一、三维校园的简介
优锘ThingJS的智慧校园可视化项目经验丰富,简单透露一下知识框架,主要分为四个技术模块:
1.数据采集,主要包括校园地图和纹理贴图的采集,了解校园的地理结构和建筑物分布等等,通过采集建筑物和天空盒的贴图,并使用 Photoshop等工具对图形进行处理。
2. 3D模型的建立和优化,该部分主要是使用3DMAX建模工具创建优化校园建筑物、绿化植物、小机器人等等模,,针对模型格式进行处理。
3.构建虚拟场景,该部分是使用WebGL+ThingJS实现虚拟场景的生成整合,将前面准备好的模型导入到虚拟校园场景的目标坐标内,并为建筑物、天空等贴图。
4.构建好三维模型之后,为智慧校园场景的建筑物添加建筑物简介,包括查看建筑物房间分布、通过数据的获取即时更新每个房间的状态、为用户提供一个可以查看教室的本周课表与下周课表,或者根据教室使用情况,用户可以对该教室进行预约操作。
另外还为虚拟校园扩展了参观房间模型的功能,用户可以直接传送到该房间的坐标,查看房间布局等情况。ThingJS用户做的3D校园演示可以看看,还有很多在【官方案例中心】
其中,ThingJS项目组提供核心系统架构设计,三维建模和3D脚本开发都会基于这样的就架构设计来展开!官方模型扩展库ThingDepot也有很多制作好的模型,效果不错,可以去看看【ThingJS-资源中心】。
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二、浏览器内核简介
浏览器引擎分为排版引擎和Js引擎两种。js引擎就是解释执行javascript的,而排版引擎就是执行html、css来渲染页面的。浏览器内核指的是这两者。
IE 11支持WebGL技术
IE 8 javascript引擎 Jscript
IE 9 javascript引擎 Chakra
WebGL:
WebGL是一种3D绘图标准,这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起,通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定,WebGL可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染,这样Web开发人员就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了。
OpenGL ES:
OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems)是 OpenGL三维图形 API的子集,针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计
Netscape 6、Firefox采用的内核,由部分不满意微软IE没有使用w3c标准的开发者和停止更新的Netscape的部分员工共同创办Mozilla,以Mosaic为基础开发的浏览器内核
Gecko的javascript引擎是spiderMonkey
presto是Opera的前身内核,特点是速度快,但牺牲了兼容性。目前Opera采用google chrome的blink内核
苹果在比较了KHTML和Gecko后,选择了前者,延生出了WebKit。WebKit包含WebCore和JsCore,WebCore由KHTML发展来,KJs发展成了JsCore。
google chrome也使用了webkit内核,但后来google升级JsCore引擎为V8引擎;
之后苹果在WebKit的基础上发展了WebKit2;而Google在WebKit的基础上发展了Blink,并改用Blink
Google在 Google Chrome/Chromium中使用基于 WebKit的 fork Web渲染引擎:Blink。同时 Opera也将跟进 Google Chrome/Chromium的步伐。
(1)[排版引擎]: http://baike.baidu.com/view/459307.htm
(2)[浏览器内核]:
http://baike.baidu.com/link?url=7KUYuMddjEiXasGdUK2RJl7ZBP9jvAnWuR2Yi0nay6Uce4ZLZD0sXKTFz8rMAlV2m0otk7uzVNQZLGSD4JqS0K
三、ThreeJS简介
近年来web得到了快速的发展。随着HTML5的普及,网页的表现能力越来越强大。网页上已经可以做出很多复杂的动画,精美的效果。但是,人总是贪的。那么,在此之上还能做什么呢?其中一种就是通过WebGL在网页中绘制高性能的3D图形。
OpenGL它是最常用的跨平台图形库。
WebGL是基于 OpenGL设计的面向web的图形标准,提供了一系列JavaScript API,通过这些API进行图形渲染将得以利用图形硬件从而获得较高性能。
而 Three.js是通过对 WebGL接口的封装与简化而形成的一个易用的图形库。
简单点的说法 threejs=three+ js,three表示3D的意思,js表示javascript的意思。那么合起来,three.js就是使用javascript来写3D程序的意思。而javascript的计算能力因为google的V8引擎得到了迅猛的增强,做3D程序,做服务器都没有问题。
WebGL门槛相对较高,需要相对较多的数学知识(线性代数、解析几何)。因此,想要短时间上手 WebGL还是挺有难度的。 Three.js对 WebGL提供的接口进行了非常好的封装,简化了很多细节,大大降低了学习成本。并且,几乎没有损失 WebGL的灵活性。
因此,从 Three.js入手是值得推荐的,这可以让你在较短的学习后就能面对大部分需求场景。
Three.js的入门是相对简单的,但是当我们真的去学的时候,会发现一个很尴尬的问题:相关的学习资料很少。
通常这种流行的库都有很完善的文档,很多时候跟着官方的文档或官方的入门教程学习就是最好的路线。但Three不是的,它的文档对初学者来说太过简明扼要。
不过官方提供了非常丰富的examples,几乎所有你需要的用法都在某个example中有所体现。但这些example不太适合用来入门,倒是适合入门之后的进一步学习。
这里推荐一些相对较好的教程:
