config中，这里将div的id设置为webgl-output，因此我们只需要在页面添加一个div并将id设置即可。

// 默认的配置
const DEFAULT_CONFIG = {
  domId: "webgl-output",
  initPosition: new Vector3(20, 10, 10),
  fov: 60,
  near: 1,
  far: 10000,
  rendererOptions: {},
  // 背景颜色
  clearColor: new Color(0x94959a),
  // 是否显示Stats
  showStats: false,
  // AxesHelper
  helper: 0,
  // 曝光值
  exposure: 1,
  // 启用阻尼（惯性）
  enableDamping: true,
};

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　　我们定义一个Stage父类，将业务逻辑定义到子类，继承该类即可：

export default class Stage {
  constructor(config) {
    const dConfig = DEFAULT_CONFIG;
    if (isObject(config)) {
      Object.assign(dConfig, config);
    }
    const { 
        fov,
        near,
        far,
        initPosition,
        clearColor,
        domId,
        enableDamping,
    } = dConfig;
    this.scene = new Scene();

this.camera = new PerspectiveCamera(fov, window.innerWidth / window.innerHeight, near, far);
    this.camera.position.copy(initPosition);
    this.camera.lookAt(this.scene.position);

// 开启抗锯齿
    this.renderer = new WebGLRenderer({ antialias: true });

document.getElementById(domId)?.append(this.renderer.domElement);

this.orbitControls = new OrbitControls(this.camera, this.renderer.domElement);
    this.orbitControls.enableDamping = enableDamping;
  }
  render() {
    this.orbitControls.update();

this.beforeRender && this.beforeRender();

requestAnimationFrame(this.render.bind(this));
    this.renderer.render(this.scene, this.camera);
  }
}

　　这里render函数每次都会周期性的执行，一些周期性的渲染都会放到这里进行处理；如果子类也需要渲染，避免命名重复，我们将子类的渲染定义到beforeRender函数中。

　　渲染器相当于是一个画布，我们对其进行更精细的设置，开启阴影、设置背景颜色等。

// 表示启用阴影贴图，
this.renderer.shadowMap.enabled = true;
// 并将阴影贴图类型设置为THREE.PCFSoftShadowMap
this.renderer.shadowMap.type = PCFSoftShadowMap;
// 从配置中设置背景颜色
this.renderer.setClearColor(clearColor);
// 设置尺寸
this.renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);

this.renderer.toneMapping = LinearToneMapping;
// 曝光值
this.renderer.toneMappingExposure = exposure;
// 将启用正确的物理灯光。
this.renderer.physicallyCorrectLights = true;

　　在使用时Stage时，由于render函数已经被占用了，我们重新设置一个beforeRender函数，在每次render调用时调用。

import Stage from "./stage"
import { onMounted } from "vue"
class Panorama extends Stage {
  constructor() {
    super({
      initPosition: new Vector3(0, 0, 1),
      clearColor: new Color(0x000000),
    });
    // 在render之前可以向场景中添加一些其他的元素

// 子类中必须在constructor构建函数的最后调用
    this.render();
  }
  beforeRender() {
    // 一些周期性渲染的数据放到这里处理
  }
}

onMounted(() => {
  new Panorama();
});

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　　子类必须放到dom元素渲染完成后实例化。

　　将环境贴图设置到场景scene的背景也能实现全景图的功能，这种方式实现起来也是最简单的；将相机放在整个场景的中心，当相机移动时，背景图片也随之移动。

　　构建一个CubeTextureLoader加载器实例，将六个面的贴图通过加载器载入，顺序为[right,left,up,down,front,back]，然后直接设置到背景即可。

const urls = [
    "/images/panorama/px.jpg",
    "/images/panorama/nx.jpg",
    "/images/panorama/py.jpg",
    "/images/panorama/ny.jpg",
    "/images/panorama/pz.jpg",
    "/images/panorama/nz.jpg",
];
class Panorama extends Stage {
  constructor() {
    super({
      initPosition: new Vector3(0, 0, 1),
      clearColor: new Color(0x000000),
    });
    const cubeLoader = new CubeTextureLoader();
    const map = cubeLoader.load(urls);
    this.scene.background = map;
    this.scene.environment = map;
    this.render();
  }
}

