元宇宙相关的前端技术（最新技术）

释放双眼，带上耳机，听听看~！

资本热词：Metaverse

7 月 28 日扎克伯格表示，该公司正在组建一个产品团队，致力于元宇宙（Metaverse）的开发。“未来五年内，将 Facebook 从社交媒体网络转变为一个元宇宙公司。”
英伟达通过一部纪录片自曝：“今年 4 月份那场发布会，全部是合成的”
今年3月初，“元宇宙第一股” 的美国多人在线 3D 创意社区 Roblox（罗布乐思）已在纽交所上市，而其当天股价暴涨 54.4%
- 腾讯拿下了 Roblox 中国区代理
- 2020 年 12 月，腾讯 CEO 马化腾表示，移动互联网时代已经过去，全真互联网时代才是未来。
游戏公司 Epic Games 在 4 月获得 10 亿美元投资用来构建元宇宙
国内方面号称要打造全年龄段元宇宙世界的 MeteApp 公司，在 Roblox 上市后拿到了 SIG 海纳亚洲资本领投的 1 亿美元 C 轮融资
字节跳动于 4 月被曝光已投资 “中国版 Roblox ” 代码乾坤近亿元
陌陌王力表示，未来随着虚拟现实的进一步发展，VR/AR 硬件的不断成熟向家用普及以及人机交互模式的变化，必然会出现新的机会，也就是一种直接将人背后的生活串联起来的方式。
阿里前端委员会互动技术方向重点也是“虚拟角色”和“ AR/VR ”

可以看到：“交互娱乐类资本瞄准的互联网未来 – 元宇宙”

何为元宇宙

首次出现：1992 年尼尔·斯蒂芬森的科幻小说《雪崩》当中，在这部小说中讲述了大量有关虚拟化身、赛博朋克等场景。
维基百科：通过虚拟增强的物理现实，呈现收敛性和物理持久性特征，基于未来互联网，具有链接感知和共享特征的3D虚拟空间。
- 简单点讲就是：我们在虚拟世界中与一个全新的身份一一对应，并且不会间断地“生活下去”
Roblox 提出一个真正的元宇宙产品应该具备八大要素，很容易就能让人联想到《头号玩家》这部电影：
- 身份：拥有一个虚拟身份，无论与现实身份有没有相关性。
- 朋友：在元宇宙当中拥有朋友，可以社交，无论在现实中是否认识。
- 沉浸感：能够沉浸在元宇宙的体验当中，忽略其他的一切。
- 低延迟：元宇宙中的一切都是同步发生的，没有异步性或延迟性。
- 多元化：元宇宙提供多种丰富内容，包括玩法、道具、美术素材等。
- 随地：可以使用任何设备登录元宇宙，随时随地沉浸其中。
- 经济系统：与任何复杂的大型游戏一样，元宇宙应该有自己的经济系统。
- 文明：元宇宙应该是一种虚拟的文明。

作为大家口中的“互联网的最终形态”，需要如今大热的包括 AR、VR、5G、云计算、区块链等软硬件技术的成熟。才能构建出一个去中心化的、不受单一控制的、永续的、不会终止的世界。上面提到的各项技术，和目前前端关联比较大的，便是 AR、VR。

AR 现状

有种新瓶装旧酒的感觉，VR、AR 概念大火的时候还是 17、18 年。几年来，AR 被用来创建虚拟的地方游览、设计和协作 3D 模型、游戏、娱乐、购物、营销、学习、可视化等等。从可用到易用，再到体验的升级，这是用户体验 UX 上一轮的主要革新命题，新一轮的用户体验革命会聚焦在如何真正提供体验的价值。目前 AR 在生活中发挥的就是这样的作用。

案例：

AR + 旅游：导航、门店提示、广告、优惠活动提示等等
- image.png
购物：AR 试鞋、试衣、试妆
游戏：

WebXR

WebXR 是标准也是概念，指的基于 Web 实现虚拟现实和增强现实的能力。其实就是在 Web 上开发 AR（Augmented Reality）和 VR（Virtual Reality）应用的 API， “X”代表沉浸式体验中的任何事物。