当然,实际的学习过程中这些资料肯定是不太够的,遇到问题还是要自己去查资料。不过这里要提醒一下,Three.js的更新是相当频繁的,现在是r80版本,自2010年4月发布r1以来,这已经是第72个版本了(中间有的版本号跳过了)。因此,在网上找到的资料有些可能是不适合当前版本的,需要注意甄别(前面推荐的资料也都或多或少存在这样的问题)。
要在屏幕上展示3D图形,思路大体上都是这样的:
1、构建一个三维空间
Three中称之为场景(Scene)
2、选择一个观察点,并确定观察方向/角度等
Three中称之为相机(Camera)
3、在场景中添加供观察的物体
Three中的物体有很多种,包括Mesh,Line,Points等,它们都继承自Object3D类
4、将观察到的场景渲染到屏幕上的指定区域
Three中使用Renderer完成这一工作
场景是所有物体的容器,也对应着我们创建的三维世界。
Camera是三维世界中的观察者,为了观察这个世界,首先我们要描述空间中的位置。 Three中使用采用常见的右手坐标系定位。
Three中的相机有两种,分别是正投影相机THREE.OrthographicCamera和透视投影相机THREE.PerspectiveCamera。
这里补充一个视景体的概念:视景体是一个几何体,只有视景体内的物体才会被我们看到,视景体之外的物体将被裁剪掉。这是为了去除不必要的运算。
正交投影相机的视景体是一个长方体,OrthographicCamera的构造函数是这样的:
Camera本身可以看作是一个点,left则表示左平面在左右方向上与Camera的距离。另外几个参数同理。于是六个参数分别定义了视景体六个面的位置。
可以近似地认为,视景体里的物体平行投影到近平面上,然后近平面上的图像被渲染到屏幕上。
2)透视投影相机
fov对应着图中的视角,是上下两面的夹角。aspect是近平面的宽高比。在加上近平面距离near,远平面距离far,就可以唯一确定这个视景体了。
透视投影相机很符合我们通常的看东西的感觉,因此大多数情况下我们都是用透视投影相机展示3D效果。
有了相机,总要看点什么吧?在场景中添加一些物体吧。
Three中供显示的物体有很多,它们都继承自Object3D类,这里我们主要看一下Mesh和Points两种。
1)Mesh
我们都知道,计算机的世界里,一条弧线是由有限个点构成的有限条线段连接得到的。线段很多时,看起来就是一条平滑的弧线了。
计算机中的三维模型也是类似的,普遍的做法是用三角形组成的网格来描述,我们把这种模型称之为Mesh模型。
geometry是它的形状,material是它的材质。
不止是Mesh,创建很多物体都要用到这两个属性。下面我们来看看这两个重要的属性。
2)Geometry
Geometry,形状,相当直观。Geometry通过存储模型用到的点集和点间关系(哪些点构成一个三角形)来达到描述物体形状的目的。
Three提供了立方体(其实是长方体)、平面(其实是长方形)、球体、圆形、圆柱、圆台等许多基本形状;
你也可以通过自己定义每个点的位置来构造形状;
对于比较复杂的形状,我们还可以通过外部的模型文件导入。
3)Material
Material,材质,这就没有形状那么直观了。
材质其实是物体表面除了形状以为所有可视属性的**,例如色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度。
这里讲一下材质(Material)、贴图(Map)和纹理(Texture)的关系。
材质上面已经提到了,它包括了贴图以及其它。
贴图其实是‘贴’和‘图’,它包括了图片和图片应当贴到什么位置。
纹理嘛,其实就是‘图’了。
Three提供了多种材质可供选择,能够自由地选择漫反射/镜面反射等材质。
4)Points
讲完了Mesh,我们来看看另一种Object——Points。
Points其实就是一堆点的**,它在之前很长时间都被称为ParticleSystem(粒子系统),r68版本时更名为PointCloud,r72版本时才更名为Points。更名主要是因为,Mr.doob认为,粒子系统应当是包括粒子和相关的物理特性的处理的一套完整体系,而Three中的Points简单得多。因此最终这个类被命名为Points。
5)Light
神说:要有光!
光影效果是让画面丰富的重要因素。
Three提供了包括环境光AmbientLight、点光源PointLight、聚光灯SpotLight、方向光DirectionalLight、半球光HemisphereLight等多种光源。
只要在场景中添加需要的光源就好了。
6)Renderer
在场景中建立了各种物体,也有了光,还有观察物体的相机,是时候把看到的东西渲染到屏幕上了。这就是Render做的事情了。
Renderer绑定一个canvas对象,并可以设置大小,默认背景颜色等属性。
调用Renderer的render函数,传入scene和camera,就可以把图像渲染到canvas中了。
现在,一个静态的画面已经可以得到了,怎么才能让它动起来?
很简单的想法,改变场景中object的位置啊角度啊各种属性,然后重新调用render函数渲染就好了。
那么重新渲染的时机怎么确定?
HTML5为我们提供了requestAnimFrame,它会自动在每次页面重绘前调用传入的函数。
如果我们一开始这样渲染:
只需要改成这样:
object就可以动起来了!
下面我们用一个简单的例子来梳理一下这个过程。
首先写一个有Canvas元素的页面吧。
下面来做Javascript的部分
首先初始化Renderer
初始化场景:
初始化相机:
要唯一确定一个相机的位置与方向,position、up、lookAt三个属性是缺一不可的。
这里我们创建了一个正交投影相机,这里我将视景体大小与屏幕分辨率保持一致只是为了方便,这样坐标系中的一个单位长度就对应屏幕的一个像素了。
我们将相机放在Z轴上,面向坐标原点,相机的上方向为Y轴方向,注意up的方向和lookAt的方向必然是垂直的(类比自己的头就知道了)。
下面添加一个立方体到场景中:
注意我们使用了法向材质 MeshNormalMaterial,这样立方体每个面的颜色与这个面对着的方向是相关的,更便于观察/调试。
在这个简单的demo里我不打算添加光影效果,而法向材质对光也是没有反应的。最后来创建一个动画循环吧
每次重绘都让这个立方体转动一点点。当页面加载好时,调用前面这些函数就好了。
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