元宇宙探索之路

凹凸實驗室發表於2022-03-31
元宇宙

前言

元宇宙正在如火如荼地發展，大有引領未來潮流之勢。對於我們這麼專業的（web 前端）團隊來說，元宇宙是一個大 (wan) 顯 (quan) 身 (bu) 手 (dong) 的領域，因此團隊在這方面投入了很多人力進行預研和總結，請隨本文一起踏入元宇宙的神祕世界。

元宇宙與 3D

元宇宙，或稱為後設宇宙、形上宇宙、元界、魅他域、超感空間、虛空間，是一個聚焦於社交連結的 3D 虛擬世界之網路。關於元宇宙的討論，主要是探討一個持久化和去中心化的線上三維虛擬環境。此虛擬環境將可以通過虛擬現實眼鏡、擴增實境眼鏡、手機、個人電腦和電子遊戲機進入人造的虛擬世界。
以上維基百科對於元宇宙的解釋。

相信大家和我一樣依然看得一頭霧水。或許我們此時還是不明白何為元宇宙，但是由此引出了一個重要的概念—— 3D 虛擬世界。

3D 虛擬世界 這個詞，可以拆分成 3 個單詞來理解：3D、虛擬、世界。3D 即三維，是指在平面二維繫中又加入了一個方向向量構成的空間系；虛擬即使用模型等技術構建的仿實物或偽實物；世界則是由很多虛擬物質構成的事物的總和，即一個個或大或小的虛擬場景。

在元宇宙發展的過程中，涉及到的模型設計製作、場景搭建，都離不開 3D 技術，可以說 3D 技術是元宇宙發展的基石。因此在元宇宙的探索之路上，邁出去的第一步也必然是 3D 技術研究。

3D 技術選型

未入門即勸退的 WebGL

WebGL 是一種 3D 繪圖協議，也是一個 JavaScript API，可在任何相容的 Web 瀏覽器中渲染高效能的互動式 3D 和 2D 圖形，而無需使用外掛。換句話說，WebGL 是在瀏覽器上執行 3D 效果的基礎。

但是 WebGL 的入門門檻足夠勸退大部分開發者。從最基本的著色器開始，還需要我們去學習影像處理、空間處理、矩陣運算、甚至是幾何邏輯等。

我們團隊的小夥伴做過一個 WebGL 分享，其中光是實現一個 WebGL 版本的 Hello World，就超過了四十餘行程式碼，更別說程式碼裡需要涉及的概念：

const canvas = document.querySelector('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');
const vertex = `
  attribute vec2 position;
  void main() {
    gl_Position = vec4(position, 1.0, 1.0);
  }
`;
const fragment = `
  precision mediump float;
  void main()
  {
    gl_FragColor = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  }    
`;
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertex);
gl.compileShader(vertexShader);
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragment);
gl.compileShader(fragmentShader);
const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
gl.useProgram(program);
const points = new Float32Array([
  -1, -1,
  0, 1,
  1, -1,
]);
const bufferId = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, bufferId);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, points, gl.STATIC_DRAW);
const vPosition = gl.getAttribLocation(program, 'position');
gl.vertexAttribPointer(vPosition, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(vPosition);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, points.length / 2);

所以如果使用 WebGL 從零開始，無疑是非常艱難的挑戰。於是我們把目光投向了 3D 引擎。

抱有幻想的 3D 引擎

我們可以把 3D 引擎看成是一個封裝了 3D API、圖形通用演算法、底層演算法的工具。通常 3D 引擎都搭配有具備視覺化操作介面的編輯器，即便是從零開始，通過建立 3D 型別的節點，甚至只需要拖動編輯器上的 3D 模型，我們就可以快速的搭建一個 3D 場景。相比於晦澀難懂的 WebGL，3D 引擎對於初學者無疑更友好。

Unity 3D

Unity 3D 可以說是市面上使用率最高的 3D 引擎，它具有生態好、功能支援全面、專案優化好等等優點。但是！它可以做到現在的市場規模與地位，隱藏在它背後成功的商業模式功不可沒，遺憾的是，它是收費的，而且價格不菲。在沒有產生經濟效益的預研階段，我們不希望投入太大的經濟成本，因而放棄。

以下是使用 Unity 3D 完成的 Demo 效果：

LayaBox

LayaBox 是一個國產的遊戲引擎品牌，旗下的 LayaAir 支援 JS、TS 等語言，且可以相容使用 Unity 3D 匯出的地形、元件、物理引擎、動畫、攝影機和粒子等元素，因此一個不成熟的想法油然而生，使用 Unity 3D 編輯然後匯出場景，然後使用 LayaAir 繫結互動事件後打包釋出，這樣就可以完美的避開授權費用了？但是很可惜，我們經過嘗試後發現，Layabox 的免費範圍也僅針對 IDE 基礎功能，對於後邊可能用到的 IDE 企業會員專屬功能，也是收費的，且官方要求的在首頁註明「Powered by LayaAir Engine」，這與我們的商業標準不符，所以也告別了商用的可能性。

