ThreeJS开发与WebVR技术分享整理

原文地址：https://www.cnblogs.com/wanbo/p/5763932.html

主要面向Web前端工程师，需要一定Javascript及three.js基础；
本文主要分享内容为基于three.js开发WebVR思路及碰到的问题；
有兴趣的同学，欢迎跟帖讨论。

目录：
一、项目体验
1.1、项目简介
1.2、功能介绍
1.3、游戏体验
二、技术方案
2.1、为什么使用WebVR
2.2、常用的WebVR解决方案
2.2.1、Mozilla的A-Frame方案
2.2.2、three.js及webvr-polyfill方案
三、技术实现
3.1、知识储备
3.2、实现步骤
3.3、工作原理
四、技术难点
4.1、程序与用户共同控制摄像头
4.2、多重蒙板贴图
4.3、镜头移动
4.4、3d自适应长度文字提示
4.5、unity3d地形导出
4.6、3dmax动画导出问题
五、完整的源代码及相应组件

一、项目体验
1.1、项目简介：
1.1.1、名称：
“重历阿尔特里亚”——龙之谷手游手首发ChinaJoy2016预热VR小游戏

1.1.2、开发背景：
基于龙之谷手游具备的3D属性，全景视角体验，以及ChinaJoy首发的线下场景，我们和品牌讨论除了基于VR的线下体验项目。由于基于Web技术较好的兼容性、开发的高效性，我们采用了WebVR技术来实现整个体验。

1.1.3、使用WebVR优势：
1.1.3.1、普通web前端工程师可以参与VR应用开发，降低了开发门槛；
1.1.3.2、跨设备终端、跨操作系统、跨APP载体；
1.1.3.3、开发快速、维护方便、随时调整、传播便捷；
1.1.3.4、浏览器即可体验，无需安装。

1.2、功能介绍
基于游戏内3D场景、人物和道具模型，通过WebGL框架three.js开发的VR小游戏，在ChinaJoy龙之谷手游展台给玩家提供线下VR互动体验，并在后续应用于线上营销传播。不具备VR眼镜设备的用户可选择普通模式进行互动体验。

1.3、游戏体验
如果你身边正好有VR眼镜，请选择VR模式体验；如果没有，请选择普通模式。
需要说明的是，由于本次应用针对线下场景，而合作方三星提供了最新的S7手机和GearVR设备，所以项目只针对S7做了体验优化，所以可能部分手机会有卡顿或者3D模型错乱的情况。

你可以扫描如下二维码或打开http://dn.qq.com/act/vr/进行体验：

二、技术方案
2.1、为什么是时候尝试WebVR了？
2.1.1、时机慢慢成熟，我们通过几件事件即可感知：
2015年初，Mozilla在firefox nightly增加了对WebVR的支持；
2015年底，MozVR团队推出开源框架A-Frame，能过HTML标签，即可创建VR网页；
2015年底，Egret3D发布，开发团队称将在以后版本中实现WebVR的支持；
2016年初，Google与Mozilla联合创建WebVR标准；
2016年6月，Google计划将整个Chrome浏览器搬进VR世界中。
2.1.2、WebVR开发成本更低。
2015年VR硬件迅速发展，但时至今日，VR内容还是稍显单薄。原因在于，VR开发成本过高，而WebVR依托于WebGL及类似threeJS等框架，大大降低开发者进入VR领域的门槛。
2.1.3、Web自身的优势
上文中已有提及，依托也Web，具有不需安装、便于传播、便于快速迭代等特点。

2.2、目前阶段，常用的WebVR解决方案：
2.2.1、A-frame
介绍：Mozilla的开源框架，通过定制HTML元素即可构建WebVR方案的框架，适用于没有webGL与threeJS基础的初学者。
优点：基于threeJS的封装，通过特定的标签就能够快速创建VR网页；
缺点：所提供的组件有限，难以完成较复杂的项目。
实例：
2.2.1.1、创建一个简单的场景。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="utf-8">
<meta name="description" content="Composite — A-Frame">
<script src="../aframe.js"></script>
</head>
<body>
	<a-scene>
		<!-- 环境光. -->
		<a-entity light="type: ambient; color: #888"></a-entity>
		<a-entity position="0 2.2 4">
		<!-- 添加相机 -->
		<a-entity camera look-controls wasd-controls>
			<!-- 添加圆环 -->
			<a-entity cursor
			geometry="primitive: ring; radiusOuter: 0.015; radiusInner: 0.01; segmentsTheta: 32" material="color: #283644; shader: flat" raycaster="far: 30" position="0 0 -0.75"></a-entity>
		</a-entity>
		</a-entity>
	</a-scene>
</body>
</html>

