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

嘿，各位未来的元宇宙建筑师们，欢迎来到今天的 WebXR 开发速成班！我是你们的导游，将带你们用 Vue.js 和 WebXR API 打造一个属于自己的沉浸式 AR/VR 体验。

准备好了吗？让我们开始构建属于自己的现实扭曲器吧！

第一站：WebXR API 基础认知

首先，我们要认识一下今天的主角——WebXR API。简单来说，WebXR API 是一组 JavaScript 接口，它允许我们在浏览器中创建和管理虚拟现实（VR）和增强现实（AR）体验。

把它想象成一个万能遥控器，你可以用它来控制浏览器理解并渲染你的3D场景，并将其呈现在VR头显或AR设备上。

核心概念：

XRSystem: 这是整个 WebXR 体验的入口点。你可以通过它请求 XR 会话(session) 等。
XRSession: 代表一个活动的 AR 或 VR 会话。在会话中，你可以访问设备的位置、方向、以及绘制场景所需的信息。
XRReferenceSpace: 定义坐标系，场景中的所有物体都相对于这个坐标系定位。常见的类型有 local, local-floor, viewer, unbounded。
XRFrame: 代表一个渲染帧。它包含渲染场景所需的所有信息，例如设备姿态和视图。
XRViewerPose: 描述用户在虚拟或增强现实世界中的头部位置和方向。
XRView: 代表一个单独的视图，用于渲染到屏幕或头显上（例如，左眼和右眼）。
XRWebGLLayer: 将 WebXR 渲染内容输出到 WebGL 上下文。

第二站：Vue.js 项目搭建与配置

既然是 Vue.js 开发，那我们先创建一个 Vue 项目。

vue create my-xr-app
cd my-xr-app

选择你喜欢的预设。我这里选择默认的 Vue 3 + TypeScript。

接下来，我们需要安装一些必要的依赖：

npm install three @types/three

three 是一个流行的 JavaScript 3D 库，我们将使用它来创建 3D 场景。 @types/three 提供 TypeScript 类型定义，让我们的代码更健壮。

第三站：WebXR 会话启动

现在，让我们开始编写代码，创建一个 WebXR.vue 组件，用于初始化 WebXR 会话。

<template>
  <canvas ref="canvas" />
</template>

<script lang="ts">
import { defineComponent, ref, onMounted } from 'vue';
import * as THREE from 'three';

export default defineComponent({
  name: 'WebXR',
  setup() {
    const canvas = ref<HTMLCanvasElement | null>(null);
    let renderer: THREE.WebGLRenderer;
    let scene: THREE.Scene;
    let camera: THREE.PerspectiveCamera;
    let xrSession: XRSession | null = null;
    let xrRefSpace: XRReferenceSpace | null = null;

    const init = async () => {
      if (!navigator.xr) {
        alert("WebXR not supported");
        return;
      }

      renderer = new THREE.WebGLRenderer({
        antialias: true,
        canvas: canvas.value!,
      });
      renderer.xr.enabled = true; // 启用 WebXR
      renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
      renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio);

      scene = new THREE.Scene();
      camera = new THREE.PerspectiveCamera(
        75,
        window.innerWidth / window.innerHeight,
        0.1,
        1000
      );

      // 创建一个简单的立方体
      const geometry = new THREE.BoxGeometry();
      const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 });
      const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
      scene.add(cube);

      // 设置相机初始位置
      camera.position.z = 5;

      // WebXR 相关
      try {
        const supported = await navigator.xr.isSessionSupported('immersive-vr'); // 'immersive-ar' for AR
        if (supported) {
          const button = document.createElement('button');
          button.textContent = 'Enter VR';
          button.addEventListener('click', async () => {
              try {
                  await startXRSession();
              } catch (error) {
                  console.error("Failed to start XR session:", error);
              }
          });
          document.body.appendChild(button); // 添加按钮到页面
        } else {
          alert('VR not supported on this device.');
        }
      } catch (error) {
        console.error("Error checking XR support:", error);
        alert("Error checking XR support.");
      }
    };

    const startXRSession = async () => {
      try {
        xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-vr'); // 'immersive-ar' for AR
        xrSession.onend = () => {
          xrSession = null;
        };

        xrRefSpace = await xrSession.requestReferenceSpace('local'); // 或者 'local-floor', 'viewer'

        await renderer.xr.setSession(xrSession);

        xrSession.requestAnimationFrame(animate);

