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。
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。
移动VR两巨头：Daydream 与 Gear VR
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。
WebVR API Emulation模拟VR体验
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。
3维模型矩阵变换
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。
WebVR开发流程
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：
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