多屏互动——H5中级进阶
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作者：王诗诗，前端新人，专职前端工作两年。曾供职于AMI做底层软件开发。喜欢分析H5代码，追崇用简单的CSS，构建精美动效，做前端之前，这些是业余爱好。现任职于MaxLeap UX 组，负责MaxWon 的开发和维护。现热衷于Real-time WebApp。
责编：钱曙光，关注架构和算法领域，寻求报道或者投稿请发邮件[email protected]，另有「CSDN 高级架构师群」，内有诸多知名互联网公司的大牛架构师，欢迎架构师加微信qshuguang2008申请入群，备注姓名+公司+职位。
前言
随着智能硬件的普及，手机，平板，PC甚至路边的电子广告牌，现代浏览器已经无处不在。在浏览器里编织出我们自己的一片天地已经轻车熟路，但是这还不够，H5赋予了浏览器太多的新特性，等待我们去使用。这篇文章介绍利用手机浏览器的罗盘API，在PC的浏览器实时地绘制一个3D盒模型。
这种炫酷的玩法叫做“多屏互动”，就像是把手机当做游戏手柄，PC显示器当做电视机，不过这些都是在浏览器里实现的。
先上效果图
(测试机是刷了小米系统的裂了屏幕的HTC霹雳2+Chrome浏览器)
源码请戳这里：https://coding.net/u/OverTree/p/webSocketDemo/git
本地测试过程：
- 在PC上，使用命令 node index.js，自动打开项目主页。（请关闭ADsafe，如有虚拟机，请停用虚拟网卡）
- 创建一个“房间”并自动进入“房间”。
- 用手机扫描“房间”内任意位置的二维码。
- 确保手机和PC可以相互PING通
ADsafe是个很好用的去广告软件，但是会阻止本机IP访问，可能造成项目首页打不开，所以请先暂时关闭
本程序会自动获取本机IP，如果有虚拟网卡，IP地址可能获取不正确
客户端（浏览器）
1. 手机浏览器端
一个物体在空间内的旋转体位，都可以用一个方向向量（x,y,z）和旋转角度（angle）来表示。也就是CSS3transform的rotate3d(x,y,z,angle)这个函数的4个参数。
想要在浏览器里方便的绘制一个立体模型的的旋转，重点就是利用手机浏览器的H5新特性去获取手机旋转状态的数据，然后转化成这4个参数。
1.1 重力感应API
devicemotion 顾名思义设备运动
其实不仅仅有重力感应的数据，还有移动加速度，摆动角度。
不过这个接口倾向于运动时瞬间的数据展示，静止时，除了重力加速度，其他数据（移动加速度，摆动角度）基本为0。
window.addEventListener('devicemotion', deviceMotionHandler, true);
function deviceMotionHandler(evt){
if(evt.accelerationIncludingGravity){
document.body.innerHTML =
"x轴加速度: " + evt.accelerationIncludingGravity.x + "
"
+ "y轴加速度: " + evt.accelerationIncludingGravity.y + "
"
+ "z轴加速度: " + evt.accelerationIncludingGravity.z + "
"
}
if(evt.rotationRate ){
document.body.innerHTML +=
"x轴扭转: " + evt.rotationRate.beta + "
"
+ "y轴扭转: " + evt.rotationRate.gamma + "
"
+ "z轴扭转: " + evt.rotationRate.alpha + "
"
}
}（魅族老机型，安卓4.4.4的自带浏览器对此API支持不完全，请另外安装QQ浏览器）
在手机浏览器里运行以上代码，并稍微晃动，会看到打印数据狂跳。
拿到了数据，接下来开始观察规律。
手机屏幕朝上，水平静止放置，Z轴重力加速度为9.8，Y,X为0。
手机屏幕朝下，水平静止放置，Z轴重力加速度为-9.8，Y,X为0。
手机话筒朝下，竖直静止放置，Y重力加速度为9.8, X,Z为0。
手机话筒朝上，竖直静止放置，Y重力加速度为-9.8, X,Z为0。
手机右侧朝上，竖直静止放置，X重力加速度为9.8, Y,Z为0。
手机左侧朝下，竖直静止放置，X重力加速度为-9.8, Y,Z为0。
那么手机的空间坐标如下图：
箭头指向都是坐标正方向。
当手机开始倾斜，X,Y,Z轴的加速度分量都有值，且绝对值都小于9.8。根据分量的数值，是可以算出手机在三维空间的倾斜状态，只不过这个计算过程复杂，而且在手机运动时，重力加速度的值并不准确表达当前倾斜。一般不用这个数据去计算手机在三维空间的倾斜。
当手机水平放置，拨动手机，使其慢慢旋转，重力加速度的数据并没有变化。
所以，重力感应的这个API，只能获取设备当前的倾斜状态，而无法获取设备的旋转方向。而一些简单的功能，比如摇一摇，晃一晃，就可以用这个接口去实现。
利用重力感应的API，可以轻松利用高中数学的反三角函数，实现XY二维平面的旋转，效果如下：
代码如下：
function deviceMotionHandler(evt){
var angle =
Math.atan2(
0 - evt.accelerationIncludingGravity.x ,