      } catch (error) {
        console.error("Error starting XR session:", error);
        alert("Error starting XR session.");
      }
    };

    const animate = (time: number, frame?: XRFrame) => {
      if (!frame || !xrSession) {
        renderer.render(scene, camera);
        requestAnimationFrame(animate);
        return;
      }

      const pose = frame.getViewerPose(xrRefSpace!);
      if (pose) {
        const glLayer = renderer.xr.getLayer(xrSession);
        if(glLayer) {
            renderer.setSize(glLayer.framebufferWidth, glLayer.framebufferHeight);
        }

        renderer.render(scene, camera);
      }
       xrSession.requestAnimationFrame(animate);
    };

    onMounted(() => {
      init();
    });

    return {
      canvas,
    };
  },
});
</script>

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

代码解释：

template: 包含一个 canvas 元素，我们将使用它来渲染 3D 场景。
ref: 使用 ref 创建 canvas 的引用。
onMounted: 在组件挂载后，调用 init 函数。
init:
- 检查浏览器是否支持 WebXR。
- 创建 WebGLRenderer, Scene, Camera。
- 创建一个简单的立方体并添加到场景中。
- 设置相机初始位置。
- 检测设备是否支持VR，创建按钮启动会话。
startXRSession:
- 请求一个 immersive-vr（或者 immersive-ar）会话。
- 请求一个 local 参考空间。
- 将 WebXR 会话设置到渲染器。
- 开始动画循环。
animate:
- 如果没有 frame，则使用普通方式渲染。
- 获取用户的姿势（位置和方向）。
- 根据用户姿势更新相机。
- 渲染场景。
- 请求下一帧动画。

第四站：一些调试技巧

WebXR 模拟器: 如果你没有 VR 头显或 AR 设备，可以使用 WebXR 模拟器进行调试。Chrome 和 Firefox 都有 WebXR 模拟器插件。
控制台输出: 在代码中添加 console.log 语句，以便在控制台中查看变量的值。
错误处理: 使用 try...catch 语句来捕获错误，并提供有用的错误消息。

第五站：进阶 AR/VR 开发

好的，现在我们已经掌握了 WebXR 的基础知识。接下来，我们可以探索一些更高级的技术。

模型加载: 使用 THREE.GLTFLoader 加载 3D 模型。
光照和阴影: 添加光照和阴影，使场景更逼真。
交互: 使用射线投射（Raycasting）检测用户与 3D 对象的交互。
AR 平面检测: 在 AR 场景中，使用 XRSession.requestHitTest() 检测真实世界的平面。
性能优化: 使用 LOD (Level of Detail) 技术和模型简化来提高性能。

案例分享：增强现实测量工具

假设我们要开发一个简单的 AR 测量工具，用户可以在真实世界中测量物体之间的距离。

以下是实现步骤：

平面检测: 使用 XRSession.requestHitTest() 检测真实世界的平面。
锚点创建: 当用户点击屏幕时，在检测到的平面上创建一个锚点。
距离计算: 计算两个锚点之间的距离，并在屏幕上显示结果。
渲染线条: 在两个锚点之间渲染一条线，可视化测量结果。

示例代码片段 (基于上面的 WebXR.vue 修改):

// ... (之前的代码)

let hitTestSource: XRHitTestSource | null = null;
let hitTestSourceInitialized: boolean = false;
let anchors: THREE.Mesh[] = [];
let line: THREE.Line | null = null;

const initAR = async () => {
    try {
        const supported = await navigator.xr.isSessionSupported('immersive-ar');
        if (supported) {
            const button = document.createElement('button');
            button.textContent = 'Enter AR';
            button.addEventListener('click', async () => {
                try {
                    await startXRSessionAR();
                } catch (error) {
                    console.error("Failed to start XR session:", error);
                }
            });
            document.body.appendChild(button); // 添加按钮到页面
        } else {
            alert('AR not supported on this device.');
        }
    } catch (error) {
        console.error("Error checking XR support:", error);
        alert("Error checking XR support.");
    }
};

const startXRSessionAR = async () => {
    try {
        xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
             requiredFeatures: ['hit-test'],
             optionalFeatures: ['dom-overlay'],
        });

        xrSession.onend = () => {
            xrSession = null;
            hitTestSourceInitialized = false;
            anchors = [];
            if(line) {
                scene.remove(line);
                line = null;
            }
        };

        xrRefSpace = await xrSession.requestReferenceSpace('local');

