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 );