Egret

Egret 也是一款國產的遊戲引擎，它一開始就專注 h5 開發，在 h5 方面支援較好，但是它原本是專注於 2D 領域的，在 3D 方向起步較晚，很多官方的文件都還不健全，因此上手難度較大，遇到問題只能摸著石頭過河，遂 pass。

Godot

Godot 是一款完全免費的遊戲引擎，它支援跨平臺編輯與釋出，但是在打包釋出到 h5 頁面後，我們發現它打包出來的模型檔案較大，這對於移動端載入體驗來說是比較致命的問題；而且渲染效果也較為粗糙，模型渲染出現了比較明顯的鋸齒現象；H5 匯出格式支援 WebAssembly 和 WebGL，但是 WebGL 尚不支援任何 IOS 的瀏覽器。以上種種都不符合我們對元宇宙的預期，因此也只能無奈放棄。

為方便對比，我們做了以下表格進行總結：

引擎名稱使用價格指令碼語言支援模型格式
Unity 3d每年1800$（個人）C#.fbx、.dae、.3ds、.dxf、.obj
Egret免費TypeScript.obj、.gltf
Godot免費GDScript.obj、.dae、.gltf、.escn、.fbx
Layabox免費TS\JS\AS3.fbx、.dae、.3ds、.dxf、.obj

至此，3D 引擎幻想泡滅。

回首擁抱的 BabylonJS

其實除了上述 3D 引擎，我們一開始就想到的還包括 BabylonJs 和 ThreeJs 這兩個主流的 3D 框架。作為市面上比較流行的 3D 框架，它們的文件完善度和學習資源豐富度都沒有問題。而在這兩者的對比上，我們覺得 ThreeJS 與其說是框架，不如說是一個庫，它對 WebGL 進行了封裝，將複雜的介面簡單化，將物件結構資料化，的確是個不錯的選擇；而相較而言，BabylonJS 在模組化層面則更清晰，也更像是一個框架，並且它擁有不亞於 ThreeJS 豐富度的學習資源，最終成為了我們團隊敲定的技術選型。

開展工作

頭腦風暴

作為大促開發團隊，我們希望 3D 預研成果能夠最終落地到我們的活動。因此在作品定向的討論上，我們最終敲定了要實現一個虛擬商場。3D 人物模型可以在一個佈滿各種商品的 3D 商場中行走，它可以運動到心儀的商品前進行預覽，甚至可是實現不同 3D 場館的切換。

素材格式

在明確了作品方向後，我們需要視覺同學提供相關的模型素材。

在眾多的 3D 模型格式中，我們最後選擇了 .gltf 格式。相對於其他模型格式，.gltf 可以減少 3D 格式中與渲染無關的的冗餘資料，從而確保檔案體積更小。目前 3D 素材相對來說都比較大，這對於移動端載入體驗來說，無疑是致命的。因此擁有更小體積的格式，也擁有了更高的優先選擇權。

除此之外，.gltf 是對近二十年來各種 3D 格式的總結，使用最優的資料結構，從而保證最大的相容性以及可伸縮性，在擁有大容量的同時，支援更多的擴充，比如支援多貼圖、多動畫等。

所以 .gltf 成為了我們與視覺約定好的唯一素材格式。

開發痛點

  1. 模型邊界

    • 問題描述：沒有判斷模型邊界，導致模型可以超過合理範圍去放大與縮小。
    • 解決方式：從設計規範出發，開發與設計對齊規範，嚴格按照統一尺度輸出模型。

  2. 碰撞檢測

    • 問題描述：沒有做好碰撞檢測，導致人物模型可以穿透場景模型。
    • 解決方式：除了輸出常規顯示的模型，還需要輸出不用於顯示的低模，利用低模來實現碰撞檢測，降低碰撞的計算量；新增尋路系統，當運動模型自動行走時，可以自動繞開障礙物模型。
    • 優化前：
    • 優化後：

  3. 場景切換

    • 問題描述：場景切換時，鏡頭會旋轉。
    • 解決方式：切換場景時，需要對不展示的場景關閉控制。需要注意的是，在初始化場景時，通常會伴隨著初始化控制，最好在構建函式的最後關閉控制，在當前場景下再開啟控制，保證場景控制的唯一性。

  4. 記憶體開支嚴重

    • 問題描述：記憶體佔用率大，遊戲執行一段時間後，手機會有發熱和卡頓等現象。
    • 解決方式：控制記憶體開銷，切換場景時，清空其他場景，避免無效的記憶體佔用。
    • 優化前：
    • 優化後：

作品展示

場景切換：

商品材質切換：

歡迎大家檢視連結 預覽連結

小結

元宇宙是一個很龐大的概念，此時只是萌芽階段，正如我們的探索，必然也存在許多不成熟的地方。但我們相信這是未來的一個方向，也相信我們的產品形態會日益豐富與成熟。

讓我們共同期待！

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