和我一起学 Three.js【初级篇】：3. 掌握摄影机

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0. 系列文章合集

本系列第 6，7 章节支持微信公众号内付费观看，将在全系列文章点赞数+评论数 >= 500, 1000 时分别解锁发布。

《0. 总论》
《1. 搭建 3D 场景》
《2. 掌握几何体》
您当前在这里《3. 掌握摄影机》
《4. 掌握纹理》
《5. 掌握材质》
《6. 掌握光照》
《7. 掌握阴影》
《8. 融会贯通，神功小成》（将于 2023.4.17 更新，敬请期待）
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：

立体摄影机（[StereoCamera](https://threejs.org/docs/?q=StereoCamera#api/en/cameras/StereoCamera)）：可以同时生成两个相机对象，一个渲染左眼图像，一个用于渲染右眼图像。这就很适合在 VR，AR，3D 视频等应用中产生更加真实的 3D 效果（_由 StereoCamera 生成的 VR 效果可以通过 Oculus Rift，HTC Vive 等 VR 头显设备观看_）。

立方体摄影机（[CubeCamera](https://threejs.org/docs/?q=CubeCamera#api/en/cameras/CubeCamera)）：用于生成「环境贴图（Environment Map）」，它会生成一个立方体场景，捕捉场景内的环境信息，分别在 6 个面各渲染一次，然后将渲染结果用于物体的反射贴图，折射贴图，从而增强场景的真实感和细节效果。

「环境贴图」是一种常用于增强场景真实感的技术，它通过将场景中周围环境信息捕捉下来，并将其应用于物体表面的材质中，从而使物体看起来更加真实和具有反射性。具体来说，环境贴图是一张包含了场景中周围环境的图像，通常为立方体贴图。它可以捕捉到场景中的反射、折射、漫反射、全局光照等信息，使得物体的表面看起来更加真实，同时也可以增强场景的光照效果。

正交摄影机（[OrthographicCamera](https://threejs.org/docs/?q=Ortho#api/en/cameras/OrthographicCamera)）：将会渲染一个没有透视效果的场景，无论物体和摄影机的距离如何，物体的大小都不会放生变化。可以通过该摄影机创建 RTS 类游戏，例如帝国时代。

透视摄影机（[PerspectiveCamera](https://threejs.org/docs/?q=Camera#api/en/cameras/PerspectiveCamera)）：这是 Three.js 中最常用的摄影机，它可以模拟人眼观察物体时近大远小的透视效果。

请注意透视摄影机与正交摄影机在渲染立方体时的不同，在正交摄影机中，所有立方体的尺寸是相似的。

3. 创建摄影机

下面将进入代码实践环节，请务必确保您已阅读之前的文章，和我拥有相同的开发环境！

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：

拖拽控制器（[DragControls](https://threejs.org/docs/?q=Control#examples/en/controls/DragControls)）：该控制器实际上和摄影机无关，它接收一个物体组成的数组，并提供数组内物体拖放功能，官网的这个示例提供了一大堆立方体供您体验拖拽的乐趣！；
第一人称视角控制器（[FirstPersonControls](https://threejs.org/docs/#examples/en/controls/FirstPersonControls)）：如果您玩过反恐精英等射击游戏，看到这个名称，您可能会感到激动，没错，该控制器提供了实现第一人称视角的效果，它类似于下面将介绍的飞行控制器，但附加了一个固定向上的轴；
飞行控制器（[FlyControl](https://threejs.org/docs/#examples/en/controls/FlyControls)）：该控制器允许用户通过键盘和鼠标来控制摄像机的飞行。用户可以使用 FlyControls 来模拟飞机或者直升机的飞行，或者让摄像机在场景中自由移动；
轨道控制器（[OrbitControls](https://threejs.org/docs/?q=Control#examples/en/controls/OrbitControls)）：该控制器可以实现我们之前手动实现的效果，更进一步，它允许用户使用鼠标左键围绕一个点旋转，使用鼠标右键横向平移，并使用滚轮放大或缩小；
指针锁定控制器（[PointerLockControls](https://threejs.org/docs/?q=Control#examples/en/controls/PointerLockControls)）：通过使用 Pointer Lock API，可以隐藏鼠标指针，并在 mousemove 事件回调中不断发送移动事件。通过该 API，用户可以在浏览器中创建 FPS 游戏；
轨迹球控制器（[TrackballControls](https://threejs.org/docs/?q=Control#examples/en/controls/TrackballControls)）：轨迹球控制器类似轨道控制器，但不限制垂直角度的旋转。即使场景颠倒，您也可以继续旋转并旋转相机；
变换控制器（[TransformControls](https://threejs.org/docs/#examples/en/controls/TransformControls)）：和拖拽控制器一样，这个控制器与摄影机无关。它允许用户在 Three.js 场景中对场景中的 3D 对象进行变换操作，包括平移、旋转、缩放等。它通常应用于编辑器场景。

4.2.1 引入控制器

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！