Three.js系列: 在元宇宙看电影，享受 VR 视觉盛宴

本文 gihtub 地址: https://github.com/hua1995116/Fly-Three.js

最近元宇宙的概念很火，并且受到疫情的影响，我们的出行总是受限，电影院也总是关门，但是在家里又没有看大片的氛围，这个时候我们就可以通过自己来造一个宇宙，并在 VR 设备（Oculus 、cardboard）中来观看。

今天我打算用 Three.js 来实现个人 VR 电影展厅，整个过程非常的简单，哪怕不会编程都可以轻易掌握。

想要顶级的视觉盛宴，最重要的肯定是得要一块大屏幕，首先我们就先来实现一块大屏幕。

大屏幕的实现主要有两种几何体，一种是 PlaneGeometry 和 BoxGeometry，一个是平面，一个是六面体。为了使得屏幕更加有立体感，我选择了 BoxGeometry。

老样子，在添加物体之前，我们先要初始化我们的相机、场景和灯光等一些基础的元件。

const scene = new THREE.Scene();

// 相机
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(
    75,
    sizes.width / sizes.height,
    0.1,
    1000
)
camera.position.x = -5
camera.position.y = 5
camera.position.z = 5
scene.add(camera);

// 添加光照
const ambientLight = new THREE.AmbientLight(0xffffff, 0.5)
scene.add(ambientLight)

const directionalLight = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 0.5)
directionalLight.position.set(2, 2, -1)

scene.add(directionalLight)

// 控制器
const controls = new OrbitControls(camera, canvas);
scene.add(camera);

然后来写我们的核心代码，创建一个 5 * 5 的超薄长方体

const geometry = new THREE.BoxGeometry(5, 5, 0.2);
const cubeMaterial = new THREE.MeshStandardMaterial({
    color: '#ff0000'
});
const cubeMesh = new THREE.Mesh(geometry, cubeMaterial);
scene.add(cubeMesh);

效果如下:

然后紧接着加入我们的视频内容，想要把视频放入到3d场景中，需要用到两样东西，一个是 html 的 video 标签，另一个是 Three.js 中的视频纹理 VideoTexture

第一步将视频标签放入到 html 中，并设置自定播放以及不让他显示在屏幕中。

...
<canvas class="webgl"></canvas>
<video 
  id="video"
  src="./pikachu.mp4"
  playsinline
  webkit-playsinline
  autoplay
  loop
  style="display:none"
  ></video>
...

第二步，获取到 video 标签的内容将它传给 VideoTexture，并且纹理赋给我们的材质。

+const video = document.getElementById( 'video' );
+const texture = new THREE.VideoTexture( video );

const geometry = new THREE.BoxGeometry(5, 5, 0.2);
const cubeMaterial = new THREE.MeshStandardMaterial({
-    color: '#ff0000'
+    map: texture
});
const cubeMesh = new THREE.Mesh(geometry, cubeMaterial);
scene.add(cubeMesh);

我们看到皮神明显被拉伸了，这里就出现了一个问题就是纹理的拉伸。这也很好理解，我们的屏幕是 1 : 1 的，但是我们的视频却是 16:9 的。想要解决其实也很容易，要么就是让我们的屏幕大小更改，要么就是让我们的视频纹理渲染的时候更改比例。

第一种方案很简单

通过修改几何体的形状（也及时我们显示器的比例）

const geometry = new THREE.BoxGeometry(8, 4.5, 0.2);
const cubeMaterial = new THREE.MeshStandardMaterial({
    map: texture
});
const cubeMesh = new THREE.Mesh(geometry, cubeMaterial);
scene.add(cubeMesh);

第二种方案稍微有点复杂，需要知道一定的纹理贴图相关的知识

图1-1

首先我们先要知道纹理坐标是由 u 和 v 两个方向组成，并且取值都为 0 - 1。通过在 fragment shader 中，查询 uv 坐标来获取每个像素的像素值，从而渲染整个图。

因此如果纹理图是一张16:9 的，想要映射到一个长方形的面中，那么纹理图必要会被拉伸，就像我们上面的视频一样，上面的图为了表现出电视机的厚度所以没有那么明显，可以看一下的图。（第一张比较暗是因为 Three.js 默认贴图计算了光照，先忽略这一点）

我们先来捋一捋，假设我们的图片的映射是按照 图1-1，拉伸的情况下 (80,80,0) 映射的是 uv(1，1 )，但是其实我们期望的是点(80, 80 * 9/16, 0) 映射的是 uv(1,1)，所以问题变成了像素点位 (80, 80 * 9/16, 0) 的uv值 如何变成 (80, 80, 0) 的uv 值，更加简单一些就是如何让 80 * 9 / 16 变成 80，答案显而易见，就是 让 80 * 9 / 16 像素点的 v 值 乘以 16 / 9，这样就能找到了 uv(1,1) 的像素值。然后我们就可以开始写 shader 了。

