不到30行代码实现一个酷炫H5全景
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2021-07-04 06:32
（给前端大学加星标，提升前端技能.）
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：
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：
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：
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。
作者：azuo
https://juejin.cn/post/6968263858309824526
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