API

API 演进：主要是 google 在推进，从 2016 年开始提出的 WebVR 标准，到由于缺了增强现实这一块，2018 年改为 WebXR^[1]
相关 API 示例：immersive-web.github.io/webxr-sampl…^[2]
最新动态：2021 年 4月13日 Chrome 的 90 版本增加新 WebXR API：
- WebXR Depth API：获取用户的设备与现实环境中物体的距离
- WebXR AR Lighting Estimation：获取环境的光线情况
示例代码：

async function activateXR() {
  // 创建 WebGL 上下文
  const canvas = document.createElement("canvas");
  document.body.appendChild(canvas);
  const gl = canvas.getContext("webgl", { xrCompatible: true });

  // 初始化three.js
  const scene = new THREE.Scene();

  // 创建一个有不同颜色面的立方体
  const materials = [
    new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000 }),
    new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x0000ff }),
    new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 }),
    new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff00ff }),
    new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ffff }),
    new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xffff00 })
  ];

  // 将立方体添加到场景中
  const cube = new THREE.Mesh(new THREE.BoxBufferGeometry(0.2, 0.2, 0.2), materials);
  cube.position.set(1, 1, 1);
  scene.add(cube);

  // 使用three.js设置渲染：创建渲染器、挂载相机
  const renderer = new THREE.WebGLRenderer({
    alpha: true,
    preserveDrawingBuffer: true,
    canvas: canvas,
    context: gl
  });
  renderer.autoClear = false;

  // API 直接更新相机矩阵
  // 禁用矩阵自动更新
  const camera = new THREE.PerspectiveCamera();
  camera.matrixAutoUpdate = false;


  // 使用“immersive-ar”初始化 WebXR 会话
  const session = await navigator.xr.requestSession("immersive-ar");
  session.updateRenderState({
    baseLayer: new XRWebGLLayer(session, gl)
  });

  const referenceSpace = await session.requestReferenceSpace('local');

  // 创建一个渲染循环，允许我们在 AR 视图上绘图
  const onXRFrame = (time, frame) =&gt; {
    session.requestAnimationFrame(onXRFrame);

    // 将图形帧缓冲区绑定到 baseLayer 的帧缓冲区
    gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, session.renderState.baseLayer.framebuffer)

    // 检索设备的姿态
    // XRFrame.getViewerPose 可以在会话尝试建立跟踪时返回 null
    const pose = frame.getViewerPose(referenceSpace);
    if (pose) {
      // 在移动端 AR 中，只有一个视图
      const view = pose.views[0];

      const viewport = session.renderState.baseLayer.getViewport(view);
      renderer.setSize(viewport.width, viewport.height)

      // 使用视图的变换矩阵和投影矩阵来配置 THREE.camera
      camera.matrix.fromArray(view.transform.matrix)
      camera.projectionMatrix.fromArray(view.projectionMatrix);
      camera.updateMatrixWorld(true);

      // 使用 THREE.WebGLRenderer 渲染场景
      renderer.render(scene, camera)
    }
  }
  session.requestAnimationFrame(onXRFrame);
}

async function activateXR() {

// 创建 WebGL 上下文

const canvas = document.createElement("canvas");

document.body.appendChild(canvas);

const gl = canvas.getContext("webgl", { xrCompatible: true });

// 初始化three.js

const scene = new THREE.Scene();

// 创建一个有不同颜色面的立方体

const materials = [

new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000 }),

new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x0000ff }),

new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 }),

new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff00ff }),

new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ffff }),

new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xffff00 })

];

// 将立方体添加到场景中

const cube = new THREE.Mesh(new THREE.BoxBufferGeometry(0.2, 0.2, 0.2), materials);

cube.position.set(1, 1, 1);

scene.add(cube);

// 使用three.js设置渲染：创建渲染器、挂载相机

const renderer = new THREE.WebGLRenderer({

alpha: true,

preserveDrawingBuffer: true,

canvas: canvas,

context: gl

});

renderer.autoClear = false;

// API 直接更新相机矩阵

// 禁用矩阵自动更新

const camera = new THREE.PerspectiveCamera();

camera.matrixAutoUpdate = false;

// 使用“immersive-ar”初始化 WebXR 会话

const session = await navigator.xr.requestSession("immersive-ar");

session.updateRenderState({

baseLayer: new XRWebGLLayer(session, gl)

