Three.js WebXR沉浸式渲染简明教程

在前面文章中，我们了解了 VR 概念以及它们如何在 WebXR 中映射。 这使你可以考虑想要为用户提供的体验。 在本文中，我们将介绍如何将 WebXR 与 Three.JS 结合使用来创建针对大型异构用户群的沉浸式体验。

警告：WebXR API 仍在完善中（第一个公共工作草案刚刚发布），因此我将尽力更新本系列以反映更改并保持这些文章常青。 WebXR 设备 API 规范将出现新功能，如果它简化了代码，我将相应地更新本文。

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1、Three.js 渲染管线快速概览

我不会花太多时间讨论 Three.JS 渲染管道的工作原理，因为它在互联网上有详细记录（例如此处）。 我将在下图中列出基础知识，以便更容易理解各个部分的去向。

2、WEBXR 设备 API 入门

在我们深入了解 WebXR API 本身之前，您应该知道 WebXR 设备 API Polyfill 可通过两种主要方式帮助开发人员：

如果设备/浏览器不支持 WebXR 设备 API，它将尝试使用陀螺仪和加速计等可用传感器对其进行填充，从而允许开发人员提供基本的纸板式体验或内联渲染。

如果浏览器支持旧版 WebVR API，它将在 WebVR 之上填充 WebXR 设备 API，从而允许开发人员首先利用为支持 WebVR 所做的所有工作（从而允许其利用其下方的 VR 运行时）。

用户可以进入的主要 3D 体验类型包括：

• 基于台式计算机的键盘/鼠标，没有任何沉浸式支持。
• 利用手机传感器的内联渲染或魔术窗口。 内联渲染是一种很好的方式来“逗弄”用户你的内容，向他们展示你的体验，希望这能让他们单击按钮并在 HMD 内进入更身临其境的体验。 这是一个例子：

• 具有专用 VR 系统的沉浸式 VR、基于移动设备的 VR 或类似纸板的体验。

WebXR 设备 API 基于会话的概念。 例如，你请求会话，浏览器负责在 HMD 中启动渲染。 当你结束会话时，渲染会在 HMD 内停止，你可以像往常一样在页面上再次开始渲染。 会话有 3 种类型：沉浸式 VR、沉浸式 AR（本文未介绍）和内联。

这是一个非常简单的流程图，可以帮助你根据设备功能或 WebXR 设备 API 支持等因素决定提供哪种体验。

3、请求WebXR会话并呈现内容

本节介绍使用 WebXR 设备 API 请求会话和呈现内容所需步骤的高级流程。 我们将在某些步骤中详细介绍，主要关注渐进方面而不是渲染本身。

在本文中，我们将参考此处的一个简单演示。 它使用 WebXR 和 Three.JS，是本文中代码片段的基础。 完整来源位于此处。

4、检查 WEBXR 支持

你会发现不支持 WebXR 设备 API（即使使用 WebXR polyfill）的浏览器或设备并不罕见。 在这种情况下，你可以考虑基于键盘和鼠标的回退，而不是提供空页面，以便用户可以在体验中导航（类似于 3D 游戏）。

在 Three.JS 中，支持这一点相对简单。 你可以使用 PointerLockControls 类自动映射鼠标来移动相机（与 FPS 射击游戏的方式相同）。 使用指针锁定的好处是，当获取锁定时，它将发送鼠标移动的增量而不是它们在视口中的绝对位置。 另一个好处是，除非用户解锁指针（通常使用转义键，为您提供暂停体验的方法），否则光标无法离开浏览器窗口，并且光标将被隐藏。 这非常适合我们的需要。

this._controls = new THREE.PointerLockControls(this._camera);
this._scene.add(this._controls.getObject());