查看全景效果

　　上面的顺序大家可能记不住，我们仔细查看px，nx的顺序会发现，是按照x、y、z轴的顺序，p表示positive正面，n表示negative反面，因此px也就是右侧了，nx就是左侧。

　　这种方式相较于下面两种盒子的好处，就是实现起来简单，而且鼠标缩放不会暴露盒子的原型，不会出圈；但是缺点也明显，不能缩放查看背景的细节之处，也不能控制视角的距离，

　　全景球则是首先创建一个球形，直接将一张全景图直接作为素材贴上。

class Panorama extends Stage {
  constructor() {
    super({
      fov: 75,
      near: 1,
      far: 1100,
      initPosition: new Vector3(0, 0, 1),
      clearColor: new Color(0x000000),
    });

const sphereGeometry = new SphereGeometry(500, 50, 50);
    sphereGeometry.scale(-1, 1, 1);
    const sphereMaterial = new MeshBasicMaterial({
      map: new TextureLoader().load("/images/panorama/panorama.jpg"),
    });

const sphere = new Mesh(sphereGeometry, sphereMaterial);
    this.scene.add(sphere);

this.render();
  }
}

　　这里我们将球的半径设置为500，如果太小了，缩放时也会出圈；这里的sphereGeometry.scale(-1, 1, 1)其实相当于sphereGeometry.scale.x = -1，将贴图沿着x轴进行翻转。

查看全景球效果

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　　全景球的方式只能用全景图，一般全景图的大小都达到几兆甚至几十兆，因此实际使用时需要对图片进行压缩；或者通过先加载一张模糊图再加载高清图的方式，加载两张图片来避免用户长时间等待，因此这种方式对网络有一定的要求。

　　天空盒的思路和上面全景球相同，只不过将SphereGeometry球形换成了BoxGeometry正方形；贴图也由一张全景图，变成了盒子六个面的贴图；六个面的贴图相较于一张全景图，可以利用浏览器的并行加载能力，提高加载速度。

const urls = [
  "/images/panorama/cubemap/px.png",
  "/images/panorama/cubemap/nx.png",
  "/images/panorama/cubemap/py.png",
  "/images/panorama/cubemap/ny.png",
  "/images/panorama/cubemap/pz.png",
  "/images/panorama/cubemap/nz.png",
];

const materialArr = [];
const textureLoader = new TextureLoader();

urls.map((item) => {
  const material = new MeshBasicMaterial({
    map: textureLoader.load(item),
  });
  materialArr.push(material);
});
var box = new BoxGeometry(500, 500, 500);
var mesh = new Mesh(box, materialArr);
mesh.geometry.scale(-1, 1, 1);

this.scene.add(mesh);

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　　整体的思路和上面两种方式有些类似，只不过Mesh传参的材质由原来的一个材质变成了材质数组；然后还是将mesh对象沿X轴进行翻转。

查看天空盒效果

　　环境搭建好之后，我们会看到有一些网站上，物体周围有一些可点击的悬浮标签，或者鼠标悬浮后有一些提示的文案，这种导航标签是如何来实现的呢？这里就需要介绍一下Threejs的精灵对象Sprite，它是一个永远面向相机的平面，我们通常用它来显示一些标签；我们看下他的构造函数：

Sprite(material: Material)

　　这里的material是SpriteMaterial的一个实例，也就是将材质传进来，我们来看下具体的用法

　　我们首先定义好锚点的数据，在哪些位置需要标注的，这一步也可以利用dat.gui不断调整XYZ轴的位置：

const posList = [
  {
    x: -5,
    y: -4,
    z: -14,
    content: "床",
  },
  {
    x: -20,
    y: -5,
    z: -9,
    content: "沙发",
  },
  {
    x: 10,
    y: -6,
    z: 12,
    content: "冰箱",
  },
];

