在 Vue 中，如何结合 `WebXR API`，实现一个沉浸式的 AR/VR 应用？ - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位屏幕前的靓仔俊女们，大家好！今天咱们来聊点刺激的——如何在 Vue 这位前端小甜甜的帮助下，打造一个沉浸式的 AR/VR 体验。准备好了吗？系好安全带，我们要发车啦！

一、WebXR API：通往虚拟现实的大门

首先，我们要认识一位新朋友——WebXR API。别看名字挺唬人，其实它就是浏览器提供的一套接口，专门用来搞 AR/VR 的。简单来说，有了它，我们就能让浏览器理解你的头显（VR 头盔）或者手机摄像头，然后把虚拟世界叠加到真实世界中，或者把你完全拉进一个虚拟的世界。

WebXR API 的核心概念有几个：

XRSystem: 这是整个 WebXR 的入口，你可以用它来检查浏览器是否支持 WebXR，以及请求 XR 会话。
XRSession: 代表一个 AR/VR 会话。所有渲染、交互都发生在这个会话里。
XRReferenceSpace: 定义了一个坐标系，用来定位虚拟物体和用户的视角。常用的有 local, viewer, local-floor, bounded-floor, unbounded 这些类型。
XRFrame: 每一帧的快照，包含设备姿态、输入等信息。
XRViewerPose: 描述了用户的视角，包含位置和方向。
XRInputSource: 代表一个输入设备，比如 VR 手柄或者触摸屏。

为了更清晰地理解这些概念，咱们用一张表格来总结一下：

概念	描述
`XRSystem`	WebXR API 的入口点。负责检查 WebXR 支持情况，请求会话等。
`XRSession`	代表一个 AR/VR 会话。所有的渲染、交互都发生在这个会话中。
`XRReferenceSpace`	定义了一个坐标系，用于定位虚拟物体和用户的视角。常见的类型包括: `local` (相对于会话开始时的位置), `viewer` (相对于用户的头部), `local-floor` (相对于地面), `bounded-floor` (限定在一个区域内的地面), `unbounded` (没有边界)。
`XRFrame`	每一帧的快照，包含设备姿态、输入等信息。是渲染循环的核心。
`XRViewerPose`	描述了用户的视角，包含位置和方向。通过它可以知道用户在虚拟世界中的位置。
`XRInputSource`	代表一个输入设备，例如 VR 手柄或触摸屏。通过它可以获取用户的输入操作。

二、Vue + WebXR：珠联璧合，干活不累

Vue 擅长管理 UI 状态和组件，而 WebXR 负责处理底层的 AR/VR 交互。它们俩配合起来，简直是天作之合！

接下来，我们一步一步地用 Vue 来实现一个简单的 AR 应用：在你的桌面上放一个虚拟的茶杯。

环境搭建

首先，你需要一个支持 WebXR 的浏览器，比如 Chrome Canary 或者 Edge Canary。并且你需要启用 WebXR 的实验特性。在 Chrome Canary 中，你可以在地址栏输入 chrome://flags，然后搜索 "WebXR"，启用相关的 flag。

然后，创建一个 Vue 项目。你可以使用 Vue CLI 或者 Vite。

# Vue CLI
vue create my-ar-app

# Vite
npm create vite my-ar-app --template vue

初始化 WebXR

在你的 Vue 组件中，我们需要初始化 WebXR。

<template>
  <canvas ref="xrCanvas" />
  <div v-if="!xrSupported">
    您的浏览器不支持 WebXR.
  </div>
  <div v-if="!xrSession">
    <button @click="startXR">开始 WebXR</button>
  </div>
</template>