// 在顶点着色器传递 uv
const vshader = `
varying vec2 vUv;

void main() {
  vUv = uv;

  gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
}
`

// 核心逻辑就是 vec2 uv = vUv * acept; 
const fshader = `
varying vec2 vUv;

uniform sampler2D u_tex;
uniform vec2 acept;

void main()
{
  vec2 uv = vUv * acept;
  vec3 color = vec3(0.3);
  if (uv.x>=0.0 && uv.y>=0.0 && uv.x<1.0 && uv.y<1.0) color = texture2D(u_tex, uv).rgb;
  gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
}
`

然后我们看到我们画面已经正常了，但是在整体屏幕的下方，所以还差一点点我们需要将它移动到屏幕的中央。

移动到中央的思路和上面差不多，我们只需要注重边界点，假设边界点 C 就是让 80 * ( 0.5 + 9/16 * 0.5 ) 变成 80 ，很快我们也可能得出算是 C * 16/9 - 16/9 * 0.5 + 0.5 = 80

然后来修改 shader，顶点着色器不用改，我们只需要修改片段着色器。

const fshader = `
varying vec2 vUv;

uniform sampler2D u_tex;
uniform vec2 acept;

void main()
{
  vec2 uv = vec2(0.5) + vUv * acept - acept*0.5;
  vec3 color = vec3(0.0);
  if (uv.x>=0.0 && uv.y>=0.0 && uv.x<1.0 && uv.y<1.0) color = texture2D(u_tex, uv).rgb;
  gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
}
`

好了，到现在为止，我们的图像显示正常啦~

那么 Three.js 中的 textureVideo 到底是如何实现视频的播放的呢？

通过查看源码（https://github.com/mrdoob/three.js/blob/6e897f9a42d615403dfa812b45663149f2d2db3e/src/textures/VideoTexture.js）源码非常的少，VideoTexture 继承了 Texture ，最大的一点就是通过 requestVideoFrameCallback 这个方法，我们来看看它的定义，发现 mdn 没有相关的示例，我们来到了 w3c 规范中寻找 https://wicg.github.io/video-rvfc/

这个属性主要是获取每一帧的图形，可以通过以下的小 demo 来进行理解

<body>
  <video controls></video>
  <canvas width="640" height="360"></canvas>
  <span id="fps_text"/>
</body>

<script>
  function startDrawing() {
    var video = document.querySelector('video');
    var canvas = document.querySelector('canvas');
    var ctx = canvas.getContext('2d');

    var paint_count = 0;
    var start_time = 0.0;

    var updateCanvas = function(now) {
      if(start_time == 0.0)
        start_time = now;

      ctx.drawImage(video, 0, 0, canvas.width, canvas.height);

      var elapsed = (now - start_time) / 1000.0;
      var fps = (++paint_count / elapsed).toFixed(3);
      document.querySelector('#fps_text').innerText = 'video fps: ' + fps;

      video.requestVideoFrameCallback(updateCanvas);
    }

    video.requestVideoFrameCallback(updateCanvas);

    video.src = "http://example.com/foo.webm"
    video.play()
  }
</script>
折叠 

通过以上的理解，可以很容易抽象出整个过程，通过 requestVideoFrameCallback 获取视频每一帧的画面，然后用 Texture 去渲染到物体上。

然后我们来加入 VR 代码， Three.js 默认给他们提供了建立 VR 的方法。

// step1 引入 VRButton
import { VRButton } from 'three/examples/jsm/webxr/VRButton.js';
// step2 将 VRButton 创造的dom添加进body 
document.body.appendChild( VRButton.createButton( renderer ) );
// step3 设置开启 xr
renderer.xr.enabled = true;
// step4 修改更新函数
renderer.setAnimationLoop( function () {
	renderer.render( scene, camera );
} );

由于 iphone 太拉胯不支持 webXR ，特地借了台安卓机（安卓机需要下载 Google Play、Chrome 、Google VR），添加以上步骤后，就会如下显示：

点击 ENTER XR 按钮后，即可进入 VR 场景。

然后我们我们可以再花20块钱就可以买个谷歌眼镜 cardboard。体验地址如下：

https://fly-three-js.vercel.app/lesson03/code/index4.html

或者也可以像我一样买一个 Oculus 然后躺着看大片

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