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元宇宙下的前端现状

元宇宙下的前端现状

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
    • 相关 API 示例:immersive-web.github.io/webxr-sampl…
    • 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) => {
    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);
}
复制代码
  • 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

  • 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
<script type="module" src="https://unpkg.com/@google/model-viewer/dist/model-viewer.min.js"></script>
<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></model-viewer>
复制代码
  • 实际效果:

Unity

作为知名的 3d 游戏引擎,也有相应的 WebWR 支持库

社区生态

  • XR Swim: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

<script src="https://aframe.io/releases/0.8.0/aframe.min.js"></script>
<script src="https://cdn.rawgit.com/jeromeetienne/AR.js/1.6.0/aframe/build/aframe-ar.js"></script>

<body style='margin : 0px; overflow: hidden;'>
	<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>
复制代码
  • 效果如下: codepen 地址识别图片地址

  • 还有一些独立功能的框架:

    • 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。
      • 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。
    • 渲染与交互A-Frame、Three.js、Babylon.js、Pixi.js、WebGL
      • 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
  • 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
    • WebGL 调用 GPU 加速
      • 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
    • Web Worker
      • 适用于事先计算或实时性要求不高的代码,如布局算法
  • WebAssembly
  • gpu.js
    • 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/
  • EasyAR:www.easyar.cn/
    • 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/
    • 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…
  • Apple AR Quick Look:www.kivicube.com/ar-quick-lo…
    • 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-…
    • 主流领域:远程协助、医疗诊断、销售、培训、物流、制造、原型设计

相关资料

文章分类
前端