WebVR开发教程——深度剖析

最近WebVR API 1.1已经发布，2.0草案也在拟定中，在我看来，WebVR走向大众浏览器是早晚的事情了，今天本人将对WebVR开发环境和开发流程进行深入介绍。

WebVR与WebVR API

首先，WebVR指的是使用浏览器体验VR的方式，如今已经成为了一种开放标准。
它提供了JavaScript API，使开发者可以获取vr设备的输入信息，来改变用户在虚拟空间里的位置、视觉、行为等。
以下是目前主流VR及浏览器对WebVR的支持情况。

VR平台	浏览器支持
Cardboard	chrome、百度VR浏览器
Daydream	chrome
Gear VR	Oculus Carmel 或 Samsung Internet
Oculus Rift	Firefox 或 Chromium experimental分支
HTC Vive	Firefox 或 Chromium experimental分支或 Servo

遗憾的是，WebVR的体验方式目前只能运行在Android和Windows系统上。不过这并不影响我们在mac和linux上开发与调试。

WebVR的开发环境配置

由于WebVR App需要运行VR设备上，而目前购买一台VR设备的成本不低，所以这里我总结了一套开发环境下WebVR调试方案。
首先我们需要给WebVR静态页面起一个web server，这里我安装 Web Server for Chrome，你也可以使用node或者上传至github托管。

PC端调试

1. 安装chrome扩展程序 WebVR API Emulation

使用WebVR API Emulation扩展程序可以模拟VR设备用户的视角、位置等。

移动端调试

适用于cardboard级别的WebVR App调试。

1. 安装chrome beta

目前需要webvr还属于早期实验阶段，需要下载chrome beta最新版，安装完需要手动开启webvr支持，在浏览器地址栏输入chrome://flags#enable-webvr，点击启用并重新启动chrome。

2. 安装Google VR 服务

这是google给cardboard、daydream用户提供VR服务配置，可以提供VR模式窗口，如下图。
最后你可以在chrome上打开WebVR示例页面验证是否配置成功

3. chrome inspector调试

通过手机chrome访问我们开发的WebVR页面，在PC端chrome输入chrome://inspector进行调试，具体可以参考远程调试 Android 设备使用入门。

完成WebVR开发环境配置之后，我们将正式进入WebVR开发之旅。

使用WebGL开发WebVR

WebVR App实现依赖于WebGL技术开发，WebGL是在浏览器上创建和运行3D图像，它遵循OpenGL ES的规范，通过GLSL语言操作GPU进行顶点片元渲染。

在WebGL场景中，3d物体都是通过矩阵变换最终形成屏幕上的2d图像，[投影矩阵ProjectionMatrix] × [视图矩阵ViewMatrix] × [模型矩阵ModelMatrix] × 顶点坐标，其中投影矩阵和视图矩阵可以抽象为3d场景中的相机属性。

模型矩阵 × 顶点坐标（相对模型） = 顶点世界坐标（绝对坐标）
视图矩阵 × 世界坐标 = 顶点相机坐标（以相机为坐标原点）

投影矩阵 × 顶点相机坐标 = 2d屏幕坐标

相比一般WebGL场景，WebVR App不同之处在于：

WebVR需要进行双屏渲染，通过分屏模拟人左右眼视野，因此在每一帧动画渲染中，WebVR应用都要比普通WebGL应用多绘制一次；

WebVR场景相机的方向、视野、位置（DOF）与用户头显(HMD)紧密关联。
换句话说，当用户的现实视角发生变化时，WebVR场景的相机也需要动态变化。

根据以上不同之处，我梳理了一个WebVR App的简单开发流程，如下图。

开发流程总结为： VR数据初始化 → WebGL初始化 → 动画渲染。

一、VR数据初始化

使用navigator.getVRDisplay()方法获取VR实例，该方法返回值是一个promise实例，通过.then(function(displays){})取得当前使用的VR实例列表。

let vrDisplay;
navigator.getVRDisplays().then(displays => {
  if (displays.length > 0) {
    vrDisplay = displays[0];
    console.log('Display found',vrDisplay);
    drawVRScene();
  } else {
    console.log('Display not found');
    // 非VR模式下渲染
    // drawScene();
  }
});

二、WebGL初始化

WebGL程序初始化一般分为这几个步骤：编译顶点、片元着色器程序→创建顶点、纹理缓冲区→ 设置画布被清空时颜色→启动深度测试

function drawVRScene() {
  const canvas = document.getElementById('glcanvas');
  // 获取WebGL上下文
  const gl = canvas.getContext('webgl');
  // WebGL初始化
  init(gl); 
  // WebGL渲染
  render(gl);
}
function init(gl) {
  // 预编译着色器程序
  if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
    console.log('Failed to intialize shaders.');
    return;
  }
  // 创建顶点缓冲
  initVertexBuffers(gl);
  // 创建纹理缓冲
  initTextures(gl,'../assets/texture.jpg');
  gl.clearColor(0.4, 0.4, 0.4, 1.0);
  // 启动深度测试
  gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
  gl.depthFunc(gl.LEQUAL);
}

GLSL着色器程序

顶点着色器要做的工作是将Js输入的顶点坐标、模型-视图-投影矩阵进行逐顶点运算。

const VSHADER_SOURCE = `
attribute vec4 a_Position;
uniform mat4 u_MvpMatrix;
attribute vec2 a_TexCoord;
varying highp vec2 v_TexCoord;
void main() {
    gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;
    v_TexCoord = a_TexCoord;
}
`;