请注意，THREE.PointerLockControls 不会为你锁定指针。 通常，你希望与一个按钮进行交互来开始，该按钮会提醒用户将要发生某些事情。 这是执行此操作的一段简化代码：

document.body.addEventListener( 'click', _ => {
  // Ask the browser to lock the pointer
  document.body.requestPointerLock = document.body.requestPointerLock ||
    document.body.mozRequestPointerLock ||
    document.body.webkitRequestPointerLock;
    document.body.requestPointerLock();
}, false);
THREE.PointerLockControls 将在鼠标移动时负责更新相机。

最后要处理的部分是键盘移动，这非常简单：

document.addEventListener('keydown', event => {this._onKeyDown(event)}, false);
document.addEventListener('keyup', event => {this._onKeyUp(event)}, false);

在你的处理程序中，只需更新存储在某个变量中的相机的位置即可。 在演示中，我存储了预期的运动方向，因为我通过速度来平滑运动，这样用户看起来就不会跳跃位置。

完成更新渲染函数内的位置后，请更新 THREE.PointerLockControls：

let controls_yaw = this._controls.getObject();
controls_yaw.translateX(new_position.x);
controls_yaw.translateZ(new_position.z);

然后照常渲染场景并使用 requestAnimationFrame 再次循环：

this._renderer.render(this._scene, this._camera);
return requestAnimationFrame(this._update);

5、检查支持的WebXR会话模式

如果你的浏览器支持 WebXR（无论是本机还是通过 polyfill），需要查询 XR 会话支持的模式来决定后续步骤，例如，添加一个按钮以进入沉浸式模式。 下面是一个尝试确定是否支持沉浸式 VR 模式的示例：

navigator.xr.supportsSession('immersive-vr').then(() => {
    this._createPresentationButton();
}).catch((err) => {
    console.log("Immersive VR is not supported: " + err);
});

如果Promise得到解析，那么你可以在页面中添加一个按钮，通知用户他们可以使用他们拥有的 HMD 进入 VR 模式。 你还可以使用内联会话进行查询，看看是否可以在页面内渲染某些内联内容（也称为魔术窗口）。

6、调整以添加对 WEBXR 设备 API 的支持

如果将 Three.JS 渲染循环设置为在 2D 屏幕上进行常规渲染，则需要对其进行调整以支持使用 WebXR 进行渲染。 首先，以下是渲染如何与 WebXR 设备 API 一起工作的基本流程，无论是沉浸式会话还是内联会话。

让我扩展一下该图中的一些方框：

请求会话

navigator.xr.requestSession({mode: 'request-mode'})

mode参数可以是 immersive-vr、 immersive-ar 或 inline。 请记住，如果在你询问支持和请求会话之间 XR 设备不再可用，请妥善处理拒绝。

请求参考空间

当 requestSession Promise成功解决后，可以使用以下方式请求参考空间：

xrSession.requestReferenceSpace({ type:'type' })

本文前面讨论了各种可能的类型和子类型。 如果要指定子类型，请使用以下代码：

xrSession.requestReferenceSpace({ type:'type', subtype:'subtype' })

我建议你请求体验所需的功能最少的参考空间，因为它允许你支持更广泛的现有 XR 设备。

7、设置 XR 层

我不会在这里深入讨论细节，因为这里的 WebXR 设备 API 解释器对此进行了详细介绍。 然而，我将介绍正在进行内联渲染的具体示例，然后用户想要“升级”他们的体验以切换到更沉浸的模式。

现在，如果你想要使用内联模式然后切换到沉浸式模式，则需要两个画布：一个用于渲染沉浸式内容，另一个用于渲染内联内容。 每个画布都有自己的 webgl 上下文。 需要两个上下文的主要原因是，当你要求 GL 上下文与 XR 兼容（使用 makeXRCompatible）时，底层实现确保在连接 HMD 的 GPU 上创建上下文。 这与具有多个 GPU 的计算机非常相关，其中 HMD 可能连接到包含附加 GPU 的外壳。

注意：WebXR 设备 API 社区内部进行了一次讨论，以避免可能需要 2 个会话，从而更轻松地从一种体验切换到另一种体验。 这是正在讨论的问题。 还有一项工作正在进行中，以避免必须请求 2 个会话（一个内联，一个沉浸式），这将简化相当多的代码。