　　从上面的构造函数看出Sprite的构建不需要几何图形，如果是没有任何文案的简单锚点，我们可以将一张png图片设置为精灵材质SpriteMaterial的贴图，然后循环构建多个Sprite添加到场景中去。

const spriteMaterial = new SpriteMaterial({ 
  map: textureLoader.load("/images/icon/position.png") 
});
posList.map((item) => {
  const { x, y, z } = item;
  const sprite = new Sprite(spriteMaterial);
  sprite.position.set(x, y, z);
  this.scene.add(sprite);
});

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　　这样就能看到多个锚点固定漂浮在某个位置了。

　　我们还会看到一些锚点旁边有文案标识，事情就开始变得复杂起来了；由于Threejs中不能添加div，因此我们有两种方式可以来实现这样的效果；首先是使用canvas绘制文字，并作为纹理设置为SpriteMaterial的map属性。

const createSpriteLabel = (txt, x, y, z) => {
  const canvas = document.createElement("canvas");
  canvas.setAttribute("width", "286px");
  canvas.setAttribute("height", "112px");
  const ctx = canvas.getContext("2d");
  ctx.fillStyle = "#FF0000";
  ctx.lineWidth = 4;

const textMetrics = ctx.measureText(txt);

ctx.fillText(txt, (canvas.width - textMetrics.width) / 2, 55);

const texture = new Texture(canvas);
  texture.needsUpdate = true;

const spriteMaterial = new SpriteMaterial({
    map: texture,
  });
  const sp = new Sprite(spriteMaterial);
  sp.scale.set(4, 2, 1);
  sp.position.set(x, y, z);
  return sp;
};

　　我们创建一个canvas画布，设置画笔的颜色粗细，然后绘制文案，将canvas传入Texture，然后作为map属性构建了SpriteMaterial。

canvas的方式一般用来画图形简单、内容格式较为固定的Sprite标签。

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　　另一种方式就是使用CSS2DRenderer（CSS 2D渲染器），这个组件听着非常高深，其实来说很简单，就是在页面最外层插入一个div，然后将我们所需要的渲染dom节点插入到这个div中，渲染我们熟悉的HTML元素；当相机旋转时，实时更新每个dom节点的位置即可；同时场景放大缩小时，不会缩放标签的大小，可以触发DOM点击事件；我们如果打开开发者工具查看，可以看到body最下面有一个div，嵌套了多个子标签。

CSS2DRenderer渲染

import { 
  CSS2DRenderer,
  CSS2DObject
} from "three/examples/jsm/renderers/CSS2DRenderer";

　　CSS2DRenderer是Threejs提供的扩展库，我们需要额外从渲染器的包中引入CSS2DRenderer和它的模型对象CSS2DObject；由于要新建一个渲染器，我们对封装的Stage类进行改造，

export default class Stage {
  constructor(config) {

// ...其他代码
    //新建CSS2DRenderer
    const labelRenderer = new CSS2DRenderer();
    labelRenderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
    labelRenderer.domElement.style.position = "absolute";
    labelRenderer.domElement.style.top = 0;
    labelRenderer.domElement.style.left = 0;
    this.labelRenderer = labelRenderer;

document.body.appendChild(labelRenderer.domElement);


    // 将轨道控制器的渲染器从renderer改成labelRenderer
    this.orbitControls = new OrbitControls(this.camera, this.labelRenderer.domElement);
  }
  render() {
    this.renderer.render(this.scene, this.camera);
    // 这里要添加CSS2DRenderer的渲染
    this.labelRenderer.render(this.scene, this.camera);
  }
}