});

const referenceSpace = await session.requestReferenceSpace('local');

// 创建一个渲染循环，允许我们在 AR 视图上绘图

const onXRFrame = (time, frame) => {

session.requestAnimationFrame(onXRFrame);

// 将图形帧缓冲区绑定到 baseLayer 的帧缓冲区

gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, session.renderState.baseLayer.framebuffer)

// 检索设备的姿态

// XRFrame.getViewerPose 可以在会话尝试建立跟踪时返回 null

const pose = frame.getViewerPose(referenceSpace);

if (pose) {

// 在移动端 AR 中，只有一个视图

const view = pose.views[0];

const viewport = session.renderState.baseLayer.getViewport(view);

renderer.setSize(viewport.width, viewport.height)

// 使用视图的变换矩阵和投影矩阵来配置 THREE.camera

camera.matrix.fromArray(view.transform.matrix)

camera.projectionMatrix.fromArray(view.projectionMatrix);

camera.updateMatrixWorld(true);

// 使用 THREE.WebGLRenderer 渲染场景

renderer.render(scene, camera)

}

session.requestAnimationFrame(onXRFrame);

}

兼容性：作为 W3C 的前沿标准，目前主要是 Chrome 在推进。市面上浏览器对 WebXR 的支持整体较弱，后面会介绍相关的兼容库和现成的解决方案。

模型观察者：model-viewer^[3]

谷歌实现的一个 web component，可用于查看 Web 上的 3D 模型并与之交互

&lt;script type="module" src="https://unpkg.com/@google/model-viewer/dist/model-viewer.min.js"&gt;&lt;/script&gt;
&lt;model-viewer src="https://modelviewer.dev/shared-assets/models/Astronaut.glb"
  ios-src="https://modelviewer.dev/shared-assets/models/Astronaut.usdz"
  alt="A 3D model of an astronaut"
  ar
  auto-rotate
  camera-controls&gt;&lt;/model-viewer&gt;

<model-viewer src="https://modelviewer.dev/shared-assets/models/Astronaut.glb"

ios-src="https://modelviewer.dev/shared-assets/models/Astronaut.usdz"

alt="A 3D model of an astronaut"

auto-rotate

camera-controls></model-viewer>

实际效果：

Unity

作为知名的 3d 游戏引擎，也有相应的 WebWR 支持库

unity-webxr-export：github.com/De-Panther/…^[4]

社区生态

XR Swim^[5]：为开发者提供了一个发布 WebXR 内容的统一平台，相当于网页端 AR/VR 应用领域的 Steam 平台。

挑战

如何保持低延迟、高精度的场景，以及快速处理数据进行渲染和展示动画的能力。
传统的通信方法速度不够快。查看场景产生的大量数据可能超出渲染限制。

WebAR

优缺点

和 WebXR 有相似的优缺点。

优点：跨平台、传播方便（ URL 的格式传播）
缺点：
- 各浏览器标准不统一
- 3D 内容加载慢，无法实现复杂的内容
- 渲染质量低
- 无法实现复杂交互（受限于浏览器传统交互方式）

WebAr 框架及关键原理

实现 AR 需要：识别、追踪和渲染
AR SDK：谷歌 AR 团队（Google AR^[6]）提供 WebARonARKit, WebARonARCore。均具备运动追踪、环境感知和光线感应等功能。
苹果：WebARonARKit^[7]（源自移动端 ARKit）
安卓：WebARonARCore^[8]（源自移动端 ARCore）
主流AR 框架：目前维护和使用比较多的是 AR.js^[9]，另外还有一些其他的：
three.ar.js：github.com/google-ar/t…^[10]
ARToolKit：www.hitl.washington.edu/artoolkit/^[11]
JSARToolKit：github.com/kig/JSARToo…^[12]
argon.js：www.argonjs.io/^[13]
awe.js：awe.media/#main^[14]
tracking.js：github.com/eduardolund…^[15]
AR.js：具备上述提到的从信息获取到处理、渲染绘制的能力。
主要是封装了：
- WebRTC：获取视频流（最关键的 API 方法是 getUserMedia() ，实时获取摄像头的视频流）
- JSARToolKit^[16]：主要提供了识别和追踪 marker 的功能。（1999 年发布，一直更新至今）
- Three.js、Babylon.js、A-Frame（这几个都是基于 WebGL 的渲染库）
用十行 HTML 就实现 AR^[17]：