片元着色器主要处理片元颜色，在这里只是将纹理坐标和纹理对象传给片元着色器。

const FSHADER_SOURCE = `
uniform sampler2D u_Sampler;
varying highp vec2 v_TexCoord;
void main() {
    gl_FragColor = texture2D(u_Sampler,v_TexCoord);
}
`;

WebVR前期初始化之后，我们需要创建动画来渲染VR场景。

三、动画渲染

1. requestAnimationFrame创建动画

通过使用vrDisplay实例的requestAnimationFrame(callback)，递归执行callback函数。
该方法是window.requestAnimationFrame的一个特殊实现，它会优先使用VR设备原生的刷新率而不是浏览器的刷新率，以达到合适的渲染帧频。


function render(gl,vrDisplay) {
    // 创建VR帧数据对象
    const frameData = new VRFrameData();
    const u_MvpMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_MvpMatrix');
    function animate() {
      // TODO
      draw(frameData,u_MvpMatrix);
      // 通过递归的方式，执行绘图函数，产生动画
      vrDisplay.requestAnimationFrame(animate);
    }
    animate();
}

我们在启动动画递归之前使用new VRFrameData()方法，VRFrameData是WebVR提供的帧数据封装对象，是WebVR渲染的关键数据，下文将会介绍如何使用它。

2. VR渲染

2.1 使用viewport设置双视口

WebGL上下文提供了viewport函数，用来指定3d场景在canvas的绘制位置和尺寸。
默认的情况下，WebGL渲染视口为gl.viewport(0, 0, canvas.width, canvas.height)。
其中前两个参数代表渲染的起点坐标，后两个参数代表渲染的尺寸，这里通过依次设置左右眼渲染视口，来达到分屏效果。

function draw(frameData,u_MvpMatrix) {
  gl.viewport(0, 0, canvas.width * 0.5, canvas.height); // 设置左侧视口
  // TODO
  gl.viewport(canvas.width * 0.5, 0, canvas.width * 0.5, canvas.height); // 设置右侧视口
  // TODO
}

左、右侧视口的渲染宽度为canvas宽度的1/2，左视口起始点为(0,0)，右视口的起始点坐标为(canvas.width * 0.5, 0)。

2.2 使用VRFrameData动态渲染

前面介绍了WebVR渲染需要根据用户行为动态绘制每一帧场景，具体做法是：
1）通过WebVR API提供的VRFrameData实例获取当前帧的视图矩阵和投影矩阵；
2）将视图-投影矩阵传入着色器进行绘制；
3）生成下一帧数据并提交给当前canvas；
4）进入下一帧回调。
具体代码如下

function draw(gl,frameData,u_MvpMatrix) {       
  const {
    leftProjectionMatrix,
    leftViewMatrix,
    rightProjectionMatrix,
    rightViewMatrix
  } = frameData; 
  // 初始化模型矩阵，模型-视图-投影矩阵
  let modelMatrix = mat4.create(),
      vpMatrix = mat4.create(),
      mvpMatrix = mat4.create();

  // 将左眼视图渲染到画布的左侧
  gl.viewport(0, 0, canvas.width * 0.5, canvas.height);
  // mvpMatrix = ProjectionMatrix × ViewMatrix × modelMatrix
  // 这里使用gl-matrix.js的mat4对象对float32Array进行矩阵操作
  mat4.multiply(vpMatrix,leftProjectionMatrix,leftViewMatrix);
  mat4.multiply(mvpMatrix,vpMatrix,modelMatrix);
  // 将模型-视图-投影矩阵mvpMatrix传入着色器
  gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix);
  // 左侧绘图
  gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);

  // 将右眼视图渲染到画布的右侧
  gl.viewport(canvas.width * 0.5, 0, canvas.width * 0.5, canvas.height);
  mat4.multiply(vpMatrix,rightProjectionMatrix,rightViewMatrix);
  mat4.multiply(mvpMatrix,vpMatrix,modelMatrix);
  gl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix);
  gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);

  // 生成下一帧数据并覆盖原来的frameData
  vrDisplay.getFrameData(frameData);
  vrDisplay.submitFrame();
}

首先，在动画渲染前通过new VRFrameData()获得实例frameData，并传入动画渲染函数；
接着，在动画函数里获取frameData的属性：

VRFrameData实例属性
leftProjectionMatrix	左视口投影矩阵
leftViewMatrix	左视口视图矩阵
rightProjectionMatrix	右视口投影矩阵
rightViewMatrix	右视口视图矩阵

当然VRFrameData还包括pose、orientation等属性这里就不一一列举了。
根据公式分别计算出左右视口的模型-视图-投影矩阵，传给顶点着色器程序，与顶点缓冲区的顶点坐标相乘绘制出最终顶点。

MvpMatrix = ProjectionMatrix × ViewMatrix × modelMatrix

最后，在每一帧动画回调结束前，我们调用vrDisplay.getFrameData(frameData)来生成下一帧数据并覆盖frameData，并使用vrDisplay.submitFrame()将当前帧提交给当前画布渲染。

至此，WebVR的开发流程已基本走完，具体代码可以参考下方demo

项目代码：https://github.com/YoneChen/webvr-demo

结语：使用原生WebGL开发WebVR应用相比three.js或者aframe代码要复杂很多，不过通过这种方式却能更深入的了解WebVR的工作原理。

想了解three.js开发webvr，可参考《VR大潮来袭---前端开发能做些什么》
也欢迎各位关注我的专栏 WebVR技术庄园，不定期更新~

相关资料：
计算机图形知识：矩阵变换
WebGL快速入门：WebGL 技术储备指南
谷歌开发者 | WebVR：WebVR基本原理
MDN | WebVR API：使用WebVR API