第3章 让场景动起来
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第3章 让场景动起来
1、 学会让场景中的物体动起来
2、 学会性能监视器
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1、让场景动起来
这一节课，我们要让场景动起来，不禁想到了郭富城的一首歌《动起来》。心中有很多感慨，觉得时间过得太快，自己还没有多大的成功。以淡淡的感伤开始这节课的讲解。
不过我会继续努力，寻找自己更多的成功。
大家也动起来，沉静下来，仔细的研究Three.js的每一个细节，终将成为这个领域的高手。不仅是成为three.js的高手，更重要的是理解图形学的概念，轻易掌握其他3D图形库。不是吹牛，大家阅读完这套课程（包括中级，高级），能够轻易的实现艳丽的粒子系统、模拟多种物理现象（如衣服在风中飘动），让浏览器中2D和3D混合等令人大饱眼福的效果。
以往的例子中，我们很少让物体动起来，即使动起来了，也很少讲这方面的知识。这里我们对让场景动起来做一些解释。
1、场景怎么会动起来
场景中的物体怎么才能运动起来。我们这里从《古兰经》讲起，这样，你永远不会忘记。
《古兰经》上有这样一个故事：一天穆罕穆德告诉人们说大山会向我们走来。于是人们就远望大山，看它怎么走过来，可是等了好长时间大山还是纹丝不动的在那里，人们就问穆罕穆德，大山也没向我们走来啊。默罕默德告诉人们：既然大山没向我们走来，那我们就向大山走去吧。于是人们来到了大山的山顶，人们征服了那座大山。
这个故事揭示了场景动起来的方法，第一种方法是让物体在坐标系里面移动，摄像机不动。第二种方法是让摄像机在坐标系里面移动，物体不动。这样场景就能够动起来了。
摄像机可以理解我们自己的眼睛。
2、渲染循环
物体运动还有一个关键点，就是要渲染物体运动的每一个过程，让它显示给观众。渲染的时候，我们调用的是渲染器的render() 函数。代码如下：
renderer.render( scene, camera );
如果我们改变了物体的位置或者颜色之类的属性，就必须重新调用render()函数，才能够将新的场景绘制到浏览器中去。不然浏览器是不会自动刷新场景的。
如果不断的改变物体的颜色，那么就需要不断的绘制新的场景，所以我们最好的方式，是让画面执行一个循环，不断的调用render来重绘，这个循环就是渲染循环，在游戏中，也叫游戏循环。
为了实现循环，我们需要javascript的一个特殊函数，这个函数是requestAnimationFrame。
调用requestAnimationFrame函数，传递一个callback参数，则在下一个动画帧时，会调用callback这个函数。
于是，我们的游戏循环会这样写。
function animate() {
render();
requestAnimationFrame( animate );
}
这样就会不断的执行animate这个函数。也就是不断的执行render()函数。在render()函数中不断的改变物体或者摄像机的位置，并渲染它们，就能够实现动画了。
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2、改变相机的位置，让物体移动
有了这些简单的基础知识，我们来实现一个动画效果。它的效果如下所示：
看箭头的方向，你会发现这个物体在向左边移动。你可以在“初级教程\chapter3\3-1.html”这个源文件中发现代码：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>Three框架</title>
<script src="js/Three.js"></script>
<style type="text/css">
div#canvas-frame {
border: none;
cursor: pointer;
width: 100%;
height: 600px;
background-color: #EEEEEE;
}
</style>
<script>
var renderer;
function initThree() {
width = document.getElementById('canvas-frame').clientWidth;
height = document.getElementById('canvas-frame').clientHeight;
renderer = new THREE.WebGLRenderer({
antialias : true
});
renderer.setSize(width, height);
document.getElementById('canvas-frame').appendChild(renderer.domElement);
renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1.0);
}
var camera;
function initCamera() {
camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, width / height, 1, 10000);
camera.position.x = 0;
camera.position.y = 0;
camera.position.z = 600;
camera.up.x = 0;
camera.up.y = 1;
camera.up.z = 0;
camera.lookAt({
x : 0,
y : 0,
z : 0
});
}
var scene;
function initScene() {
scene = new THREE.Scene();
}
var light;
function initLight() {
light = new THREE.AmbientLight(0xFFFFFF);
light.position.set(100, 100, 200);
scene.add(light);
light = new THREE.PointLight(0x00FF00);
light.position.set(0, 0,300);
scene.add(light);
}
var cube;
function initObject() {
var geometry = new THREE.CylinderGeometry( 100,150,400);