源码讲解：
如上简单的几个标签，即可构建一个包含灯光、相机、跟随相机的物体的场景，其余事情，都将由A-frame进行解析，具体标签与属性不多作讲解，可以参考 A-frame DOC。

2.2.1.1、加载一个由软件（比如3dmax）导出的模型。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="utf-8">
<meta name="description" content="Composite — A-Frame">
<script src="../aframe.js"></script>
<script>
	AFRAME.registerComponent('json-model', {
		schema: {
			type: 'src'
		},
		init: function () {
			this.loader = new THREE.JSONLoader();
		},
		update: function () {
			var mesh = this.el.getOrCreateObject3D('mesh', THREE.Mesh);
			this.loader.load(this.data, function (geometry) {
			mesh.geometry = geometry;
			});
		}
	});
</script>
</head>
<body>
<a-scene>
	<a-assets>
		<a-asset-item id="sculpture" src="data/building-ground.js"></a-asset-item>
	</a-assets>
	<a-entity id="car" json-model="#sculpture"  position="0 0 0" scale="5 5 5" rotation="0 45 0" material="src: url(cross-domain/skin/xianxiasq_zhujianqiangmian_001.png)"></a-entity>
</a-scene>
</body>
</html>

源码讲解：
这个例子主要演示，A-Frame如何添加组件，对，因为A-Frame现阶段组件太少，加载自定义模式需要自己扩展组件。而组件添加需要three.js基础。
so，A-Frame出发点是非常美好的，学习几个简单的标签及属性，即可以搭建3d/webvr场景，但是现实却是目前它还并不成熟，并且伴随着A-Frame主设计师跳槽到Google，所以我很早就放弃这个方案了。

2、基于threeJS与webVR组件，事实上，A-frame就是基于这两者的封装。
优点：可以完成复杂项目，可以结合原生的webGL；
缺点：需要掌握threeJS，需要了解webGL，学习成本较高。

在本项目中，选用的就是这个方案，在下章节中，将会进行详细介绍。

三、技术实现
3.1、知识储备：
three.js（掌握）、webGL（了解）、javascript
对three.js没有基础的同学，可以移步至 Three.js实例教程

3.2、实现步骤：
简单来说，完成一个WebVR应用，需要以下三个步骤：
3.2.1、搭建场景

如上图与示：
首先我们需要载入我们的资源，这些资源包括地形、角色、动画、及辅助元素；
然后创建我们需要的元素，比如灯光、相机、天空等；
然后完成主业务逻辑。

3.2.2、交互
即用户的动作输入，这些动作包括：
位置移动、旋转、视线焦点、声音、甚至全身所有关节动作。
当然，当前我们可利用的硬件设备有限，手机自身可利用的如陀螺仪、罗盘、听筒。其余辅助设备常用如Leap Motion、Kinect等。
更多的额外设备意识着更高的使用成本，在本案例中使用的到的动作输入信息：
用户当前方向，由VRControls.js与webvr-polyfill.js实现完成；
用户视角焦点，完成按钮点击、攻击等动作，通过跟随相机的物体检测碰撞来完成。