evt.accelerationIncludingGravity.y
).toFixed(2) / Math.PI * 180 ;
}这个 angle 就可以直接应用在DOM的CSS属性transform:rotate(angle deg)上。
1.2 罗盘API
window.addEventListener('deviceorientation', deviceOrientationHandler, true);
function deviceMotionHandler(evt){
document.body.innerHTML =
"z轴旋转(罗盘方向) alpha: " + event.alpha + "
"
+ "y轴旋转 gamma: " + event.gamma + "
"
+ "x轴旋转 beta: " + event.beta
}重点来了，deviceorientation能够很好的表现物体在空间中的状态，旋转方向，倾斜角度，无论是静止还是运动或者加速运动。
这里要和devicemotion 的 evt.rotationRate区分一下，虽然都有alpha，gamma，beta 但是 devicemotion 描述的是旋转变化了的角度值，物体角度变化才会有数据，静止了之后就变为0，而 deviceorientation 的是描述是静止时的角度值。
这三个数值的单位都是deg，如何转化为CSS3 transform:rotate3d(x,y,z,angle) 的4个参数，对于没有任何3D知识的前端狗来说是个挺麻烦的问题。
现在要引入一个概念：四元数
四元数是个高阶复数 q = [w,x,y,z]。
四元数的基本数学方程为 :
q = cos (a/2) + i(x * sin(a/2)) + j(y * sin(a/2)) + k(z * sin(a/2)) 其中a表示旋转角度，(x,y,z)表示旋转轴。四元数表示一个完整的旋转。
四元数可以由各轴旋转角(alpha,beta,gamma)求得。
四元数可以转换旋转轴(x,y,z)和旋转角度(angle)。
作为初试，本篇并不深入讨论四元数的具体定义，难点是获取四元数[w,x,y,z]。
好在官方提供了旋转角(alpha,beta,gamma)转换成四元数的方法
https://w3c.github.io/deviceorientation/spec-source-orientation.html
在这个页面内搜索 getQuaternion
另外我根据数学公式反求，写了一个四元数转(x,y,z,angle) 的函数 getAcQuaternion
代码如下：
var degtorad = Math.PI / 180;
function getQuaternion( alpha, beta, gamma ) { //官方求四元数方法
var _x = beta ? beta * degtorad : 0; // beta value
var _y = gamma ? gamma * degtorad : 0; // gamma value
var _z = alpha ? alpha * degtorad : 0; // alpha value
var cX = Math.cos( _x/2 );
var cY = Math.cos( _y/2 );
var cZ = Math.cos( _z/2 );
var sX = Math.sin( _x/2 );
var sY = Math.sin( _y/2 );
var sZ = Math.sin( _z/2 );
var w = cX * cY * cZ - sX * sY * sZ;
var x = sX * cY * cZ - cX * sY * sZ;
var y = cX * sY * cZ + sX * cY * sZ;
var z = cX * cY * sZ + sX * sY * cZ;
return [ w, x, y, z ];
}
function getAcQuaternion( _w, _x, _y, _z ) { //我的四元数转旋转轴和旋转角度方法
var rotate = 2 * Math.acos(_w)/degtorad ;
var x = _x / Math.sin(degtorad * rotate/2) || 0;
var y = _y / Math.sin(degtorad * rotate/2) || 0;
var z = _z / Math.sin(degtorad * rotate/2) || 0;
return {x:x,y:y,z:z,rotate:rotate};
}
function deviceMotionHandler(evt){ // deviceorientation 事件处理函数
var qu = getQuaternion(evt.alpha,evt.beta,evt.gamma);
var rotate3d = getAcQuaternion(qu[0],qu[1],qu[2],qu[3]);
// rotate3d的参数已经有了，随你处理咯。我是把他送给服务器，交给PC，在PC上显示旋转
}
1.3 校准
这里有个3D里的概念，摄像机位置。我们的PC显示器就是一个摄像机。只能被动的从某一个角度展示拍摄的景象。正常情况下，手机所在平面应该和显示器所在平面平行，且垂直于地平面的角度。就好比是，摄像机正对着手机正面拍摄。
