【好文收藏】Three.js实现H5全景

阅读数: 2021-08-05

作者：azuo

链接：https://juejin.cn/post/6968263858309824526

来源：掘金

文末是我对文章的补充。

不到30行代码实现一个酷炫H5全景

前言：本文将围绕：了解什么是全景 –> 怎么构成全景 –> 全景交互原理来进行讲解，手把手教你从零基础实现一个酷炫的Web全景，并讲解其中的原理。小白也能学习，建议收藏学习,有任何疑问，请在评论区讨论，笔者经常查看并回复。

一、了解什么是全景

1.1 全景定义

定义：全景是某一空间的全部景色。

通俗地说：大家都拍过照片，那我们想想一下拍照片的过程：站在某个空间，拿着相机，朝着某一角度拍摄，就可以获得这角度的景色照片了，而全景呢？是站在某个空间，拿着相机站着，朝着360角度拍摄，获得所有角度的景色照片，组合起来，再通过专门的技术展示给大家看的可交互的照片。

全景示例：

体验二维码（支持微信扫码）：

1.2 全景展示方式

全景的展示方式有很多中，比如：柱体全景、立方体全景、球体全景等等……

最最通俗的理解：用一个大的纸箱套在头上，看的场景（这种展示方式就是立方体全景）

柱体、立方体存在交叉区域，界面在交叉区域交互会呈现死角。所以，最好全景呈现方式是球体全景，360度无死角，本文将以球体全景来讲解。

二、怎么构成全景

2.1 认识ThreeJS

目前主流全景的前端实现方式：

实现方式	费用	是否开源	学习成本	开发难度	兼容性	扩展	性能
CSSS 3D	免费	是	中	难	支持CSS3D的浏览器	易	低
ThreeJS	免费	是	高	中	支持WebGL的部分浏览器	易	高
全景工具(Krpano)	收费	否	易	无	支持flash和canvas的浏览器	难	中

作为一个有追求（瞎折腾）前端开发，当然要选择ThreeJS！！！

ThreeJS是Three（3D）+JS（JavaScript），它封装了底层的WebGL接口，使得我们能够在不了解图形学知识的前提下，也能用简单的代码实现三维场景的渲染。

要想在屏幕中展示3D图像，大致思路：

第一步：构建一个空间直角坐标系：Three中称之为场景(Scene)
第二步：在坐标系中，绘制几何体： Three中的几何体有很多种，包括BoxGeometry（立方体），SphereGeometry（球体）等等
第三步：选择一个观察点，并确定观察方向等：Three中称之为相机(Camera)
第四步：将观察到的场景渲染到屏幕上的指定区域：Three中使用Renderer完成这一工作（相当于拍照）

以上是ThreeJS渲染物体的固定写法，不理解的话记住也行的😄

球体全景所需的图片素材（下图）：宽是高的两倍，数值是2的整数倍最好，建议图片宽高为2048px*1024px（后面实现全景会用到哈）

具体代码实现：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="utf-8">
<title>手把手教你制作酷炫Web全景</title>
    <meta name="viewport" id="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1,minimum-scale=1, maximum-scale=1, user-scalable=no, viewport-fit=cover">
</head>
<body>
<div id="wrap" style="position: absolute;z-index: 0;top: 0;bottom: 0;left: 0;right: 0;width: 100%;height: 100%;overflow: hidden;">
</div>
<script src="https://cdn.bootcdn.net/ajax/libs/three.js/r128/three.js"></script>
<script>
    const width = window.innerWidth
    const height = window.innerHeight
    const radius = 500 // 球体半径

    // 第一步：创建场景
    const scene = new THREE.Scene()

    // 第二步：绘制一个球体
    const geometry = new THREE.SphereBufferGeometry(radius, 32, 32)
    const material = new THREE.MeshBasicMaterial({
        map: new THREE.TextureLoader().load('./img/1.jpeg') // 上面的全景图片
    })
    const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material)
    scene.add(mesh)