　　CSS2DRenderer渲染器和WebGLRenderer有些类似，也都有setSize和render方法，我们需要把实例化的domElement添加到body中来；CSS2DRenderer也需要实时更新，因此我们也需要在render函数中对其进行渲染

　　我们还是和上面的Sprite锚点一样，循环创建div标签，添加到场景scene中；

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function createLableObj(text, x, y, z) {
  let laberDiv = document.createElement("div"); //创建div容器
  laberDiv.className = "laber_name";
  laberDiv.innerHTML = text;
  laberDiv.style.color = "#F4EA2A";
  laberDiv.style.fontSize = "30px";
  laberDiv.style.background = "url(/images/icon/position.png) no-repeat";
  laberDiv.style.cursor = "pointer";

let pointLabel = new CSS2DObject(laberDiv);
  pointLabel.position.set(x, y, z);
  return pointLabel;
}

posList.map((item) => {
  const { x, y, z, content } = item;
  const label = createLableObj(content, x, y, z);

this.scene.add(label);
});

查看标签效果

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　　我们发现，上面创建完div后，通过div标签创建了CSS2DObject的实例对象，然后设置XYZ轴坐标；这个对象的作用就是将Threejs中的坐标与屏幕的坐标进行转换，进行实时的渲染。

锚点触发事件

　　锚点加上后，我们需要对其进行触发事件的绑定，如果使用CSS2DRenderer渲染器的方式，由于是dom元素，我们直接给元素绑定原生事件即可：

// 创建div容器
const laberDiv = document.createElement("div");
// 绑定点击事件
laberDiv.addEventListener("click", (ev) => {
  console.log("ev", ev);
});
// 绑定悬浮事件
laberDiv.addEventListener("mouseover", (ev) => {
  console.log("ev", ev);
});
const pointLabel = new CSS2DObject(laberDiv);

　　我们可以进行后续的业务逻辑，比如场景切换了，或者弹框展示详细信息等；而使用Sprite，由于所有的物体都在Threejs的场景中，我们不能简单的利用绑定点击事件来触发，Sprite也没有addEventListener事件。

　　因此用到一个光线投射类：Raycaster，这个类用于进行鼠标拾取，也就是在三维空间中计算出鼠标移动或点击时，划过了什么物体。

　　它的原理是从鼠标处发射一条射线，穿过场景中的物体，通过计算，找出与射线相交的物体，因此这种方法也叫射线追踪法；我们来看下它的一个用法，

class Panorama extends Stage {
  constructor() {
    this.raycaster = new Raycaster();
    this.mouse = new Vector2();
    this.list = [];
    posList.map((item) => {
      this.list.push(sprite);
    })
  }
}

　　我们实例化Raycaster，新建一个二维的点mouse，这个点下面会用来存储鼠标移动的二维坐标；然后将Sprite放到数组list中，用于Raycaster检测照射到了场景中的哪些物体；当然我们下面也能照射整个场景scene.children下的所有物体，但是有一些物体不是我们想要的，需要额外的判断，因此可以将需要照射物体存到数组中来。

class Panorama extends Stage {
  constructor() {
    this._pointerMove = this.pointerMove.bind(this);

// 鼠标移动绑定事件
    this.renderer.domElement.addEventListener("mousemove", this._pointerMove);
  }
  pointerMove(event) {
    // 将鼠标位置归一化为设备坐标。x 和 y 方向的取值范围是 (-1 to +1)
    this.mouse.x = (event.clientX / window.innerWidth) * 2 - 1;
    this.mouse.y = -(event.clientY / window.innerHeight) * 2 + 1;


    // 通过摄像机和鼠标位置更新射线
    this.raycaster.setFromCamera(this.mouse, this.camera);

const intersects = this.raycaster.intersectObjects(this.list);
    if (intersects.length) {
      // 后续业务逻辑
      console.log("intersects", intersects);
    }
  }
  beforeDestroy() {
    this.renderer.domElement.removeEventListener("mousemove", this._pointerMove);
  }
}