var material = new THREE.MeshLambertMaterial( { color:0xFFFF00} );
var mesh = new THREE.Mesh( geometry,material);
mesh.position = new THREE.Vector3(0,0,0);
scene.add(mesh);
}
function threeStart() {
initThree();
initCamera();
initScene();
initLight();
initObject();
animation();
}
function animation()
{
//renderer.clear();
camera.position.x =camera.position.x +1;
renderer.render(scene, camera);
requestAnimationFrame(animation);
}
</script>
</head>
<body onload="threeStart();">
<div id="canvas-frame"></div>
</body>
</html>
我们将重点放在animation函数中的代码，它将不断的通过下面的代码改变相机的位置：
camera.position.x =camera.position.x +1;
将相机不断的沿着x轴移动1个单位，也就是相机向右移动。相机向右移动，那么想一想相机中的物体，是怎么移动的呢？毫无疑问，它是反方向移动的，是向左移动的。
设置完相机的位置后，我们调用requestAnimationFrame(animation)函数，这个函数又会在下一个动画帧出发animation()函数，这样就不断改变了相机的位置，从而物体看上去在移动了。
另外，必须要重视render函数，这个函数是重新绘制渲染结果，如果不调用这个函数，那么即使相机的位置变化了，但是没有重新绘制，仍然显示的是上一帧的动画。Render函数调用如下：
renderer.render(scene, camera);
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3、改变物体自身的位置，让物体移动
第二种方式，就是让物体动起来，只要改变物体的位置就可以了。代码如下，你可以在“初级教程\chapter3\3-2.html”中找到代码：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>Three框架</title>
<script src="js/Three.js"></script>
<style type="text/css">
div#canvas-frame {
border: none;
cursor: pointer;
width: 100%;
height: 600px;
background-color: #EEEEEE;
}
</style>
<script>
var renderer;
function initThree() {
width = document.getElementById('canvas-frame').clientWidth;
height = document.getElementById('canvas-frame').clientHeight;
renderer = new THREE.WebGLRenderer({
antialias : true
});
renderer.setSize(width, height);
document.getElementById('canvas-frame').appendChild(renderer.domElement);
renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1.0);
}
var camera;
function initCamera() {
camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, width / height, 1, 10000);
camera.position.x = 0;
camera.position.y = 0;
camera.position.z = 600;
camera.up.x = 0;
camera.up.y = 1;
camera.up.z = 0;
camera.lookAt({
x : 0,
y : 0,
z : 0
});
}
var scene;
function initScene() {
scene = new THREE.Scene();
}
var light;
function initLight() {
light = new THREE.AmbientLight(0xFF0000);
light.position.set(100, 100, 200);
scene.add(light);
light = new THREE.PointLight(0x00FF00);
light.position.set(0, 0,300);
scene.add(light);
}
var cube;
var mesh;
function initObject() {
var geometry = new THREE.CylinderGeometry( 100,150,400);
var material = new THREE.MeshLambertMaterial( { color:0xFFFFFF} );
mesh = new THREE.Mesh( geometry,material);
mesh.position = new THREE.Vector3(0,0,0);
scene.add(mesh);
}
function threeStart() {
initThree();
initCamera();
initScene();
initLight();
initObject();
animation();
}
function animation()
{
mesh.position.x-=1;
renderer.render(scene, camera);
requestAnimationFrame(animation);
}
</script>