如果校准的时候手机并没有垂直于地平面，摄像机的位置就不一定是正前方了。这时候展示的画面并不是水平同步的了。
如下图所示，校准时，手机屏幕朝上。这时候摄像机位置就在天花板上了，你看到的成像就是俯视图。
同理，校准时，手机屏幕朝下，这时候摄像机的位置就是在地上，往上拍摄，你看到的成像就是仰视图。
总结起来就是：校准时，手机屏幕朝着哪里，摄像机就在那里拍摄着屏幕，一动不动。
1.4 兼容性
demo的兼容性测试并不理想
在iOS平台上测试良好，且流畅。
在安卓平台上，除了chrome浏览器之外的浏览器，会出现各种问题，主要表现在罗盘数据不准确。
而chrome浏览器并没有扫一扫功能，因为在国外并不流行这个玩意。所以在安卓平台上就很蛋疼，还要多装一个我查查，才能完整体验。
（如果出现旋转不准确的问题，可以尝试校准罗盘，大概就是拿着手机画8。百度一下方法有很多）
代码如果有兼容写法，或者有其他兼容问题请赐教，可以在coding上私信我(OverTree )，不胜感激。
2. PC浏览器端
PC浏览器的作用就是能够显示房间信息，创建房间。
显示房间，创建时间，参与人数，点击进入。
创建一个房间，成功后自动进入房间。
在房间内，接受服务器转发的手机端的消息，并作出相应动作，包括上线，校准，旋转，下线。
上线时，安排就坐（隐藏二维码，显示模型）
校准时，重新设置模型的显示角度。
旋转时，就旋转咯。
下线时，重新显示二维码（显示二维码，隐藏模型）
2.1 初始化，建立ws连接
重点是房间里的事情。所以这里就只介绍进入房间发生的事吧。
首先房间参数要正确，至少有房间编号。
房间路由:
/room/[roomNumber]
roomNumber是一串16位随机字符串。
座位路由:
/room/[roomNumber]/[seatNumber]
var uri = win.location.pathname.split('/'),roomNumber;
function initUrlData(){
if(uri.length>=3 && uri[1] == "room"){
roomNumber = uri[2];
document.title = "虚拟房间 "+ roomNumber + "号"
return 1;
}else{
window.location.href = "/index";
return 0;
}
}
function initWebSocket(){
var wsUri = "ws://"+ window.location.hostname +":<%= config.wsport %>"+"/ws/room"; //这里用了一个ejs的占位符，已便在服务器更改websocket端口时可以及时使用正确端口。
var websocket = new WebSocket(wsUri);
websocket.onopen = function(evt) {
websocket.send(JSON.stringify({room:roomNumber}));
}; //链接建立后，发送一个消息，表明在哪个房间
websocket.onclose = function(evt) {
};
websocket.onmessage = function(evt) {
parseMessage(evt.data) //解析数据
};
websocket.onerror = function(evt) {
};
//绑定了这些处理函数之后，websocket开始建立链接，而不是 New 的时候开始建立
}
$(".room-place .qrcode").each(function(index,item){
$(item).qrcode({
"size": 200,
"color": "#3a3",
"text": window.location.origin + "/room/" + roomNumber + "/" + (index+1)
});
//这里用jQuery的插件，jquery-qrcode 按照座位路由初始化二维码
})
2.2 纯CSS3立体模型
做为一名普通的前端人员，想要画一个3D的模型，按照最熟悉的方法就是用CSS3了。
（如果是用Three.js的大神请跳过本节）
不过要很快画出一个六面体出来，还是需要想一想的，毕竟这个技能很少用。
画一个长方体
<section class="container">
<div id="box" >
<figure class="front"><span>前span>figure>
<figure class="back"><span>后span>figure>
<figure class="right"><span>右span>figure>
<figure class="left"><span>左span>figure>
<figure class="top"><span>顶span>figure>
<figure class="bottom"><span>底span>figure>
div>
section>
<style>
*{
margin: 0; /*不加会歪*/
}
.container {
width: 300px;
height: 200px;
position: relative;
