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。
VR平台 | 浏览器支持 |
---|---|
Cardboard | chrome、百度VR浏览器 |
Daydream | chrome |
Gear VR | Oculus Browser 或 Samsung Internet |
Oculus Rift | Firefox 或 Chromium experimental分支 |
HTC Vive | Firefox 或 Chromium experimental分支 或 Servo |
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。
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。
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。
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。
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。
1 | let vrDisplay; |
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
1 | function drawVRScene() { |
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。
1 | const VSHADER_SOURCE = ` |
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。
1 | const FSHADER_SOURCE = ` |
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。
1 | function render(gl,vrDisplay) { |
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。
1 | function draw(frameData,u_MvpMatrix) { |
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
1 | function draw(gl,frameData,u_MvpMatrix) { |
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:
VRFrameData实例属性 | |
---|---|
leftProjectionMatrix | 左视口投影矩阵 |
leftViewMatrix | 左视口视图矩阵 |
rightProjectionMatrix | 右视口投影矩阵 |
rightViewMatrix | 右视口视图矩阵 |
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a-frame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,其中最核心的是使用WebVR的VRFrame
生成渲染矩阵,以及使用WebGL的viewport
进行分屏。
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