        // 创建 hit test source
        hitTestSource = await xrSession.requestHitTestSource({ space: xrRefSpace });
        hitTestSourceInitialized = true;

        await renderer.xr.setSession(xrSession);

        xrSession.requestAnimationFrame(animateAR);

        //添加点击事件
        canvas.value!.addEventListener('click', onCanvasClick);

    } catch (error) {
        console.error("Error starting XR session:", error);
        alert("Error starting XR session.");
    }
};

const onCanvasClick = async (event: MouseEvent) => {
    if (!xrSession || !hitTestSourceInitialized) return;

    const hitTestResults = await hitTestSource!.getHitTestResults(xrRefSpace!);

    if (hitTestResults.length > 0) {
        const hit = hitTestResults[0];
        const hitPose = hit.getPose(xrRefSpace!);

        if (hitPose) {
            // 创建一个简单的球体作为锚点
            const geometry = new THREE.SphereGeometry(0.05, 32, 32);
            const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000 });
            const sphere = new THREE.Mesh(geometry, material);
            sphere.position.set(hitPose.transform.position.x, hitPose.transform.position.y, hitPose.transform.position.z);
            sphere.quaternion.set(hitPose.transform.orientation.x, hitPose.transform.orientation.y, hitPose.transform.orientation.z, hitPose.transform.orientation.w);
            scene.add(sphere);
            anchors.push(sphere);

            if(anchors.length >= 2) {
                //计算距离
                const distance = anchors[0].position.distanceTo(anchors[1].position);
                console.log("Distance:", distance);

                //渲染线条
                if(line){
                  scene.remove(line);
                }
                const materialLine = new THREE.LineBasicMaterial({ color: 0x0000ff });
                const points = [
                  anchors[0].position,
                  anchors[1].position
                ];
                const geometryLine = new THREE.BufferGeometry().setFromPoints( points );
                line = new THREE.Line( geometryLine, materialLine );
                scene.add( line );
            }
        }
    }
};

const animateAR = (time: number, frame?: XRFrame) => {
    if (!frame || !xrSession) {
        renderer.render(scene, camera);
        requestAnimationFrame(animateAR);
        return;
    }

    const pose = frame.getViewerPose(xrRefSpace!);

    if (pose) {
        const glLayer = renderer.xr.getLayer(xrSession);
        if(glLayer) {
            renderer.setSize(glLayer.framebufferWidth, glLayer.framebufferHeight);
        }

        renderer.render(scene, camera);
    }

    xrSession.requestAnimationFrame(animateAR);
};

// ... (onMounted 和 return 部分)

onMounted(() => {
  initAR();  // 初始化 AR
});

在这个例子中，我们使用了 hit-test 特性来检测真实世界的平面，并在点击屏幕时创建锚点。然后，我们计算两个锚点之间的距离，并在它们之间渲染一条线。

代码注释

我们请求 immersive-ar 会话，并要求 hit-test 特性。
requestHitTestSource 创建一个 hit test source，用于检测真实世界的平面。
getHitTestResults 返回一个 hit test 结果数组。
使用 hit test 结果的 getPose 方法获取锚点的位置和方向。
通过计算两个锚点坐标的差值，得到距离。
使用 THREE.Line 渲染一条线，连接两个锚点。

一些需要注意的点：

注意点	描述
权限请求	AR/VR 需要访问设备摄像头和传感器，因此浏览器会提示用户授权。
性能优化	AR/VR 应用对性能要求很高，需要尽可能优化代码和资源。
用户体验	良好的用户体验至关重要。提供清晰的指示和反馈，避免让用户感到不适。
设备兼容性	WebXR API 的支持程度因设备和浏览器而异。需要进行充分的测试，确保应用在不同设备上都能正常运行。
参考空间选择	选择合适的参考空间（`local`, `local-floor`, `viewer`, `unbounded`）对于获得正确的姿态信息非常重要。

第六站：总结与展望

恭喜你！现在你已经掌握了使用 Vue.js 和 WebXR API 开发 AR/VR 应用的基础知识。

WebXR 的未来充满无限可能。随着技术的不断发展，我们可以期待更多令人惊叹的 AR/VR 体验。勇敢地探索，大胆地创新，让我们一起用 WebXR 创造一个更美好的世界吧！

记住，编码的道路永无止境，不断学习，不断实践，你就能成为真正的 WebXR 大师！祝你编码愉快！

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