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CSS `WebXR Device API` 姿态数据与 3D `transform` 矩阵的实时同步

各位观众老爷们，大家好！今天咱们来聊聊一个挺酷炫的话题：CSS transform 矩阵和 WebXR 姿态的实时同步。简单来说，就是让你的网页元素跟着 VR/AR 设备一起“动起来”，听起来是不是有点科幻电影的味道？

咱们的目标是：让虚拟世界里的动作，无缝映射到网页上的元素，实现一种身临其境般的交互体验。

一、WebXR 姿态数据：来自虚拟世界的信号

首先，得搞清楚 WebXR 给了我们什么。 WebXR Device API 提供了访问 VR/AR 设备的能力，其中最重要的就是设备的姿态信息（Pose）。这个姿态信息包含了设备在 3D 空间中的位置 (position) 和旋转 (orientation)。

想象一下，你戴着 VR 头显，头在空间里转来转去， WebXR 就能捕捉到你的头部的位置和方向，这就是姿态数据。

这些姿态数据通常以两种形式呈现：

  • 位置 (position): 一个包含 x, y, z 坐标的向量，代表设备在 3D 空间中的位置。
  • 旋转 (orientation): 一个四元数 (quaternion)，用来描述设备在 3D 空间中的旋转。

四元数可能听起来有点吓人，但你可以把它想象成一种更高效、更稳定的表示旋转的方式，避免了欧拉角（roll, pitch, yaw）可能出现的万向锁问题。

二、CSS transform 矩阵：网页元素的变形金刚

CSS transform 属性是网页元素的“变形金刚”，它可以对元素进行平移、旋转、缩放和倾斜等操作。而 transform 属性最强大的形式就是使用 matrix3d() 函数，它允许你直接指定一个 4×4 的变换矩阵。

这个矩阵决定了元素在 3D 空间中的最终位置和方向。 matrix3d() 接受 16 个值，这些值对应于 4×4 矩阵的元素，按照行优先的顺序排列。

三、桥接虚拟与现实：姿态数据到 transform 矩阵的转换

现在，难题来了：如何将 WebXR 提供的姿态数据（位置和四元数）转换成 CSS transform 矩阵，让网页元素能够精确地反映 VR/AR 设备的运动？

这就是我们今天讲座的核心内容。

主要步骤可以概括为：

  1. 获取 WebXR 姿态数据： 从 WebXR 帧中获取设备的位置和四元数。
  2. 构建变换矩阵： 根据位置和四元数，构建一个 4×4 的变换矩阵。
  3. 应用到 CSS transform： 将变换矩阵转换为 CSS matrix3d() 字符串，并应用到目标元素的 transform 属性。

接下来，我们一步一步地实现这个过程。

1. 获取 WebXR 姿态数据

这段代码展示了如何在 WebXR 渲染循环中获取姿态数据。

let xrSession = null;
let xrReferenceSpace = null;
let targetElement = document.getElementById('myElement'); // 你的目标元素

async function startXR() {
  // 请求 WebXR 会话
  xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-vr', {
    requiredFeatures: ['local-floor']
  });

  xrSession.updateRenderState({ baseLayer: new XRWebGLLayer(xrSession, gl) });

  // 创建参考空间
  xrReferenceSpace = await xrSession.requestReferenceSpace('local-floor');

  // 开始渲染循环
  xrSession.requestAnimationFrame(render);
}

function render(time, frame) {
  xrSession.requestAnimationFrame(render);

  const pose = frame.getViewerPose(xrReferenceSpace);

  if (pose) {
    const position = pose.transform.position;
    const orientation = pose.transform.orientation;

    // 调用函数更新CSS transform
    updateElementTransform(position, orientation, targetElement);
  }

  gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, xrSession.baseLayer.framebuffer);
  // 在这里渲染你的 WebGL 内容
}

2. 构建变换矩阵

这一步是关键。我们需要一个函数，能够将位置和四元数转换为 4×4 的变换矩阵。 这个过程涉及到一些数学知识，不过别担心，我已经帮你封装好了。

function createTransformMatrix(position, orientation) {
  const x = orientation.x;
  const y = orientation.y;
  const z = orientation.z;
  const w = orientation.w;

  const x2 = x + x;
  const y2 = y + y;
  const z2 = z + z;

  const xx = x * x2;
  const xy = x * y2;
  const xz = x * z2;

  const yy = y * y2;
  const yz = y * z2;
  const zz = z * z2;

  const wx = w * x2;
  const wy = w * y2;
  const wz = w * z2;

  let matrix = [
    1 - (yy + zz), xy + wz, xz - wy, 0,
    xy - wz, 1 - (xx + zz), yz + wx, 0,
    xz + wy, yz - wx, 1 - (xx + yy), 0,
    position.x, position.y, position.z, 1
  ];

  return matrix;
}

这个 createTransformMatrix 函数接收位置和四元数作为参数，返回一个包含 16 个元素的数组，代表 4×4 的变换矩阵。

3. 应用到 CSS transform

最后一步，我们将变换矩阵转换为 CSS matrix3d() 字符串，并应用到目标元素的 transform 属性。

function updateElementTransform(position, orientation, element) {
  const matrix = createTransformMatrix(position, orientation);
  const matrixString = `matrix3d(${matrix.join(',')})`;
  element.style.transform = matrixString;
}

updateElementTransform 函数接收位置、四元数和目标元素作为参数，调用 createTransformMatrix 函数生成变换矩阵，然后将矩阵转换为 matrix3d() 字符串，并应用到目标元素的 transform 属性。