3.2.3、分屏

如上图所示，为让用户更具沉侵感，通常会根据用户瞳距将屏幕分割成具有一定视差的两部分，勿需担心，这部分工作由VREffect.js来完成。

3.3、工作原理
上节中提到了webvr相关组件，本来我们可以简单利用它提供的接口就可以完成，但肯定还是有同学会好奇，它的工作原理是怎样的呢。

这得从Mozilla与Google 2016年初联手推出的WebVR API提案开始，WebVR Specification，该提案给VR硬件定义了专门定制的接口，让开发者能够构建出沉浸感强，舒适度高的VR体验。但由于该标准还处于草案阶段，所以我们开发需要WebVR Polyfill，这个组件不需要特定浏览器，就可以使用WebVR API中的接口。
所以我们只需要在项目中，引入webvr-polyfill.js及VRControls、VREffect两个类，并调用即可。

vrEffect = new THREE.VREffect(renderer);
vrControls = new THREE.VRControls(camera);

webvr-polyfill基于普通浏览器实现了WebVR API 1.0功能；
VRControls更新摄像头信息，让用户以第一人称置于场景中；
VREffect负责分屏。

四、技术难点

4.1、程序与用户共同控制摄像头
当程序在自动移动镜头的过程中，允许用户四处观察，这时候需要一个辅助容器共同控制镜头旋转与移动。

// 添加摄像机
camera = new THREE.PerspectiveCamera(60, size.w / size.h, 1, 10000);
camera.position.set(0, 0, 0);
camera.lookAt(new THREE.Vector3(0,0,0));

// 辅助镜头移动
dolly  = dolly = new THREE.Group();
dolly.position.set(10, 40, 40);
dolly.rotation.y = Math.PI/10;
dolly.add(camera);
scene.add(dolly);

4.2、多重蒙板贴图

如上图所示，该地形由三种贴图通过蒙板共同合成，这时候我们需要使用自定义Shader来实现，由rbg三个通道控制显示。
核心代码（片元着色器）：

fragmentShader: [
	'uniform sampler2D texture1;',
	'uniform sampler2D texture2;',
	'uniform sampler2D texture3;',
	'uniform sampler2D mask;',
	'void main() {',
		'vec4 colorTexture1 = texture2D(texture1, vUv* 40.0);',
		'vec4 colorTexture2 = texture2D(texture2, vUv* 60.0);',
		'vec4 colorTexture3 = texture2D(texture3, vUv* 20.0);',
		'vec4 colorMask = texture2D(mask, vUv);',
		'vec3  outgoingLight = vec3( colorTexture1.rgb*colorMask.r + colorTexture2.rgb *colorMask.g + colorTexture3.rgb *colorMask.b ) * 0.6;',
		'gl_FragColor =  vec4(outgoingLight, 1.0);',
	'}'
].join("/n")

完整代码（添加three.js灯光，雾化）：

// 合成材质
var map1 = texLoader.load('cross-domain/skins/foor_stone02.png' );
var map2 = texLoader.load('cross-domain/skins/green_wet09.png');
var map3 = texLoader.load('cross-domain/skins/stone_dry02.png');

// 自定义复合蒙板shader
THREE.FogShader = {
	uniforms: lib.extend( [

		THREE.UniformsLib[ "fog" ],
		THREE.UniformsLib[ "lights" ],
		THREE.UniformsLib[ "shadowmap" ],
		{
			'texture1': { type: "t", value: map1},
			'texture2': { type: "t", value: map2},
			'texture3': { type: "t", value: map3},
			'mask': { type: "t", value: texLoader.load('cross-domain/skins/mask.png')}
		}
	] ),
	vertexShader: [
		"varying vec2 vUv;",
		"varying vec3 vNormal;",
		"varying vec3 vViewPosition;",

		THREE.ShaderChunk[ "skinning_pars_vertex" ],
		THREE.ShaderChunk[ "shadowmap_pars_vertex" ],
		THREE.ShaderChunk[ "logdepthbuf_pars_vertex" ],

		"void main() {",

			THREE.ShaderChunk[ "skinbase_vertex" ],
			THREE.ShaderChunk[ "skinnormal_vertex" ],


			"vec4 mvPosition = modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );",

			"vUv = uv;",
			"vNormal = normalize( normalMatrix * normal );",
			"vViewPosition = -mvPosition.xyz;",

			"gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );",
			THREE.ShaderChunk[ "logdepthbuf_vertex" ],
		"}"
	].join('/n'),

	fragmentShader: [
		'uniform sampler2D texture1;',
		'uniform sampler2D texture2;',
		'uniform sampler2D texture3;',
		'uniform sampler2D mask;',