    // 第三步：创建相机，并确定相机位置
    const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, width / height, 0.1, 100)
    camera.position.x = 0  // 确定相机位置
    camera.position.y = 0
    camera.position.z = 100
    
    camera.target = new THREE.Vector3(radius, 0, 0) // 设定对焦点
    

    // 第四步：拍照并绘制到canvas
    const renderer = new THREE.WebGLRenderer()
    renderer.setSize(width, height) // 设置照片大小

    document.querySelector('#wrap').appendChild(renderer.domElement) // 绘制到canvas

    function render() {
        camera.lookAt(camera.target)   // 对焦
        renderer.render(scene, camera) // 拍照
        
        // 不断渲染，因为图片加载和处理需要时间，不确定何时拍照合适
        requestAnimationFrame(render)
    }
    render()
</script>
</body>

</html>

复制代码

浏览器页面效果（记得开启手机模拟调试）：

2.2 基础知识点

2.2.1 经纬度

本文是使用经纬度来操作全景，需要科普一下经纬度的知识

经纬度是经度与纬度的合称组成一个坐标系统。称为地理坐标系统，它是一种利用三度空间的球面来定义地球上的空间的球面坐标系统，能够标示地球表面上的任何一个位置。

如图所示，经度：lon，取值范围：[0,360]，纬度：lat，取值范围：[-90,90];

2.2.2 经纬度转换三维坐标

球面的点{lon,lat}，其中R为球体的半径，求球面的点的在ThreeJS的坐标的位置为：

解：

X = R * cos（lat）* sin( lon )
Y = R * sin( lat )
Z = R * cos( lat )*cos( lon )

注：ThreeJS中默认的坐标系是右手坐标系，X轴为左右，Y轴为上下，Z轴为前后。

2.3 生成全景的步骤

在2.1的章节中，我们已经完成了绘制一个球体，绘制全景是在其基础上要做调整：

1、将相机移到球体的球心位置；
2、将全景图片贴到球体的内表面；

具体步骤如下：

第一步：创建一个场景（Scene）
第二步：创建一个球体，并将全景图片贴到球体的内表面，放入场景中
第四步：创建一个透视投影相机将camera拉到球体的中心，相机观看球体内表面
第五步：通过修改经纬度来，改变相机观察的点

具体代码实现：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="utf-8">
    <title>手把手教你制作酷炫Web全景</title>
    <meta name="viewport" id="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1,minimum-scale=1, maximum-scale=1, user-scalable=no, viewport-fit=cover">
</head>
<body>
    <div id="wrap" style="position: absolute;z-index: 0;top: 0;bottom: 0;left: 0;right: 0;width: 100%;height: 100%;overflow: hidden;">
    </div>
    <script src="https://cdn.bootcdn.net/ajax/libs/three.js/r128/three.js"></script>
    <script>
        const width = window.innerWidth, height = window.innerHeight // 屏幕宽高
        const radius = 50 // 球体半径

        // 第一步：创建场景
        const scene = new THREE.Scene()

        // 第二步：绘制一个球体
        const geometry = new THREE.SphereBufferGeometry(radius, 32, 32)
        geometry.scale(-1, 1, 1) // 球面反转，由外表面改成内表面贴图
        const material = new THREE.MeshBasicMaterial({
            map: new THREE.TextureLoader().load('./img/1.jpeg') // 上面的全景图片
        })
        const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material)
        scene.add(mesh)

        // 第三步：创建相机，并确定相机位置
        const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, width / height, 0.1, 100)
        camera.position.x = 0  // 确定相机位置移到球心
        camera.position.y = 0
        camera.position.z = 0

        camera.target = new THREE.Vector3(radius, 0, 0) // 设置一个对焦点
      

        // 第四步：拍照并绘制到canvas
        const renderer = new THREE.WebGLRenderer()
        renderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio)
        renderer.setSize(width, height) // 设置照片大小

        document.querySelector('#wrap').appendChild(renderer.domElement) // 绘制到canvas
        renderer.render(scene, camera)

        let lat = 0, lon = 0

        function render() {
            lon += 0.003 // 每帧加一个偏移量
            // 改变相机的对焦点，计算公式参考：2.2.2章节
            camera.target.x = radius * Math.cos(lat) * Math.cos(lon);
            camera.target.y = radius * Math.sin(lat);
            camera.target.z = radius * Math.cos(lat) * Math.sin(lon)
            camera.lookAt(camera.target) // 对焦

            renderer.render(scene, camera)
            requestAnimationFrame(render)
        }
        render()
    </script>
</body>