perspective: 1200px; /*摄像机距离，设置小的的话，立方体显示会变形*/
}
#box figure {
display: block;
position: absolute;
border: 2px solid black;
line-height: 200px;
font-size: 40px;
text-align: center;
font-weight: bold;
color: white;
box-sizing: border-box; /*因为有2px宽的border，如果不设置为此值，那么每个面的宽高都要少设置4个像素，才能对齐*/
}
#box {
width: 100%;
height: 100%;
position: absolute;
transform-style: preserve-3d;/*这个很重要，默认是平面变形flat*/
}
#box .front,
#box .back {
width: 300px;
height: 200px;
}
#box .right,
#box .left {
width: 100px;
height: 200px;
left:100px; /*调整*/
}
#box .top,
#box .bottom {
width: 300px;
height: 100px;
top:50px; /*调整*/
line-height:100px;
}
/*给每个面上半透明的颜色*/
#box .front { background: hsla( 000, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .back { background: hsla( 160, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .right { background: hsla( 120, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .left { background: hsla( 180, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .top { background: hsla( 240, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .bottom { background: hsla( 300, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .front { /*这个距离乘以2为前后面的距离*/
transform: translateZ( 50px );
}
#box .back { /*front面沿着x轴旋转180度，做后面*/
transform: rotateX( -180deg ) translateZ( 50px );
}
#box .right { /*这个距离乘以2为左右面的距离*/
transform: rotateY( 90deg ) translateZ( 150px );
}
#box .left { /*front面沿着y轴旋转90度，做侧面*/
transform: rotateY( -90deg ) translateZ( 150px );
}
#box .top { /*这个距离乘以2为长方体高*/
transform: rotateX( 90deg ) translateZ( 100px );
}
#box .bottom { /*front面沿着x轴旋转90度，做底面*/
transform: rotateX( -90deg ) translateZ( 100px );
}
style>
对这样的css有什么要吐槽的么？
这样的stylesheet简直是刀耕火种时期的
如果用sass写法，那么只需要写一次#box和多层嵌套就可以了。
效果如下：
如果我们使用webGL去绘制的话，导入一些现成的3D模型，无论物体还是人物，都可以360度无死角的玩弄于手掌了。
（如果有苍老师的模型，想想还有点小激动呢，VR的感觉说来就来啊 - -）
接下来就是等待来自手机端的旋转信息，x,y,z,angle，使#box进行transform旋转就是了。
$seat.find("#box").
css("transform","rotate3d("
+ (-parseFloat(content.x))+"," //取反
+ (+parseFloat(content.y))+","
+ (-parseFloat(content.z))+"," //取反
+ content.rotate +"deg)");
不取反的话，旋转是错误的。我曾多次尝试给不同的坐标取反，最终得出这个取反方法，是唯一显示正常的组合。
无法理解这两个取反，猜测是因为css的x,y,z的坐标和物理设备x,y,z的坐标方向有差异吧。毕竟显示器是平面的，他的x,y,z的定义不能和手机传感器一致。
2.3 校准
PC端的校准就简单多了，在#box外套一层div.adjust。
当接受来自手机端的校准信息 x,y,z,angle，设置外套的 div.adjust 的旋转为 x,y,z,-angle 就好了。
$seat.find(".adjust").