		'varying vec2 vUv;',
		'varying vec3 vNormal;',
		'varying vec3 vViewPosition;',
		// "vec3 outgoingLight = vec3( 0.0 );",
		THREE.ShaderChunk[ "common" ],
		THREE.ShaderChunk[ "shadowmap_pars_fragment" ],
		THREE.ShaderChunk[ "fog_pars_fragment" ],
		THREE.ShaderChunk[ "logdepthbuf_pars_fragment" ],

		'void main() {',
			THREE.ShaderChunk[ "logdepthbuf_fragment" ],
			THREE.ShaderChunk[ "alphatest_fragment" ],
			
			'vec4 colorTexture1 = texture2D(texture1, vUv* 40.0);',
			'vec4 colorTexture2 = texture2D(texture2, vUv* 60.0);',
			'vec4 colorTexture3 = texture2D(texture3, vUv* 20.0);',
			'vec4 colorMask = texture2D(mask, vUv);',

			'vec3 normal = normalize( vNormal );',
			'vec3 lightDir = normalize( vViewPosition );',

			'float dotProduct = max( dot( normal, lightDir ), 0.0 ) + 0.2;',

			'vec3  outgoingLight = vec3( colorTexture1.rgb*colorMask.r + colorTexture2.rgb *colorMask.g + colorTexture3.rgb *colorMask.b ) * 0.6;',


			THREE.ShaderChunk[ "shadowmap_fragment" ],
			THREE.ShaderChunk[ "linear_to_gamma_fragment" ],
			THREE.ShaderChunk[ "fog_fragment" ],

			// 'gl_FragColor = vec4( colorTexture1.rgb*colorMask.r + colorTexture2.rgb *colorMask.g + colorTexture3.rgb *colorMask.b, 1.0 )  + vec4(outgoingLight, 1.0);',
			// 'gl_FragColor = outgoingLight;',
			'gl_FragColor =  vec4(outgoingLight, 1.0);',
		'}'
	].join("/n")

};
THREE.FogShader.uniforms.texture1.value.wrapS = THREE.FogShader.uniforms.texture1.value.wrapT = THREE.RepeatWrapping;
THREE.FogShader.uniforms.texture2.value.wrapS = THREE.FogShader.uniforms.texture2.value.wrapT = THREE.RepeatWrapping;
THREE.FogShader.uniforms.texture3.value.wrapS = THREE.FogShader.uniforms.texture3.value.wrapT = THREE.RepeatWrapping;

var material = new THREE.ShaderMaterial({
	uniforms        : THREE.FogShader.uniforms,
	vertexShader    : THREE.FogShader.vertexShader,
	fragmentShader  : THREE.FogShader.fragmentShader,
	fog: true
});

3、镜头移动（依赖Tween类）
功能函数：

cameraTracker: function(paths){
	var tweens = [];
	for(var i = 0; i < paths.length; i++) {
		(function(i){
			var tween = new TWEEN.Tween({pos: 0}).to({pos: 1}, paths[i].duration || 5000);
			tween.easing(paths[i].easing || TWEEN.Easing.Linear.None);
			tween.onStart(function(){
				var oriPos =  dolly.position;
				var oriRotation = dolly.rotation;
				this.oriPos = {x: oriPos.x, y: oriPos.y, z: oriPos.z};
				this.oriRotation = {x: oriRotation.x, y: oriRotation.y, z: oriRotation.z};
			});
			tween.onUpdate(paths[i].onupdate || function(){
				if(paths[i].pos) {
				  	dolly.position.x = this.oriPos.x + this.pos * (paths[i].pos.x -  this.oriPos.x);
				  	dolly.position.y = this.oriPos.y + this.pos * (paths[i].pos.y -  this.oriPos.y);
				  	dolly.position.z = this.oriPos.z + this.pos * (paths[i].pos.z -  this.oriPos.z);		
				}
				if(paths[i].rotation) {
				  	dolly.rotation.x = this.oriRotation.x + this.pos * (paths[i].rotation.x -  this.oriRotation.x);
				  	dolly.rotation.y = this.oriRotation.y + this.pos * (paths[i].rotation.y -  this.oriRotation.y);
				  	dolly.rotation.z = this.oriRotation.z + this.pos * (paths[i].rotation.z -  this.oriRotation.z);
				}
			});
			tween.onComplete(function(){
				paths[i].fn && paths[i].fn();
				var fn = tweens.shift();
				fn && fn.start();
			});
			tweens.push(tween);
		})(i);
	}
	tweens.shift().start();
}