</html>

复制代码

效果：

至此，我们全景制作已经完成了，（只统计js代码：共28行代码,我才不是标题党呢？😁）。

三、全景交互原理

3.1 手势交互之旋转

手势交互之旋转指单指滑动操作，这与滑动地球仪的交互是一致的。

屏幕坐标系，左上角为原点，X轴：由左向右，Y轴：由上到下，手指在屏幕滑动会依次触发三个事件：touchstart、touchmove和touchend；event对象中记录了手指屏幕的位置

手指在屏幕滑动过程：

touchstart：记录滑动起始的位置（startX，startY）
touchmove：记录当前位置（curX，curY）相减上一次位置的值，计算出弧长除于半径乘以factor，计算出（lon，lat）
touchend：暂时没有用的

其中：弧长R值的是屏幕的滑动距离

那么单指在屏幕的滑动，由P1 (clientX1,clientY1)移动到P2 (clientX1,clientY1)长度为，对应经纬度变化：

distanceX = clientX1 - clientX2   // X轴方向
distanceY = clientY1 - clientY2   // Y轴方向

// 其中R为球体半径，根据弧长公式：
lon = distanX / R
lat = distanY / R
复制代码

代码实现：

// 增加touch事件监听
let lastX, lastY       // 上次屏幕位置
let curX, curY         // 当前屏幕位置
const factor = 1 / 10  // 灵敏系数

const $wrap = document.querySelector('#wrap')
// 触摸开始
$wrap.addEventListener('touchstart', function (evt) {
    const obj = evt.targetTouches[0] // 选择第一个触摸点
    startX = lastX = obj.clientX
    startY = lastY = obj.clientY
})

// 触摸中
$wrap.addEventListener('touchmove', function (evt) {
    evt.preventDefault()
    const obj = evt.targetTouches[0]
    curX = obj.clientX
    curY = obj.clientY

    // 参考：弧长公式
    lon -= ((curX - lastX) / radius) * factor // factor为了全景旋转平稳，乘以一个灵敏系数
    lat += ((curY - lastY) / radius) * factor

    lastX = curX
    lastY = curY
})
复制代码

单指操作效果：

上面的代码已经加上全景的单指交互，但是，缺少了旋转惯性。接下来，我们加一下惯性动画：

滑动惯性实现，手指在屏幕滑动过程：

touchstart：记录滑动起始的位置（startX，startY, startTime）
touchmove：记录当前位置（curX，curY）相减上一次位置的值，乘以factor，计算出（lon，lat），【触摸跟随】
touchend：记录endTime,计算本次滑动过程中的平均速度，然后，每帧减去减速度d，直至速度为0或者touchstart事件被触发【触摸结束触发惯性动画】

代码实现：

let lastX, lastY         // 上次屏幕位置
let curX, curY           // 当前屏幕位置
let startX, startY       // 开始触摸的位置，用于计算速度
let isMoving = false     // 是否停止单指操作
let speedX, speedY       // 速度
const factor = 1 / 10    // 灵敏系数，经验值
const deceleration = 0.1 // 减速度，惯性动画使用

const $wrap = document.querySelector('#wrap')
// 触摸开始
$wrap.addEventListener('touchstart', function (evt) {
    const obj = evt.targetTouches[0] // 选择第一个触摸点
    startX = lastX = obj.clientX
    startY = lastY = obj.clientY
    startTime = Date.now()
    isMoving = true
})