<script>
import * as THREE from 'three';
import { ARButton } from 'three/examples/jsm/webxr/ARButton.js';

export default {
  data() {
    return {
      xrSupported: false,
      xrSession: null,
      renderer: null,
      scene: null,
      camera: null,
      cube: null,
    };
  },
  async mounted() {
    this.xrSupported = navigator.xr !== undefined;

    if (this.xrSupported) {
        // 使用 ARButton 而不是手动创建按钮
        document.body.appendChild( ARButton.createButton( this.renderer ) );
      try {
        const session = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
            requiredFeatures: ['hit-test'], // 开启 hit-test
            optionalFeatures: ['dom-overlay'],
        });
        this.xrSession = session;
        this.startXR();
      } catch (error) {
        console.error('WebXR 初始化失败:', error);
        this.xrSupported = false; // 禁用 XR
      }
    }
  },
  methods: {
    async startXR() {
      try {
        // 创建 Three.js 场景
        this.scene = new THREE.Scene();
        this.camera = new THREE.PerspectiveCamera(70, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.01, 20);

        // 创建 WebGL 渲染器
        this.renderer = new THREE.WebGLRenderer({
          antialias: true,
          canvas: this.$refs.xrCanvas,
        });
        this.renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
        this.renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio);
        this.renderer.xr.enabled = true;
        this.renderer.xr.setReferenceSpaceType('local'); // 使用 'local' 或 'local-floor'

        // 创建一个立方体 (我们的茶杯)
        const geometry = new THREE.BoxGeometry(0.1, 0.1, 0.1);
        const material = new THREE.MeshNormalMaterial();
        this.cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
        this.scene.add(this.cube);

        // 启动 XR 会话
        this.xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
            requiredFeatures: ['hit-test', 'dom-overlay'], // 开启 hit-test 和 dom-overlay
            optionalFeatures: ['dom-overlay'],
        });
        this.xrSession.updateWorldTrackingState({ planeDetectionState: { enabled: true } }); // 开启平面检测

        this.xrSession.addEventListener('end', this.onXRSessionEnd);
        this.renderer.xr.setSession(this.xrSession);

        // 设置渲染循环
        this.renderer.setAnimationLoop(this.render);

        // 设置 hit-test
        this.xrSession.requestReferenceSpace('viewer').then((refSpace) => {
          this.viewerSpace = refSpace;
          this.xrSession.requestHitTestSource({ space: this.viewerSpace }).then((source) => {
            this.hitTestSource = source;
          });
        });
      } catch (error) {
        console.error('启动 WebXR 失败:', error);
      }
    },
    render(time, frame) {
      if (frame) {
        const session = frame.session;

        // hit test
        if (this.hitTestSource) {
          const hitTestResults = frame.getHitTestResults(this.hitTestSource);
          if (hitTestResults.length > 0) {
            const hit = hitTestResults[0];
            const pose = hit.getPose(this.renderer.xr.getReferenceSpace());
            this.cube.position.copy(pose.transform.position);
            this.cube.quaternion.copy(pose.transform.orientation);
          }
        }

        const referenceSpace = this.renderer.xr.getReferenceSpace();
        const viewerPose = frame.getViewerPose(referenceSpace);

        if (viewerPose) {
          this.renderer.render(this.scene, this.camera);
        }
      }
    },
    onXRSessionEnd() {
      this.xrSession = null;
      this.renderer.setAnimationLoop(null);
    },
  },
  beforeUnmount() {
    if (this.xrSession) {
      this.xrSession.end();
    }
  },
};
</script>

<style scoped>
canvas {
  width: 100%;
  height: 100%;
  display: block;
}
</style>

这段代码做了这些事情：

检查浏览器是否支持 WebXR。
如果支持，就显示一个 "开始 WebXR" 按钮。
点击按钮后，初始化 Three.js 场景和 WebXR 会话。
创建一个立方体，作为我们的虚拟茶杯。
设置一个渲染循环，每一帧都更新立方体的位置和方向。

让茶杯听话：Hit Test

现在，茶杯已经在场景里了，但是它还不知道该放在哪里。我们需要用到 Hit Test API，让茶杯能够 "听话" 地放在我们点击的位置。

在上面的代码中，我们已经开启了hit-test特性，并且在startXR方法中请求了hitTestSource。在render方法中，我们使用frame.getHitTestResults来获取 hit test 的结果，然后根据结果来更新立方体的位置和方向。