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　　我们详细看下这里的逻辑，首先通过event来计算mouse的XY轴坐标，由于setFromCamera需要归一化的坐标值，因此我们计算时将其处理为[-1, 1]范围内的值。setFromCamera方法通过摄像机和鼠标位置更新射线，接收mouse和camera对象；更新射线后就可以使用intersectObject函数来拾取对象了，接收的intersects数组就是拾取到的Mesh合集。

　　我们发现Sprite和CSS2DRenderer两种方式各有利弊，Sprite虽然添加元素方便，但是canvas绘制图形比较麻烦，同时触发事件也繁琐；而CSS2DRenderer添加元素较为复杂，需要用到一系列原生属性，但是触发事件方便，具体使用哪种方式，还需要结合业务场景，选择合适的方式。

　　我们有时候会看到这样的俯视效果的场景动画，那么这种效果是如何来实现的呢？

　　首先这种效果就需要用到全景球的SphereGeometry球形，然后将摄像机的位置放到球体的最顶部。

class Panorama extends Stage {
  constructor() {
    super({
      // 视角
      fov: 100,
      near: 1,
      far: 10000,
      // 初始位置
      initPosition: new Vector3(0, 500, 0),
      clearColor: new Color(0x000000),
    });

// 球体半径为500
    const sphereGeometry = new SphereGeometry(500, 50, 50);
    sphereGeometry.scale.x = -1;

const sphereMaterial = new MeshBasicMaterial({
      map: new TextureLoader().load("/images/panorama/simons_town_harbour.jpg"),
    });

const sphere = new Mesh(sphereGeometry, sphereMaterial);
    this.sphere = sphere;

this.scene.add(sphere);
  }
}

　　我们这里将initPosition，也就是摄像机的初始位置，放到了Y轴500的位置，由于球体的半径也是500，因此就位于球体内部的最顶上，接下来我们只需要将摄像机的位置缓慢下移就可以。

　　这里引入一个补间动画库tween.js，让我们可以用平滑的方式更改对象的属性，只需要告诉它初始值、最终值以及所需要花费的时间，在这段时间里，tween.js会帮我们自动计算出每个时间点，应该设置为什么样的值。

import Tween from "@tweenjs/tween.js";
class Panorama extends Stage {
  constructor() {
    setTimeout(() => {
      this.animateCamera();
    }, 1.5 * 1000);
  }
  animateCamera() {
    // 创建一个初始化位置
    new Tween.Tween({
      y: 500,
    })
    // 移动结束的位置
    .to({
        y: 0,
      }, 4000)
      .onUpdate((pos) => {
        // 每次更新
        this.camera.position.y = pos.y;
        this.camera.updateProjectionMatrix();
      })
      .start();
  }
  beforeRender() {
    Tween.update();
  }
}

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　　它的用法也很简单，这里通过链式调用，创建一个Tween对象，设置y的结束位置和动画时间4000毫秒；在onUpdate函数中，设置每次更新后的y实时数值，最后调用start函数激活tween。需要注意的是，还要在render函数中调用Tween.update更新。

new Tween.Tween({
  y: 500,
  fov: 100,
  z: 0,
  })
  .to(
    {
      y: 0,
      fov: 70,
      z: -200,
    },
    4000,
  )
  .onUpdate((pos) => {
    this.camera.position.y = pos.y;
    this.camera.updateProjectionMatrix();
    this.camera.fov = pos.fov;
    this.camera.lookAt(new Vector3(0, 0, pos.z));
    // 镜头下降时旋转
    this.sphere.rotation.y += 0.006;
  })
  .start();

　　当然这样的镜头最后会比较生硬，我们还可以调用摄像头的lookAt，当镜头下降时，逐渐看向远方；初始化也设置一个大的广角fov为100，当镜头下降时，缩小fov的值，这样效果过渡的更加自然。

查看场景动画效果