// 触摸中
$wrap.addEventListener('touchmove', function (evt) {
    evt.preventDefault()
    const obj = evt.targetTouches[0]
    curX = obj.clientX
    curY = obj.clientY

    // 参考：弧长公式
    lon -= ((curX - lastX) / radius) * factor // factor为了全景旋转平稳，乘以一个系数
    lat += ((curY - lastY) / radius) * factor

    lastX = curX
    lastY = curY
})

// 触摸结束
$wrap.addEventListener('touchend', function (evt) {
    isMoving = false
    var t = Date.now() - startTime
    speedX = (curX - startX) / t    // X轴方向的平均速度
    speedY = (curY - startY) / t    // Y轴方向的平均速度

    subSpeedAnimate() // 惯性动画
})

let animateInt
// 减速度动画
function subSpeedAnimate() {
    lon -= speedX * factor // X轴
    lat += speedY * factor
    
    // 减速度
    speedX = subSpeed(speedX)
    speedY = subSpeed(speedY)

    // 速度为0或者有新的触摸事件，停止动画
    if ((speedX === 0 && speedY === 0) || isMoving) {
        if (animateInt) {
            cancelAnimationFrame(animateInt)
            animateInt = undefined
        }
    } else {
        requestAnimationFrame(subSpeedAnimate)
    }
}

// 减速度
function subSpeed(speed) {
    if (speed !== 0) {
        if (speed > 0) {
            speed -= deceleration;
            speed < 0 && (speed = 0);
        } else {
            speed += deceleration;
            speed > 0 && (speed = 0);
        }
    }
    return speed;
}
复制代码

预览地址：azuoge.github.io/Opanorama/

3.2 手势交互之缩放

手势交互之缩放是双指操作，跟放大图片一样。

前面介绍ThreeJS，提到过相机，全景缩放也是依据相机拍照时，缩放拍摄照片内容的原理是一样的。

使用ThreeJS创建相机代码如下：

1 2	const camera = new THREE.PerspectiveCamera( fov , aspect , near , fear ) 复制代码

参数说明：

其中，

near：取默认值：0.1即可
fear：只要大于球体半径就可，取值为：球体半径R
aspect：在全景的场景已经确定了，照片的长宽比：屏幕宽度 / 屏幕高度
fov：视场，缩放是通过修改它的值来完成全景图片的缩放；

其实，很好理解，睁大眼睛，我们就看的视野就广，看到物体就显得小些【缩小】，反之，眯着眼，看到的视野就窄，看到物体就显得大【放大】，可以通过修改右图的 fov 的值来缩放全景图片

那么如何计算fov呢？这时候我们需要双指交互，同计算，开始触摸计算第一次双指的距离，在双指移动中不断计算双指距离，与上一次距离相除即为缩放倍数。

关键代码如下：

// 其中，（clientX1，clientY1）和（clientX2，clientY2）为双指在屏幕的当前位置

// 计算距离，简化运输不用平方计算
const distance = Math.abs(clientX1 - clientX2) + Math.abc(clientY1 - clientY)
// 计算缩放比
const scale = distance / lastDiance 
// 计算新的视角
fov = camera.fov / scale

// 视角范围取值
camera.fov = Math.min(90, Math.max(fov,60)) // 90 > fov > 60 ,从参数说明中选取

// 视角需要主动更新
camera.updateProjectionMatrix()

复制代码

体验地址：azuoge.github.io/Opanorama/

3.3 手机陀螺仪交互

html5事件中，deviceorientation事件，此事件是检测设备方向变化时的事件。

H5有两份坐标：

地球坐标 x/y/z：在任何情况下，都是恒定方向
手机平面坐标 x/y/z：相对于手机屏幕定义的方向

取值范围：

X轴：上下旋转Beta(X) ,取值范围：[ -180° ～ 180° ]
Z轴：左右旋转扭曲Alpha(Z) ,取值范围：[ 0°， 360° ]
Y轴：扭转可以是 Gamma(Y) ,取值范围：[ -90° ，90° ]