简单解释下 Hit Test 的原理：

我们从用户的视角发射一条 "射线"。
这条射线会和现实世界中的平面（比如桌面）相交。
Hit Test API 会返回射线和平面相交的位置和方向。
我们把虚拟物体放在这个位置，就实现了 "放置" 的效果。

三、进阶：让 AR 应用更上一层楼

上面的例子只是一个简单的演示。要打造一个真正的 AR 应用，我们还需要考虑很多问题。

模型加载

用立方体当茶杯太 low 了！我们要加载真实的 3D 模型。 Three.js 提供了很多模型加载器，比如 GLTFLoader。

import { GLTFLoader } from 'three/examples/jsm/loaders/GLTFLoader.js';

// ...

const loader = new GLTFLoader();
loader.load(
  'path/to/your/model.gltf',
  (gltf) => {
    this.teaCup = gltf.scene;
    this.scene.add(this.teaCup);
  },
  (xhr) => {
    console.log((xhr.loaded / xhr.total * 100) + '% loaded');
  },
  (error) => {
    console.log('An error happened');
  }
);

光照和阴影

没有光照和阴影，虚拟物体看起来会很假。 Three.js 提供了各种光照类型，比如 AmbientLight, DirectionalLight, PointLight。

const ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xffffff, 0.5);
this.scene.add(ambientLight);

const directionalLight = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 1);
directionalLight.position.set(1, 1, 1);
this.scene.add(directionalLight);

交互

AR 应用不能只是看看而已，还要能交互。我们可以监听 WebXR 的输入事件，比如手柄的按钮点击或者触摸屏的滑动。

this.xrSession.addEventListener('selectstart', (event) => {
  // 处理点击事件
  console.log('点击事件', event);
});

性能优化

AR 应用对性能要求很高。如果帧率太低，用户会感到眩晕。

一些优化技巧：

减少场景中的三角形数量。
使用纹理压缩。
避免频繁的内存分配。
使用 Web Workers 来处理耗时的计算。

平面检测

平面检测是 AR 应用中非常重要的功能。它可以让应用自动识别现实世界中的平面，比如桌面或者墙壁。

在上面的代码中，我们已经开启了平面检测：

this.xrSession.updateWorldTrackingState({ planeDetectionState: { enabled: true } }); // 开启平面检测

然后，我们可以监听 planeadded 和 planeremoved 事件，来获取检测到的平面信息。

this.xrSession.addEventListener('planeadded', (event) => {
  const plane = event.plane;
  console.log('检测到平面', plane);
});

DOM Overlay
DOM Overlay 是一个非常有用的特性，它允许我们将 HTML 元素覆盖在 AR 场景之上。这对于创建 UI 界面、显示信息等非常方便。
首先，需要在请求会话时启用 dom-overlay 特性：

this.xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
    requiredFeatures: ['hit-test', 'dom-overlay'], // 开启 hit-test 和 dom-overlay
    optionalFeatures: ['dom-overlay'],
    domOverlay: { root: document.getElementById('overlay') }
});

然后，创建一个 HTML 元素，并将其设置为 DOM Overlay 的根元素：

<div id="overlay" style="position: absolute; top: 0; left: 0; width: 100%; height: 100%; pointer-events: none;">
  <h1>Hello AR!</h1>
  <p>This is an overlay.</p>
</div>

四、总结：AR/VR 的未来，由你创造

好了，今天的讲座就到这里。我们一起学习了 WebXR API 的基本概念，以及如何在 Vue 中使用 WebXR API 来创建一个简单的 AR 应用。

当然，AR/VR 的世界远不止这些。还有很多有趣的技术等待我们去探索，比如：

WebRTC: 实现多人 AR/VR 体验。
WebAssembly: 用高性能的 C/C++ 代码来加速 AR/VR 应用。
AI: 让 AR/VR 应用更加智能。

希望今天的讲座能给你带来一些启发。记住，AR/VR 的未来，由你创造！让我们一起用代码，构建一个更加美好的虚拟世界吧！谢谢大家！

发表回复 取消回复

发表回复取消回复