css("transform","rotate3d("
+ (-parseFloat(content.x))+","
+ (+parseFloat(content.y))+","
+ (-parseFloat(content.z))+","
+ (-parseFloat(content.rotate)) +"deg)"); //取反
当然，这个adjust的样式至少包含以下样式
.adjust{
position: absolute;
transform-style:preserve-3d;
}2.4 兼容性
PC端的兼容性就好多了，只要是现代H5浏览器基本上没有兼容性问题。
服务端
1 数据结构
这个服务只做临时数据的保存和消息转发。
临时数据：比如，各端的webSocket连接句柄，房间信息等，我把它们放在global全局对象下，就好比是共享内存，访问方便，速度快。
global.ShareMem = {
rooms:{
"12345678":{ //房间号做为key，方便查找
player:[{socket:connection,place:place}], //手机端数组：连接句柄，座位号
projector:[], //PC端数组
id:"12345678",
startTime:Date.now(),
maxplayer:2, //最多座位数
type:"ddd" //房间类型
}
}
};2 webServer
如果您是nodejs的大神，或者在用koajs、express等nodejs框架，请跳过本大节。因为我用原生的nodejs写了一遍webServer，虽然重复造轮子不好，但是复习复习webServer的基本知识，还是不错的，本节适合新手入门。
包含知识点：header解析，静态文件查找，gzip，文件hash计算，状态码。
2.1 目录结构
/API
/funMap.js /*http功能函数集合*/
/xxx.js
/socketAPI
/funMap.js /*webSocket功能函数集合*/
/xxx.js
/Util /*工具目录，获取本地IP，打开默认浏览器*/
/webRoot
/common /*公共资源目录*/
/js
/lib
/css
/m /*移动端html,js,css等*/
/p /*PC端html,js,css等*/
/index.js /*入口文件*/
/config.js /*配置文件，端口号，ws最大数据包大小等*/
/socketServer.js /*webSocket处理函数*/
/webServer.js
2.2 webServer
基本规则是这样的，搭建静态服务器，静态资源正常读取返回，html文件用ejs渲染后返回。
由于ejs的原因，html文件并没有被修改，但是渲染后的内容被修改，比如，更改了ws的端口，但是html文件没有修改。所以不能使用Last-Modified来判断是文件是否最新，而是要根据返回内容有没有被改变来判断，所以要用Etag。
Etag需要根据内容算出hash值，一般用md5计算。
返回内容之前，需要进行gzip压缩，用来节省带宽。90KB的jquery.min.js可以被gzip到30KB，压缩才是王道。
因为手机端和PC端执行的是完全不同的代码，所以要判断从客户端传过来的user-agent是否包含Mobile字符串，以来区分客户端是PC还是手机，以便返回正确的资源。
通过简单的约定，来区分静态文件和REST请求
if (libPath.extname(pathName) == "") {
//如果路径没有扩展名
if(params.length<=2){
pathName += "/"; //访问根目录
}else if(params[1]=="api"){ //访问以api开头
parseAPI(params,req,res); //功能函数
return ;
}else{
pathName = params[1]+".html";
}
}我在这里做了一个简单的框架，在API目录或者socketAPI目录下新增js文件，一个js文件对应一个处理函数，然后在funMap.js中聚合为一个Map，方便查找函数，也容易隔离和修改函数名。
var funMap = {
"room":require("./room"),
"changeName":require("./xxx"),
"changeName2":require("./xxxyyy")
};
module.exports = funMap;客户端访问时就可以通过 /api/[functionName] 来访问想要的服务了。
3 webSocketServer
nodejs本身并没有提供webSockerServer的模块，所以需要另外安装一个。
在npm install的时候会安装一个ws模块，require(“ws”) 就可以用了。用法与http模块相似，都用 createServer({options},MainHandlerFunction) 创建服务，只是ws多了几个参数。
主要是port，注意不要和webserver端口重复。
还有一个 maxPayload 就是单个ws数据包最大大小，单位是bytes，自己估计项目传输数据时候数据包大小。默认值是65535 即 64KB。一般webSocket用于小包传输，不用太大，我设置了1024 , 1KB。
主处理函数MainHandlerFunction，在有客户端连接进来时会传入一个参数connection,这个对象内容非常丰富，不看手册，可以打印出来也慢慢研究。
成功建立连接的方法就是要connection绑定message方法。
由于webSocket访问是可以带着url的，所以我们可以用url隔离不同的功能函数，而不是去解析message主体。
