元宇宙探索之路

前言

元宇宙正在如火如荼地发展，大有引领未来潮流之势。对于我们这么专业的（web 前端）团队来说，元宇宙是一个大 (wan) 显 (quan) 身 (bu) 手 (dong) 的领域，因此团队在这方面投入了很多人力进行预研和总结，请随本文一起踏入元宇宙的神秘世界。

元宇宙与 3D

元宇宙，或称为后设宇宙、形上宇宙、元界、魅他域、超感空间、虚空间，是一个聚焦于社交链接的 3D 虚拟世界之网络。关于元宇宙的讨论，主要是探讨一个持久化和去中心化的在线三维虚拟环境。此虚拟环境将可以通过虚拟现实眼镜、增强现实眼镜、手机、个人电脑和电子游戏机进入人造的虚拟世界。
以上维基百科对于元宇宙的解释。

相信大家和我一样依然看得一头雾水。或许我们此时还是不明白何为元宇宙，但是由此引出了一个重要的概念—— 3D 虚拟世界。

3D 虚拟世界 这个词，可以拆分成 3 个单词来理解：3D、虚拟、世界。3D 即三维，是指在平面二维系中又加入了一个方向向量构成的空间系；虚拟即使用模型等技术构建的仿实物或伪实物；世界则是由很多虚拟物质构成的事物的总和，即一个个或大或小的虚拟场景。

在元宇宙发展的过程中，涉及到的模型设计制作、场景搭建，都离不开 3D 技术，可以说 3D 技术是元宇宙发展的基石。因此在元宇宙的探索之路上，迈出去的第一步也必然是 3D 技术研究。

3D 技术选型

未入门即劝退的 WebGL

WebGL 是一种 3D 绘图协议，也是一个 JavaScript API，可在任何兼容的 Web 浏览器中渲染高性能的交互式 3D 和 2D 图形，而无需使用插件。换句话说，WebGL 是在浏览器上运行 3D 效果的基础。

但是 WebGL 的入门门槛足够劝退大部分开发者。从最基本的着色器开始，还需要我们去学习图像处理、空间处理、矩阵运算、甚至是几何逻辑等。

我们团队的小伙伴做过一个 WebGL 分享，其中光是实现一个 WebGL 版本的 Hello World，就超过了四十余行代码，更别说代码里需要涉及的概念：

const canvas = document.querySelector('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');
const vertex = `
  attribute vec2 position;
  void main() {
    gl_Position = vec4(position, 1.0, 1.0);
  }
`;
const fragment = `
  precision mediump float;
  void main()
  {
    gl_FragColor = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  }    
`;
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertex);
gl.compileShader(vertexShader);
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragment);
gl.compileShader(fragmentShader);
const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
gl.useProgram(program);
const points = new Float32Array([
  -1, -1,
  0, 1,
  1, -1,
]);
const bufferId = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, bufferId);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, points, gl.STATIC_DRAW);
const vPosition = gl.getAttribLocation(program, 'position');
gl.vertexAttribPointer(vPosition, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(vPosition);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, points.length / 2);

所以如果使用 WebGL 从零开始，无疑是非常艰难的挑战。于是我们把目光投向了 3D 引擎。

抱有幻想的 3D 引擎

我们可以把 3D 引擎看成是一个封装了 3D API、图形通用算法、底层算法的工具。通常 3D 引擎都搭配有具备可视化操作界面的编辑器，即便是从零开始，通过创建 3D 类型的节点，甚至只需要拖动编辑器上的 3D 模型，我们就可以快速的搭建一个 3D 场景。相比于晦涩难懂的 WebGL，3D 引擎对于初学者无疑更友好。

Unity 3D

Unity 3D 可以说是市面上使用率最高的 3D 引擎，它具有生态好、功能支持全面、项目优化好等等优点。但是！它可以做到现在的市场规模与地位，隐藏在它背后成功的商业模式功不可没，遗憾的是，它是收费的，而且价格不菲。在没有产生经济效益的预研阶段，我们不希望投入太大的经济成本，因而放弃。

以下是使用 Unity 3D 完成的 Demo 效果：

LayaBox

LayaBox 是一个国产的游戏引擎品牌，旗下的 LayaAir 支持 JS、TS 等语言，且可以兼容使用 Unity 3D 导出的地形、组件、物理引擎、动画、摄影机和粒子等元素，因此一个不成熟的想法油然而生，使用 Unity 3D 编辑然后导出场景，然后使用 LayaAir 绑定交互事件后打包发布，这样就可以完美的避开授权费用了？但是很可惜，我们经过尝试后发现，Layabox 的免费范围也仅针对 IDE 基础功能，对于后边可能用到的 IDE 企业会员专属功能，也是收费的，且官方要求的在首页注明「Powered by LayaAir Engine」，这与我们的商业标准不符，所以也告别了商用的可能性。