以下是使用 Three.JS 设置 XR 层的代码：

await this._renderer.context.makeXRCompatible();
this._xrSession.baseLayer = new XRWebGLLayer(this._xrSession, this._renderer.context);

8、调整渲染以支持沉浸式 VR 渲染

每当你使用 WebXR 设备 API 进行渲染时，渲染循环都需要更新。 首先也是最重要的，你不会在窗口上请求新的动画帧，而是在会话本身上请求新的动画帧。 原因是 XRSession 将根据 HMD 建议的刷新率以正确的频率调用你的代码。

在VR中，刷新率很可能与主屏幕的刷新率不同。 例如，一些一体式 HMD 的刷新率为 72 Hz，而 Oculus* Rift 或 HTC* Vive 等高端 VR HMD 的刷新率为 90 Hz，我们预计会看到 120 Hz 的 HMD 在不久的将来刷新率。 以更高刷新率渲染 VR 体验的主要原因之一是为用户提供流畅、更舒适的体验（这也有助于对抗晕动病）。

通常你会有这样的东西：

this._xrSession.requestAnimationFrame(this._render);

渲染函数如下所示：

function _render(timestamp, xrFrame);

xrFrame参数是携带当前XR设备渲染当前帧所需信息的对象。 在继续渲染之前，需要对 Three.JS 进行一些记录，以确保渲染可以与 WebXR 配合使用：

// Disable autoupdating because these values will be coming from the
// xrFrame data directly.
this._scene.matrixAutoUpdate = false;

// Make sure not to clear the renderer automatically, because we will need
// to render it ourselves twice, once for each eye.
this._renderer.autoClear = false;

// Clear the canvas manually.
this._renderer.clear();

下一步是最终进入 WebXR 特定的渲染位。 首先，你需要绑定层，这意味着你将告诉 Three.JS 渲染器渲染到 XRSession 层：

let xrLayer = this._xrSession.baseLayer;
this._renderer.setSize(xrLayer.framebufferWidth, xrLayer.framebufferHeight, false);
this._renderer.context.bindFramebuffer(this._renderer.context.FRAMEBUFFER, xrLayer.framebuffer);

然后你需要获取设备的姿态（姿态是旋转和位置，如果有的话）：

let pose = xrFrame.getViewerPose(xrReferenceSpace);
if (!pose)
    return;

该姿态将为你提供渲染 XR 设备场景所需的所有信息。 然后你将需要渲染视图。 WebXR 设备 API 具有视图概念，通常映射到 VR HMD 内的屏幕数量。 通常，你将有 2 个视图（每只眼睛一个）：

从那里你可以迭代视图并渲染每只眼睛：

for (let view of pose.views) {
    let viewport = xrSession.baseLayer.getViewport(view);
    this._renderEye(pose.viewMatrix, view.projectionMatrix, viewport);
}

渲染每只眼睛将如下所示：

_renderEye(viewMatrixArray, projectionMatrix, viewport) {
  // Set the left or right eye half.
  this._renderer.setViewport(viewport.x, viewport.y, viewport.width, viewport.height);

  let viewMatrix = new THREE.Matrix4();
  viewMatrix.fromArray(viewMatrixArray);

  // Update the scene and camera matrices.
  this._camera.projectionMatrix.fromArray(projectionMatrix);
  this._camera.matrixWorldInverse.copy(viewMatrix);
  this._scene.matrix.copy(viewMatrix);

  // Tell the scene to update (otherwise it will ignore the change of matrix).
  this._scene.updateMatrixWorld(true);
  this._renderer.render(this._scene, this._camera);
  // Ensure that left eye calcs aren't going to interfere.
  this._renderer.clearDepth();
}

“视图”方法的最佳部分是，你可以继续为内联会话重用相同的渲染代码，因为唯一的区别（除了矩阵值之外）是你只有一个要渲染的视图。

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原文链接：Three.js WebXR渲染入门 — BimAnt