全景虚拟漫游实现(three.js)

全景虚拟漫游其实看到很多例子，比如地图上的全景，校园的全景，之前在朋友圈流行转发的公司全景。但真的想起来要去研究或者实现一下，是前几日说工作上可能会有这样的一个需求。觉悟来得太晚，好奇心也不够重，这么好玩新奇的东西怎么一开始没想到去尝试呢？

由于对这方面的了解是一篇空白的，于是直接在google里搜，发现资料很少，说的稍微全一些的就属《打造H5里的“3D全景漫游”秘籍 》。几种方案中，打算决定采用ThreeJS，因为之前也稍微看过一点，也打算学习，这正好是一个机会。但是看到这篇里面的教程其实说的比较含糊，关键步骤应该都展示出来了，但是没有完整的代码还是不能让我有个很好的概念的。然后，我就愣住了。。。直到我问了一下公司的同事，他告诉我ThreeJS官网有现成的例子！！！ 一下子又被自己的智商惊呆了。。。还是没有养成什么都先去官网看看的习惯。

本文以官网的例子为例，具体分析全景虚拟漫游的原理和实现细节。

基本概念

用自己的话来说，ThreeJS是一个3D的JS库，封装了WebGL的功能。而WebGL（Web Graphic Library）又是什么呢，简而言之，就是在浏览器端开发3D图形相关的程序的一个库或者说一个标准。

开发3D程序的过程好比拍照或者录制视频，首先要有场景，然后场景中可能有几个物体，接着把相机放置在某处，并且摆放好位置对准某个地方，这样就能记录下来了。想要在浏览器中显示出来，还需要一个渲染器。至于渲染器到底做了什么或者原理是什么，我们可能先不要管。总的来说，相机，场景，渲染器是开启一个3D程序必须的三个要素。三者的关系如下图所示（虽然我对这张图不是特别得满意，但没有找到其他合适的，将就着用）。

入门例子

直接上个简单例子。

//创建场景var scene = new THREE.Scene();//创建透视相机var camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth/window,innerHeight, 1, 1000);//创建一个渲染器，添加到body元素中var renderer = new THREE.WebGLRenderer();document.body.appendChild(renderer.domElement);//创建一个物体，几何+材质 =》三维物体var geometry = new THREE.CubeGeometry(1,1,1);var material = new THREE.MeshBasicMaterial({color: 0x00ff00});var cube = new THREE.Mesh(geometry, material);//将物体添加到场景中scene.add(cube); //定义渲染函数    function render(){     requestAnimationFrame(render);     cube.rotation.x += 0.1;     cube.rotation.y += 0.1;     renderer.render(scene, camera);}//实时渲染 render();

这样就创建了一个渲染的立方体的3D程序，是不是挺简单的。

其中需要稍微说一下的是，相机创建的时候带的那些参数。相机分为正交相机和透视相机。透视相机下的世界是真实的效果，有着远小近大的关系。如下图，你很容易看出二者的区别。

透视相机的参数如下

PerspectiveCamera( fov, aspect, near, far )fov — Camera frustum（截面椎体） vertical field of view.aspect — Camera frustum aspect ratio.near — Camera frustum near plane.far — Camera frustum far plane.

用张图直观地表示。

全景虚拟漫游分析

人的眼睛其实就相当于相机。那么做虚拟漫游重点就在于如何构造720度无死角的场景，而相机处于正中间，也就是坐标系原点（未必，但这样更方便）。由于人在不同的方向看到的最远距离是一样，所以理论上全景相对于人眼来说，是一个球形。但是如果将场景映射到球形上，似乎有些复杂。这里我们把全景抽象出一个立方体，对我们来说有上下左右前后六个面。原理分析清楚了，关键的问题就是如下几个了：

• 如何把六张图片拼接成一个立方体
• 渲染器如何将立方体的效果处理得逼真
• 如何表示和实现相机角度的移动

首先我们要清楚，ThreeJS使用的坐标系是右手坐标系， x轴向右，y轴向上，z轴向前。创建相机或者物体时的默认位置是坐标系的原点。所以想要把六张图拼接成一个立方体，只要进行一些平移旋转变化就行了。主要注意的是，图片的朝向要一致向原点，这样相机才能都看得到。

至于渲染器如何把立方体变成全景漫游的效果，ThreeJS作者新定义了一个渲染器叫CSS3DRenderer封装渲染的过程。我大概看了一点，没太看懂，感觉大致是用CSS3的translate3d，scale属性将图片进行变形，以达到迷惑人眼的效果。

搜了一些资料，因为一直有点不明白为什么cubemap可以实现全景图的效果，原来是因为实现了球面到立方体的映射。如下图，

至于这样的图片是怎么做出来，就涉及到图像处理以及算法的问题了，暂时不在本文的考虑范围内。下图是一张完整的cubemap图。

最后一个问题，相机角度的移动明确地说是相机聚焦点的移动。此时，我们可以把720度的场景抽象出一个球。由于相机的焦距是确定的，只要确定相机的角度也就确定了相机的聚焦点。只要确定经度纬度即可确定角度，然后通过一些数学计算算出最后的聚焦点位置。而场景的运动是由相机视角的变动而相对运动起来的。所以当鼠标在横向移动时，经度跟着移动；而在鼠标纵向移动时，纬度进行变化。直角坐标与球坐标的转化关系为（以左手坐标系为例）：

  x = r*sin( theta  ) *cos( phi);  z = r*cos( theta );  y = r*sin( theta ) * sin( phi );