当将手机垂直，且正面（90度）冲着自己。

从上图观察，并结合ThreeJS的坐标系，可以得出关键结论：

lat对应 (beta - 90) * (Math.PI / 180) 【角度换算弧度】
lon对应 gamma * (Math.PI / 180) 【角度换算弧度】

这alpha角度就不再这次全景交互中。

当将将手机垂直，且正面（90度）冲着自己，转动手机方向演示

Chrome浏览器是可以开启陀螺仪模拟，操作如下：

那么代码就很简单：

// 角度换算弧度公式
const L = Math.PI / 180

// 陀螺仪交互
window.addEventListener('deviceorientation', function (evt) {
    lon = evt.alpha * L
    lat = (evt.beta - 90) * L
})
复制代码

效果如下：

需要注意的是：H5获取的手机方向数值，在部分android手机，存在明显的抖动，就算手机静止放在桌面上，陀螺仪输出的数据也会抖动；（该问题不属于原理，只是在全景应用过程遇到的问题，不感兴趣的同学可以跳过😄）

我们需要对陀螺仪的输出的数字做处理，这里采用信号传输中使用的 低通滤波算法

公式如下：

当K=1时，就是真实的数据，小于1，就可以稀释变化值。

但是又有了新的问题：灵敏度和平稳度的矛盾

滤波系数越小，滤波结果越平稳，但是灵敏度越低
滤波系数越大，灵敏度越高，但是滤波结果越不稳定

通过统计数据得出的结论， K取值为10，灵敏度和平稳度表现较好。

体验地址：azuoge.github.io/Opanorama/

3.4 手势和陀螺仪交互结合

手势和陀螺仪的交互都转化成经纬度来驱动全景，那么，两者结合也就很简单了。

具体思路如下：

1
2
3

lat = touch.lat + orienter.lat + fix.lat    // 取值范围：[-90,90]
lon = touch.lon + orienter.lon + fix.lon    // 取值范围：[0,360]
复制代码

其中，touch为手势影响，orienrer为陀螺仪影响，fix为修正因子，保证经纬度在换算的结果始终符合取值范围。

本文完整的代码放在： https://github.com/azuoge/Opanorama，欢迎查阅和讨论。

我的补充

下面是一些个人意见，仅供参考。

关于旋转交互，可以使用下面的事件，如此兼容PC和移动端

1	@pointerdown='onPointerDown' @pointermove='onPointerMove' @pointerup='onPointerUp'

关于缩放交互，用scale固然没错，但是这个量不好把握，在固定好球体的大小的情况下，更推荐直接使用固定比例缩放，如下：

const methods = {
    // 鼠标滚轮缩放
    onMouseWheel (event) {
        const fov = camera.fov + event.deltaY * 0.05
		// 利用three.js内置函数
        camera.fov = THREE.MathUtils.clamp(fov, 10, 75)
        camera.updateProjectionMatrix()
    },
    // 下面是双指缩放
    onTouchStart (event) {
        if (event.targetTouches.length !== 2) return

        isUserInteracting = true
    },
    onTouchMove (event) {
        if (event.targetTouches.length !== 2) return
        event.preventDefault()

        // 这里用的是水平方向上的判定，垂直方向同理
        const clientX1 = event.targetTouches[0].clientX
        const clientX2 = event.targetTouches[1].clientX

        const distance = Math.abs(clientX1 - clientX2)
        const fov = camera.fov + (distance > lastDiance ? -1 : 1) * 2

        // 视角范围取值
        camera.fov = Math.min(90, Math.max(fov, 10)) // 90 > fov > 10 ,这里限制fov的大小范围

        // 视角需要主动更新
        camera.updateProjectionMatrix()

        lastDiance = distance
    },
    onTouchEnd (event) {
        isUserInteracting = false
    }
}

惯性控制我这里没有成功实现，有待深入研究。

本文作者： ionluo
本文链接： http://www.ionluo.cn/blog/posts/6fa20f50.html
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