四、完整代码示例

下面是一个完整的代码示例，将以上步骤整合在一起：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>WebXR CSS Transform Sync</title>
  <style>
    #myElement {
      width: 100px;
      height: 100px;
      background-color: red;
      position: absolute;
      top: 50%;
      left: 50%;
      transform: translate(-50%, -50%); /* 初始居中 */
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div id="myElement"></div>
  <script>
    let xrSession = null;
    let xrReferenceSpace = null;
    let targetElement = document.getElementById('myElement');
    let gl = null; // WebGL 上下文

    async function startXR() {
      if (!navigator.xr) {
        alert("WebXR not supported");
        return;
      }

      try {
        xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-vr', {
          requiredFeatures: ['local-floor']
        });

        // 创建 WebGL 上下文 (需要一个 canvas 元素)
        const canvas = document.createElement('canvas');
        document.body.appendChild(canvas);
        gl = canvas.getContext('webgl', { xrCompatible: true });
        if (!gl) {
            alert("Unable to initialize WebGL. Your browser or machine may not support it.");
            return;
        }

        xrSession.updateRenderState({ baseLayer: new XRWebGLLayer(xrSession, gl) });

        xrReferenceSpace = await xrSession.requestReferenceSpace('local-floor');

        xrSession.requestAnimationFrame(render);
      } catch (error) {
        console.error("Failed to start XR session:", error);
        alert("Failed to start XR session: " + error.message);
      }
    }

    function render(time, frame) {
      xrSession.requestAnimationFrame(render);

      const pose = frame.getViewerPose(xrReferenceSpace);

      if (pose) {
        const position = pose.transform.position;
        const orientation = pose.transform.orientation;

        updateElementTransform(position, orientation, targetElement);
      }

      if(gl && xrSession.baseLayer && xrSession.baseLayer.framebuffer){
        gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, xrSession.baseLayer.framebuffer);
        gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
        gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

        // 在这里渲染你的 WebGL 内容（这里只是清空颜色，实际需要渲染）
      }
    }

    function createTransformMatrix(position, orientation) {
      const x = orientation.x;
      const y = orientation.y;
      const z = orientation.z;
      const w = orientation.w;

      const x2 = x + x;
      const y2 = y + y;
      const z2 = z + z;

      const xx = x * x2;
      const xy = x * y2;
      const xz = x * z2;

      const yy = y * y2;
      const yz = y * z2;
      const zz = z * z2;

      const wx = w * x2;
      const wy = w * y2;
      const wz = w * z2;

      let matrix = [
        1 - (yy + zz), xy + wz, xz - wy, 0,
        xy - wz, 1 - (xx + zz), yz + wx, 0,
        xz + wy, yz - wx, 1 - (xx + yy), 0,
        position.x, position.y, position.z, 1
      ];

      return matrix;
    }

    function updateElementTransform(position, orientation, element) {
      const matrix = createTransformMatrix(position, orientation);
      const matrixString = `matrix3d(${matrix.join(',')})`;
      element.style.transform = matrixString;
    }

    // 启动 WebXR
    startXR();

  </script>
</body>
</html>

五、代码解释与注意事项

  • startXR() 函数： 负责初始化 WebXR 会话，请求必要的权限，创建参考空间，并启动渲染循环。 需要注意的是，这里创建了一个WebGL上下文。WebXR通常与WebGL结合使用进行渲染。
  • render() 函数： 在每一帧中获取设备姿态，调用 updateElementTransform() 函数更新目标元素的 transform 属性。
  • createTransformMatrix() 函数： 将位置和四元数转换为 4×4 的变换矩阵。
  • updateElementTransform() 函数： 将变换矩阵转换为 CSS matrix3d() 字符串，并应用到目标元素。
  • 需要一个 WebGL 上下文: WebXR 依赖于 WebGL 进行渲染。你需要创建一个 <canvas> 元素并获取 WebGL 上下文，并将其传递给 XRWebGLLayer。
  • 权限： 确保你的浏览器允许访问 WebXR 设备。
  • 初始位置： 由于 WebXR 坐标系和 CSS 坐标系可能不同，你可能需要调整元素的初始位置和方向。
  • 性能： 频繁地更新 CSS transform 可能会影响性能，尤其是在复杂的场景中。尽量减少不必要的更新，并考虑使用 requestAnimationFrame 来优化渲染。
  • 坐标系转换： WebXR 使用右手坐标系，而 CSS3D transform 也使用右手坐标系。但它们的原点和方向可能不同。你可能需要根据实际情况进行坐标系转换，例如旋转 180 度才能将元素“面对”用户。

六、进阶技巧

  • 平滑过渡： 为了避免生硬的移动，可以使用平滑过渡效果，例如 CSS transition 属性。
  • 自定义坐标系： 你可以创建一个自定义的坐标系，将 WebXR 坐标系映射到你想要的坐标系。
  • 多个元素： 你可以同时控制多个元素，让它们按照不同的方式响应 VR/AR 设备的运动。
  • 事件交互： 你可以监听 WebXR 事件，例如手柄的按钮点击事件，并根据这些事件来改变网页元素的状态。

七、总结

通过将 WebXR 姿态数据转换为 CSS transform 矩阵，我们可以实现虚拟世界和现实世界的无缝连接，创造出令人惊艳的沉浸式体验。

虽然这个过程涉及到一些数学知识，但只要掌握了基本原理和步骤，你就可以轻松地将 VR/AR 技术应用到你的网页项目中。

希望今天的讲座对你有所帮助。 下次再见！

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