全景虚拟漫游实现

结合上述的分析，以下代码是官网的代码，加上了注释。

 <script src="js/three.js"></script> <script src="js/renderers/CSS3DRenderer.js"></script> <script> //定义相机，场景，渲染器，是3D场景形成的三大要素 var camera, scene, renderer; //定义几何体，材质，以及几何体加材质之后形成的网格 var geometry, material, mesh; //生成三维向量（0,0,0），相机的目标点 var target = new THREE.Vector3(); //lon 经度 竖着的 有东经 西经 ；lat 维度 横着的 有南纬 北纬 //该经纬表示相机的聚焦点，初始状态在前面 var lon = 90, lat = 0; //同样是相机的聚焦点，上面是角度，此处转化为弧度制 var phi = 0, theta = 0; //移动端用户输入的x，y  var touchX, touchY; init(); animate(); function init() {     //相机的默认位置在坐标系的原点     camera = new THREE.PerspectiveCamera( 75, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000 );     scene = new THREE.Scene();     //右手坐标系，z朝向观察者，即相机。下面是将六个面拼接成立方体，分别对应     var sides = [         {             url: 'res/Bridge2/posx.jpg', //左侧             position: [ -512, 0, 0 ],             rotation: [ 0, Math.PI / 2, 0 ]         },         {             url: 'res/Bridge2/negx.jpg', //右侧             position: [ 512, 0, 0 ],             rotation: [ 0, -Math.PI / 2, 0 ]         },         {             url: 'res/Bridge2/posy.jpg', //上侧             position: [ 0,  512, 0 ],             rotation: [ Math.PI / 2, 0, Math.PI  ]         },         {             url: 'res/Bridge2/negy.jpg', //下侧             position: [ 0, -512, 0 ],             rotation: [ -Math.PI / 2, 0, Math.PI ]         },         {             url: 'res/Bridge2/posz.jpg', //前             position: [ 0, 0,  512 ],             rotation: [ 0, Math.PI, 0 ]         },         {             url: 'res/Bridge2/negz.jpg', //后             position: [ 0, 0, -512 ],             rotation: [ 0, 0, 0 ]         }     ];    //将六个图片添加到场景中     for ( var i = 0; i < sides.length; i ++ ) {         var side = sides[ i ];         var element = document.createElement( 'img' );         element.width = 1026; // 2 pixels extra to close the gap.         element.src = side.url;         //CSS3DObject 是拓展出去的方法，原型是object3D，见CSS3DRenderer.js         var object = new THREE.CSS3DObject( element );         object.position.fromArray( side.position );         object.rotation.fromArray( side.rotation );         scene.add( object );     }     //渲染器也是拓展出来的方法，见CSS3DRenderer.js     renderer = new THREE.CSS3DRenderer();     renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );     document.body.appendChild( renderer.domElement );     //添加鼠标，手势，窗口事件     document.addEventListener( 'mousedown', onDocumentMouseDown, false );     document.addEventListener( 'wheel', onDocumentMouseWheel, false );     document.addEventListener( 'touchstart', onDocumentTouchStart, false );     document.addEventListener( 'touchmove', onDocumentTouchMove, false );     window.addEventListener( 'resize', onWindowResize, false ); } function onWindowResize() {     //窗口缩放的时候，保证场景也跟随着一起缩放     camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;     camera.updateProjectionMatrix();     renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight ); } function onDocumentMouseDown( event ) {     event.preventDefault();     //保证监听拖拽事件     document.addEventListener( 'mousemove', onDocumentMouseMove, false );     document.addEventListener( 'mouseup', onDocumentMouseUp, false ); } function onDocumentMouseMove( event ) {     //鼠标的移动距离  currentEvent.movementX = currentEvent.screenX - previousEvent.screenX     var movementX = event.movementX || event.mozMovementX || event.webkitMovementX || 0;     var movementY = event.movementY || event.mozMovementY || event.webkitMovementY || 0;     lon -= movementX * 0.1;     lat += movementY * 0.1; } function onDocumentMouseUp( event ) {     //保证监听拖拽事件     document.removeEventListener( 'mousemove', onDocumentMouseMove );     document.removeEventListener( 'mouseup', onDocumentMouseUp ); } function onDocumentMouseWheel( event ) {     //相机的视觉随着鼠标滚动的距离拉进或者远离     camera.fov += event.deltaY * 0.05;     camera.updateProjectionMatrix(); } function onDocumentTouchStart( event ) {     event.preventDefault();     //移动端没有movement，所以直接用touchX touchY去计算移动的距离     var touch = event.touches[ 0 ];     touchX = touch.screenX;     touchY = touch.screenY; } function onDocumentTouchMove( event ) {     event.preventDefault();     var touch = event.touches[ 0 ];     lon -= ( touch.screenX - touchX ) * 0.1;     lat += ( touch.screenY - touchY ) * 0.1;     touchX = touch.screenX;     touchY = touch.screenY; } //开启动画 function animate() {     requestAnimationFrame( animate );     lon +=  0.1;     lat = Math.max( - 85, Math.min( 85, lat ) );     phi = THREE.Math.degToRad( 90 - lat ); //角度转为弧度制     theta = THREE.Math.degToRad( lon );     //在球坐标系中算出相机的聚焦点的坐标     target.x = Math.sin( phi ) * Math.cos( theta );     target.y = Math.cos( phi );     target.z = Math.sin( phi ) * Math.sin( theta );     camera.lookAt( target );     renderer.render( scene, camera ); }

参考文献：
https://threejs.org/ ThreeJS官网
https://isux.tencent.com/3d.html 打造H5里的“3D全景漫游”秘籍
http://www.hewebgl.com/article/getarticle/27 WebGL中文网ThreeJS教程
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%90%83%E5%BA%A7%E6%A8%99%E7%B3%BB 球坐标系
http://stackoverflow.com/questions/29678510/convert-21-equirectangular-panorama-to-cube-map