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:


  1. 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)
  2. 创建一个“房间”并自动进入“房间”。
  3. 用手机扫描“房间”内任意位置的二维码。
  4. 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CSS3transformrotate3d(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:

这里写图片描述

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devicemotionevt.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>span>figure>
      <figure class="back"><span>span>figure>
      <figure class="right"><span>span>figure>
      <figure class="left"><span>span>figure>
      <figure class="top"><span>span>figure>
      <figure class="bottom"><span>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:

这里写图片描述

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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