var connectHandler = function(connection){
// :4002/api/Function1
var URIarray = connection.upgradeReq.url.split("/")
if(funMap[URIarray[2]]){
funMap[URIarray[2]](connection);
}else{
connection.send("{err:Function Not Found!!}");
}
}3.1 消息，广播，保活
每当有ws连接进来，都有类似文件描述符的id来区分每个不同的连接。 connection._ultron.id 用它可以区分自己与别人的连接，很有用。
//消息格式
function msgPack(){
return JSON.stringify({
"who":arguments[0], // Mobile , PC
"place":arguments[1], // 座位
"dowhat":arguments[2], // "connect","ready","message","lost"
"content":arguments[3]||"" // 内容
})
}
//以room为单位广播，广播房间内所有角色
function boradCast(room,msg,ignore){
room.projector.forEach(function(item,index){
if(ignore&&ignore._ultron.id===item.socket._ultron.id){
// console.log("ignore!!!")
// 忽略自己不发送给自己
}
else{
try{
item.socket.send(msg);
}catch(e){
console.log(e);
}
}
});
room.player.forEach(function(item,index){
if(ignore&&ignore._ultron.id===item.socket._ultron.id){
// console.log("ignore!!!")
// 忽略自己不发送给自己
}
else{
try{
item.socket.send(msg);
}catch(e){
console.log(e);
}
}
});
}为了检查客户端是否掉线，在建立连接时手动加入保活机制，方法很简单：
给客户端发送空消息时lastkeeplife为1，只要客户端返回任意消息，那么更新lastkeeplife为0，如果5秒之内，没有任何回复判定为掉线。
如果客户端掉线，那么关闭连接，从连接池中移除。并广播掉线消息给房间内其他角色。
var keeplifeHandler = setInterval(function(){
if(lastkeeplife == 0){
connection.close();
connection.emit("close");
clearInterval(keeplifeHandler);
}
try{
lastkeeplife = 0;
connection.send("{}");
}catch(e){
console.log("keep live error! "+ e +"\n\n");
connection.close();
connection.emit("close");
clearInterval(keeplifeHandler);
}
},5000)
connection.on('close',function(msg){
if(keeplifeHandler){ //关闭保活循环
clearInterval(keeplifeHandler);
}
console.log("close!",roomid,place);
var room = global.ShareMem.rooms[roomid];
if(!room)
return;
//从连接池移除连接句柄
if(platform === PC){
room.projector.forEach(function(item,index){
if(item.socket === connection){
room.projector.splice(index,1);
return false;
}
})
}else{
room.player.forEach(function(item,index){
if(item.socket === connection){
room.player.splice(index,1);
return false;
}
})
}
//发送掉线消息
boradCast( room, msgPack(platform,place,"lost") , connection );
});iOS设备如果锁屏，会发送断开信息给服务器，而安卓不会。想要断开链接，必须等到默认120秒超时后关闭。
ws初始化时并没有提供初始化timeout的配置。通过修改
ws._server.timeout = 1000;//1秒超时
并不会生效。问题来了，怎么修改才能设置超时时间呢？
目前只能用上述比较捉急的方法来及时断开掉线设备。
最后
多屏互动已经不是新鲜的东西了，我做这个Demo还是受chrome实验室一个叫做【光剑出鞘】的项目的启发。因为体验时需要手机端和PC同时翻-墙，导致体验差，然后自己才想做一个。做出来的时候感觉好酷炫，好神奇，好兴奋。
后续还是有很多可以拓展和改进的，希望最终可以变为一个成熟的产品，而不是仅仅止步于Demo。
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