</head>
<body onload="threeStart();">
<div id="canvas-frame"></div>
</body>
</html>
关注animation函数处的代码，其中有一句，这也是和前一个例子唯一不同的一句：
mesh.position.x-=1;
其中mesh就是指的物体，它有一个位置属性position，这个position是一个THREE.Vector3类型变量，所以你要把它向左移动，只需要将x的值不断的减少就可以了。这里我们减去的是1个单位。
Ok，分析完毕，很轻松吧。
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4、物体运动后，怎么评估程序的性能
关于性能：测试一个程序，性能上是否有瓶颈，在3D世界里，经常使用帧数的概念，首先我们来定义一下帧数的意义。
帧数：图形处理器每秒钟能够刷新几次，通常用fps（Frames Per Second）来表示。如下是每秒钟59次刷新的应用：
当物体在快速运动时,当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像1/24秒左右的图像，这种现象被称为视觉暂留现象。是人眼具有的一种性质。人眼观看物体时，成像于视网膜上，并由视神经输入人脑，感觉到物体的像。一帧一帧的图像进入人脑，人脑就会将这些图像给连接起来，形成动画。
毫无疑问，帧数越高，画面的感觉就会越好。所以大多数游戏都会有超过30的FPS。为了监视FPS，看看你的程序哪里占用了很多的CPU时间，就需要学习一下性能监视器。
1、性能监视器Stats
在Three.js中，性能由一个性能监视器来管理，它的介绍在https://github.com/mrdoob/stats.js 可以看到。性能监视器的截图如下所示:
其中FPS表示：上一秒的帧数，这个值越大越好，一般都为60左右。点击上面的图，就会变成下面的另一个视图。
MS表示渲染一帧需要的毫秒数，这个数字是越小越好。再次点击又可以回到FPS视图中。
2、性能监视器Stats的使用
在Three.js中，性能监视器被封装在一个类中，这个类叫做Stats，下面是一段伪代码，表示Stats的使用。
var stats = new Stats();
stats.setMode(1); // 0: fps, 1: ms
// 将stats的界面对应左上角
stats.domElement.style.position = 'absolute';
stats.domElement.style.left = '0px';
stats.domElement.style.top = '0px';
document.body.appendChild( stats.domElement );
setInterval( function () {
stats.begin();
// 你的每一帧的代码
stats.end();
}, 1000 / 60 );
你现在可以自己写一段代码，来验证一下，你的程序的帧数了。
Stats到底做了什么事情呢？我们来分析一下。
1、setMode函数
参数为0的时候，表示显示的是FPS界面，参数为1的时候，表示显示的是MS界面。
2、stats的domElement
stats的domElement表示绘制的目的地（DOM），波形图就绘制在这上面。
3、stats的begin函数
begin，在你要测试的代码前面调用begin函数，在你代码执行完后调用end()函数，这样就能够统计出这段代码执行的平均帧数了。
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5、性能测试实例
好了，有了上面关于Stats类的基础知识后，我们来讲一个使用这个类的实例。
Stats的begin和end 函数本质上是在统计代码执行的时间和帧数，然后用公式fps=帧数/时间 ，就能够得到FPS。Stats的这个功能，被封装成了一个更好的函数update，只需要在渲染循环中调用就可以了。请看下面的代码[初级教程\chapter3\3-3.html]，这份代码是在3-2.html的基础上，加上了stats统计得到的。
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>Three框架</title>
<script src="js/Three.js"></script>
<script src="js/Stats.js"></script>
<style type="text/css">
div#canvas-frame {
border: none;
cursor: pointer;
width: 100%;
height: 600px;
background-color: #EEEEEE;
}
</style>
<script>
var renderer;
var stats;
function initThree() {
width = document.getElementById('canvas-frame').clientWidth;
height = document.getElementById('canvas-frame').clientHeight;
renderer = new THREE.WebGLRenderer({
antialias : true
});
renderer.setSize(width, height);
document.getElementById('canvas-frame').appendChild(renderer.domElement);
renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1.0);
stats = new Stats();
stats.domElement.style.position = 'absolute';
stats.domElement.style.left = '0px';
stats.domElement.style.top = '0px';
document.getElementById('canvas-frame').appendChild(stats.domElement);
}
var camera;
function initCamera() {
camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, width / height, 1, 10000);
camera.position.x = 0;
camera.position.y = 0;
camera.position.z = 600;
camera.up.x = 0;
camera.up.y = 1;
camera.up.z = 0;
camera.lookAt({
x : 0,
y : 0,
z : 0
});
}
var scene;
function initScene() {
scene = new THREE.Scene();
}
var light;
function initLight() {
light = new THREE.AmbientLight(0xFF0000);
light.position.set(100, 100, 200);
scene.add(light);
light = new THREE.PointLight(0x00FF00);
light.position.set(0, 0,300);
scene.add(light);
}
var cube;
var mesh;
function initObject() {
var geometry = new THREE.CylinderGeometry( 100,150,400);
var material = new THREE.MeshLambertMaterial( { color:0xFFFFFF} );
mesh = new THREE.Mesh( geometry,material);
mesh.position = new THREE.Vector3(0,0,0);
scene.add(mesh);
}
function threeStart() {
initThree();
initCamera();
initScene();
initLight();
initObject();
animation();
}
function animation()
{
//renderer.clear();
//camera.position.x =camera.position.x +1;
mesh.position.x-=1;
renderer.render(scene, camera);
requestAnimationFrame(animation);
stats.update();
}
</script>
</head>
<body onload="threeStart();">
<div id="canvas-frame"></div>
</body>
</html>
代码的运行效果如下图所示，左上部，就是显示的帧计数器。
以上代码一共只有几个步骤：
1、new 一个stats对象，代码如下
stats = new Stats();
2、将这个对象加入到html网页中去，代码如下
stats.domElement.style.position = 'absolute'; stats.domElement.style.left = '0px'; stats.domElement.style.top = '0px';
3、调用stats.update()函数来统计时间和帧数。代码如下
stats.update();
好了，这节课就讲到这里了，我们讲了重要的游戏循环和性能测试的方法。当帧数较低的时候，你就要注意了，可能是你的代码性能太低了造成的。一般情况下，帧数都可以跑到60的。
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6、使用动画引擎Tween.js来创建动画
上面介绍了通过移动相机和移动物体来产生动画的效果。使用的方法是在渲染循环里去移动相机或者物体的位置。如果动画稍微复杂一些，这种方式实现起来就比较麻烦一些了。
为了使程序编写更容易一些，我们可以使用动画引擎来实现动画效果。和three.js紧密结合的动画引擎是Tween.js,你可以再https://github.com/sole下载。
对于快速构件动画来说，Tween.js是一个容易上手的工具。首先，你需要引擎js文件，如下：
<-script src=”../js/tween.min.js” data-ke-src=”../js/tween.min.js”><-/script>
第二步，就是构件一个Tween对象，对Tween进行初始化，本例的代码是:
function initTween()
{
new TWEEN.Tween( mesh.position)
.to( { x: -400 }, 3000 ).repeat( Infinity ).start();
}
TWEEN.Tween的构造函数接受的是要改变属性的对象，这里传入的是mesh的位置。Tween的任何一个函数返回的都是自身，所以可以用串联的方式直接调用各个函数。
to函数，接受两个参数，第一个参数是一个集合，里面存放的键值对，键x表示mesh.position的x属性，值-400表示，动画结束的时候需要移动到的位置。第二个参数，是完成动画需要的时间，这里是3000ms。
repeat( Infinity )表示重复无穷次，也可以接受一个整形数值，例如5次。
Start表示开始动画，默认情况下是匀速的将mesh.position.x移动到-400的位置。
第三步是，需要在渲染函数中去不断的更新Tween，这样才能够让mesh.position.x移动位置:
function animation()
{
renderer.render(scene, camera);
requestAnimationFrame(animation);
stats.update();
TWEEN.update();
}
其中的TWEEN.update()完成了让动画动起来到目标。如果不调用这个函数场景就不能动起来了。
你可以再[初级教程\chapter3\3-4.html]和[初级教程\chapter3\3-5.html]找到这节的代码，3-4.html是让物体动起来，3-5.html是让相机动起来。
7、使用动画引擎Tween.js来创建不规则动画
本节是一扩展的小结。如果对此不敢兴趣，可以跳过此节，也不影响学习。
上面讲的运动是直线运动，有时候我们需要曲线运动，例如下面图中的运动轨迹：
点击这里可以看到曲线运动方式。在实际工作中，经常是曲线运动，所以你有必要去快速掌握这些知识。