Egret

Egret 也是一款国产的游戏引擎，它一开始就专注 h5 开发，在 h5 方面支持较好，但是它原本是专注于 2D 领域的，在 3D 方向起步较晚，很多官方的文档都还不健全，因此上手难度较大，遇到问题只能摸着石头过河，遂 pass。

Godot

Godot 是一款完全免费的游戏引擎，它支持跨平台编辑与发布，但是在打包发布到 h5 页面后，我们发现它打包出来的模型文件较大，这对于移动端加载体验来说是比较致命的问题；而且渲染效果也较为粗糙，模型渲染出现了比较明显的锯齿现象；H5 导出格式支持 WebAssembly 和 WebGL，但是 WebGL 尚不支持任何 IOS 的浏览器。以上种种都不符合我们对元宇宙的预期，因此也只能无奈放弃。

为方便对比，我们做了以下表格进行总结：

引擎名称	使用价格	脚本语言	支持模型格式
Unity 3d	每年1800$（个人）	C#	.fbx、.dae、.3ds、.dxf、.obj
Egret	免费	TypeScript	.obj、.gltf
Godot	免费	GDScript	.obj、.dae、.gltf、.escn、.fbx
Layabox	免费	TS\JS\AS3	.fbx、.dae、.3ds、.dxf、.obj

至此，3D 引擎幻想泡灭。

回首拥抱的 BabylonJS

其实除了上述 3D 引擎，我们一开始就想到的还包括 BabylonJs 和 ThreeJs 这两个主流的 3D 框架。作为市面上比较流行的 3D 框架，它们的文档完善度和学习资源丰富度都没有问题。而在这两者的对比上，我们觉得 ThreeJS 与其说是框架，不如说是一个库，它对 WebGL 进行了封装，将复杂的接口简单化，将对象结构数据化，的确是个不错的选择；而相较而言，BabylonJS 在模块化层面则更清晰，也更像是一个框架，并且它拥有不亚于 ThreeJS 丰富度的学习资源，最终成为了我们团队敲定的技术选型。

开展工作

头脑风暴

作为大促开发团队，我们希望 3D 预研成果能够最终落地到我们的活动。因此在作品定向的讨论上，我们最终敲定了要实现一个虚拟商场。3D 人物模型可以在一个布满各种商品的 3D 商场中行走，它可以运动到心仪的商品前进行预览，甚至可是实现不同 3D 场馆的切换。

素材格式

在明确了作品方向后，我们需要视觉同学提供相关的模型素材。

在众多的 3D 模型格式中，我们最后选择了 .gltf 格式。相对于其他模型格式，.gltf 可以减少 3D 格式中与渲染无关的的冗余数据，从而确保文件体积更小。目前 3D 素材相对来说都比较大，这对于移动端加载体验来说，无疑是致命的。因此拥有更小体积的格式，也拥有了更高的优先选择权。

除此之外，.gltf 是对近二十年来各种 3D 格式的总结，使用最优的数据结构，从而保证最大的兼容性以及可伸缩性，在拥有大容量的同时，支持更多的拓展，比如支持多贴图、多动画等。

所以 .gltf 成为了我们与视觉约定好的唯一素材格式。

开发痛点

1. 模型边界

   • 问题描述：没有判断模型边界，导致模型可以超过合理范围去放大与缩小。
   • 解决方式：从设计规范出发，开发与设计对齐规范，严格按照统一尺度输出模型。

2. 碰撞检测

   • 问题描述：没有做好碰撞检测，导致人物模型可以穿透场景模型。
   • 解决方式：除了输出常规显示的模型，还需要输出不用于显示的低模，利用低模来实现碰撞检测，降低碰撞的计算量；添加寻路系统，当运动模型自动行走时，可以自动绕开障碍物模型。
   • 优化前：
     
   • 优化后：
     

3. 场景切换

   • 问题描述：场景切换时，镜头会旋转。
   • 解决方式：切换场景时，需要对不展示的场景关闭控制。需要注意的是，在初始化场景时，通常会伴随着初始化控制，最好在构建函数的最后关闭控制，在当前场景下再开启控制，保证场景控制的唯一性。

4. 内存开支严重

   • 问题描述：内存占用率大，游戏运行一段时间后，手机会有发热和卡顿等现象。
   • 解决方式：控制内存开销，切换场景时，清空其他场景，避免无效的内存占用。
   • 优化前：
     
   • 优化后：
     

作品展示

场景切换：

商品材质切换：

欢迎大家查看链接 预览链接

小结

元宇宙是一个很庞大的概念，此时只是萌芽阶段，正如我们的探索，必然也存在许多不成熟的地方。但我们相信这是未来的一个方向，也相信我们的产品形态会日益丰富与成熟。

让我们共同期待！

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