&lt;script src="https://aframe.io/releases/0.8.0/aframe.min.js"&gt;&lt;/script&gt;
&lt;script src="https://cdn.rawgit.com/jeromeetienne/AR.js/1.6.0/aframe/build/aframe-ar.js"&gt;&lt;/script&gt;

&lt;body style='margin : 0px; overflow: hidden;'&gt;
 &lt;a-scene embedded arjs='sourceType: webcam;'&gt;
  &lt;a-box position='0 0.5 0' material='opacity: 0.5;'&gt;&lt;/a-box&gt;
  &lt;a-marker-camera preset='hiro'&gt;&lt;/a-marker-camera&gt;
 &lt;/a-scene&gt;
&lt;/body&gt;

<a-scene embedded arjs='sourceType: webcam;'>

<a-box position='0 0.5 0' material='opacity: 0.5;'></a-box>

<a-marker-camera preset='hiro'></a-marker-camera>

</a-scene>

</body>

效果如下：codepen 地址^[18]、识别图片地址^[19]
还有一些独立功能的框架：
- A-Frame：基于 Three.js 的开源框架，可以在 HTML 中直接配置场景，适用于简单的 3D 场景搭建
- 方式一：在前端直接处理视频流。在前端直接进行图像处理，可以用 Tracking.js 和 JSFeat。这两个库类似，都是在前端做计算机视觉的，包括提取特征点、人脸识别等。
- 方式二：前端传输视频流给后端，后端处理完毕返回结果到前端，目前有一些云识别服务就是如此。
- 识别与追踪：Tracking.js、JSFeat、ConvNetJS、deeplearn.js、keras.js 。获取到视频流之后的工作就是识别和追踪。不管是对于 native AR 还是 WebAR，目前的识别算法与框架已经非常成熟，难就难在识别之后如何跟踪，如何更好更稳定更高质量的跟踪。
- 渲染与交互：A-Frame^[20]、Three.js、Babylon.js、Pixi.js、WebGL
框架库实现原理：上面提到的 AR 框架实现原理大都如下图所示：

性能方案

把纯计算的代码移到 WebGL 的 shader 或 Web Worker 里
- 适用于事先计算或实时性要求不高的代码，如布局算法
- shader 可以用于加速只和渲染（重绘）有关的代码，无关渲染的代码放入 shader 中反而会造成重复计算
- WebGL 调用 GPU 加速
- Web Worker
WebAssembly
gpu.js^[21]
- 将简单的 JavaScript 函数转换为着色器语言并编译它们，以便它们在您的 GPU 上运行。如果 GPU 不可用，函数仍将在常规 JavaScript 中运行。
用滤波算法（比如卡尔曼滤波）将卡顿降到更小，让用户从视觉感受上似乎更流畅

市场化解决方案

Kivicube：www.kivicube.com/^[22]
- 创建 AR、VR 与 3D 场景，并在通用的 Web 平台上分享它们
- AR Quick Look：www.kivicube.com/ar-quick-lo…^[23]
- 示例：访问地址^[24]、识别图片地址
EasyAR：www.easyar.cn/^[25]
- 支持WebAR、小程序 AR、Sense 跟踪能力，还提供云识别、姿态\手势识别服务
8th Wall：www.8thwall.com/^[26]
- 集创造、协作和发布增强现实项目于一体的平台，不需要第三方软件，服务器设置或外部工具，只需登录，编码，然后点击发布
- 创建了一个端到端云解决方案，用于创建、协作和即时发布基于浏览器的 WebAR 项目
- 示例：github.com/8thwall/web…^[27]
Apple AR Quick Look：www.kivicube.com/ar-quick-lo…^[28]
- 给开发者提供了便捷的3D模型预览和分享的工具
- iPhone 和 iPad 的应用程序或者网站中嵌入 Quick Look 视图，以 3D 或 AR 形式显示虚拟对象的 USDZ 文件

扩展

企业 AR：2021 年的 7 个实际用例：arvrjourney.com/enterprise-…^[29]
- 主流领域：远程协助、医疗诊断、销售、培训、物流、制造、原型设计

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