调用：

lib.cameraTracker([
	{'pos': { x: -45,y: 5, z: -38},'rotation': {x: 0, y: -1.8, z: 0},  'easing': TWEEN.Easing.Cubic.Out,'duration':4000}
]);

4、自适应长度文字提示
根据文字长度生成canvas作为贴图到Sprite对象。

hint = function(text, type, posY, fadeTime){
	var chinense = text.replace(/[u4E00-u9FA5]/g, '');
	var dbc = chinense.length;
	var sbc = text.length - dbc;
	var length = dbc * 2 + sbc;
	var fontsize = 40;
	var textWidth = fontsize* length / 2;
	posY = posY || 0.3;
	type = type || 1;
	fadeTime = fadeTime === window.undefined ? 500 : fadeTime;

	if(text == 'sucess' || text == 'fail') {
		text = ' ';
	}

	var canvas = document.createElement("canvas");		
	var width = 1024, height = 512;
	canvas.width = width;
	canvas.height = height;
	var context = canvas.getContext('2d');

	var imageObj = document.querySelector('#img-hint-' + type);
	

	context.drawImage(imageObj, width/2 - imageObj.width/2, height/2 - imageObj.height/2);
	context.font = 'Bold '+ fontsize +'px simhei';
	context.fillStyle = "rgba(255,255,255,1)";
	context.fillText(text, width/2-textWidth/2, height/2+15);			


	var texture = new THREE.Texture(canvas);
	texture.needsUpdate = true;

	var mesh;
	var material = new THREE.SpriteMaterial({
		map: texture,
		transparent: true,
		opacity: 0
	});
	mesh = new THREE.Sprite(material);
	mesh.scale.set(width/400, height/400, 1);
	mesh.position.set(0, posY, -3);
	camera.add(mesh);	

	var tweenIn = new TWEEN.Tween({pos: 0}).to({pos: 1}, fadeTime);
	tweenIn.onUpdate(function(){
		material.opacity = this.pos;
	});
	if(fadeTime === 0) {
		material.opacity = 1;
	} else {
		tweenIn.start();
	}
	

	var tweenOut = new TWEEN.Tween({pos: 1}).to({pos: 0}, fadeTime);
	tweenOut.onUpdate(function(){
		material.opacity = this.pos;
	});
	tweenOut.onComplete(function(){
		camera.remove(mesh);
	});
	tweenOut.fadeOut = tweenOut.start;
	tweenOut.remove = function(){
		camera.remove(mesh);
	}

	return tweenOut;
};

5、unity地形导出
5.1、首先将unity地形导出为obj

5.2、然后导入3dmax，使用ThreeJSExporter.ms导出为js格式。

6、3dmax动画导出问题
6.1、动画导出错误
通常是对象为可编辑多边形，需要转换成网格对象。

操作步骤：
6.1.1、选择对象，右键转换为可编辑网络；
6.1.2、选择蒙皮修改器，重新蒙皮；
6.1.3、点击蒙皮修改器下的骨骼 > 添加，添加原有的骨骼。
6.2、动画导出错乱
很容易让人以为是权重出问题了，但就我自己多个项目动画导出的经验来看，大部分出现在骨骼添加上。在3dmax及unity中，不添加根节点往往不影响动画执行，但导出到three.js，需要添加根节点。如果问题还存在，则仔细观察是哪个骨骼引起的，多余骨骼或缺少骨骼都可能引起动画错乱。

五、完整的源代码及相应组件
点击下载
main.js – 完整的源代码
tween.min.js – 动画类
OrbitControls.js – 视图控制器，旋转、移动、缩放场景，方便调试
audio.min.js – motion音频组件，解决自动播放音频问题
其余vr相关组件上文已有介绍

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