Cardboard与gaze注视
Cardboard可以说是手机VR头显的元老了，狭义上指的是Google推出的一个带有双凸透镜的盒子，广义上则表示智能手机+盒子的VR体验平台。
它的交互方式较为简单，利用了手机的陀螺仪，采用gaze注视行为来触发场景里的事件，比如用户在虚拟商店中注视一款商品时，弹出这个商品的价格信息。
注视事件是WebVR最基本的交互方式，用户通过头部运动改变视线朝向，当用户视线正对着物体时，触发物体绑定的事件，具体分为三个基本事件，分别是gazeEnter,gazeTrigger,gazeLeave。
我们可以设置一个位于相机中心的准心来描述这三个基本事件（准确的说，在VR模式下是两个，分别位于左右相机的中心）
- gazeEnter：当准心进入物体时，即用户注视了物体，触发一次
- gazeLeave：当准心离开物体时，即用户停止注视该物体时，触发一次
- gazeTrigger：当准心处于物体时触发，不同于gazeEnter，gazeTrigger会在每一帧刷触发，直到准心离开物体
注视事件原理
注视事件触发条件其实就是物体被用户视线“击中”。在每帧动画渲染中，从准心处沿z轴负方向发出射线，如果射线与物体相交，即物体被射线击中，说明前方的物体被用户注视，这里使用Three提供的raycaster对象,对场景里的3d物体进行射线拾取。
下面是使用THREE.Raycaster拾取物体的简单例子:
// 创建射线发射器实例raycaster
const raycaster = new THREE.Raycaster();
raycaster.setFromCamera(origin,camera); // 设置射线源点
raycaster.intersectObjects(targetList); // 检测targetList的object物体是否与射线相交
if (intersects.length > 0) {
// 获取从源点触发，与射线相交的首个物体
const target = intersects[0].object;
// TODO
}
主要分为三步：
-
new THREE.Raycaster()创建一个射线发射器； - 调用
.setFromCamera(origin,camera)设置射线发射源位置，第一个参数origin传入NDC标准化设备坐标，即归一化的屏幕坐标，第二个参数传入相机，此时射线将在屏幕的origin处，沿垂直于相机的近切面的方向进行投射； - 调用
.intersectObjects(targetList)检测targetList的物体是否相交
Raycaster借鉴了光线投射法进行物体拾取，更多用法可参考three.js官方文档
gazeEnter, gazeLeave, gazeTrigger实现
根据上文对gaze基本事件的描述，现在开始创建注视监听器Gazer类，提供事件绑定on、解绑off、更新update的公用方法，物体可注册gazeEnter,gazeLeave,gazeTrigger事件回调，以下是完整代码。
// 注视事件监听器
class Gazer {
constructor() {
// 初始化射线发射源
this.raycaster = new THREE.Raycaster();
this._center = new THREE.Vector2();
this.rayList = {},this.targetList = [];
this._lastTarget = null;
}
/** 物体绑定gaze事件的公用方法
* @param {THREE.Object3D} target 监听的3d网格
* @param {String} eventType 事件类型
* @param {Function} callback 事件回调
**/
on(target, eventType, callback) {
const noop = () => {};
// target首次绑定事件，则创建监听对象，加入raylist监听列表，并将三个基本事件的回调初始为空方法
if (!this.rayList[target.id]) this.rayList[target.id] = { target, gazeEnter: noop, gazeTrigger: noop, gazeLeave: noop };
// 根据传入的 eventType与callback更新事件回调
this.rayList[target.id][eventType] = callback;
this.targetList = Object.keys(this.rayList).map(key => this.rayList[key].target);
}
off(target) {
delete this.rayList[target.id];
this.targetList = Object.keys(this.rayList).map(key => this.rayList[key].target);
}
update(camera) {
if (this.targetList.length <= 0) return;
//更新射线位置
this.raycaster.setFromCamera(this._center,camera);
const intersects = this.raycaster.intersectObjects(this.targetList);
if (intersects.length > 0) { // 当前帧射线击中物体
const currentTarget = intersects[0].object;
if (this._lastTarget) { // 上一帧射线击中物体
if (this._lastTarget.id !== currentTarget.id) { // 上一帧射线击中物体与当前帧不同
this.rayList[this._lastTarget.id].gazeLeave();
this.rayList[currentTarget.id].gazeEnter();
}
} else { // 上一帧射线未击中物体
this.rayList[currentTarget.id].gazeEnter(); // 触发当前帧物体的gazeEnter事件
}
this.rayList[currentTarget.id].gazeTrigger(); // 当前帧射线击中物体，触发物体的gazeTrigger事件
this._lastTarget = currentTarget;
} else { // 当前帧我击中物体
if ( this._lastTarget ) this.rayList[this._lastTarget.id].gazeLeave(); // 触发上一帧物体gazeLeave
this._lastTarget = null;
}
}
}
下面一起来看Gazer实现的三步曲，这里用“击中”表示射线与物体相交。
第一步，使用构造函数constructor初始化：
- 初始化射线发射器
raycaster实例； - 创建
rayList以记录注册gaze事件的物体对象； - 创建
lastTarget记录前一帧被射线击中的物体，初始为null。
第二步，创建on方法提供事件绑定API
通过调用gazer.on(target,eventType,callback)方式，传入绑定事件的Obect3D对象target，绑定事件类型eventType以及事件回调callback三个参数。
- 判断这个target是否存在，不存在，则创建一个监听对象，存在则更新对象里的事件函数。这个对象包括传入的target本身，以及三个基本事件的回调函数（初始值为空方法）：
this.rayList[target.id] = {
target,
gazeEnter,
gazeTrigger,
gazeLeave
}
将这个对象以键值对形式赋值给raylist[target.id]监听序列对象；
- 将
raylist对象处理成[ target1, ..., targetN ]的形式赋值给this.targetList，作为raycaster.intersectObjects的入参。
第三步，创建update方法，在动画帧中监听三个基本事件是否触发
- 调用
raycaster.setFromCamera更新射线起点与方向； - 调用
raycaster.intersectObjects检测监听序列this.targetList是否有物体与射线相交； - 根据
gazeEnter和gazeLeave和gazeTrigger实现的情况，总结了以下这三个事件触发的逻辑图。
逻辑图里的三个条件用代码表示如下：
当前帧射线是否击中物体：
if (intersects.length > 0)
上一帧射线是否击中物体：if (this._lastTarget)
当前帧射线击中物体是否与上一帧不同：if (this._lastTarget.id !== currentTarget.id)
if (intersects.length > 0) { // 当前帧射线击中物体
const currentTarget = intersects[0].object;
if (this._lastTarget) { // 上一帧射线击中物体
if (this._lastTarget.id !== currentTarget.id) {
// 上一帧射线击中物体与当前帧不同，触发上一帧物体的gazeLeave事件，触发当前帧物体的gazeEnter事件
this.rayList[this._lastTarget.id].gazeLeave();
this.rayList[currentTarget.id].gazeEnter();
}
} else { // 上一帧射线未击中物体
this.rayList[currentTarget.id].gazeEnter(); // 上一帧射线没有击中物体，触发当前帧物体的gazeEnter事件
}
this.rayList[currentTarget.id].gazeTrigger(); // 当前帧射线击中物体，触发物体的gazeTrigger事件
this._lastTarget = currentTarget;
} else { // 当前帧我击中物体
if ( this._lastTarget ) this.rayList[this._lastTarget.id].gazeLeave(); // 上一帧射线击中物体，触发上一帧物体gazeLeave
this._lastTarget = null;
}
最后，我们需要更新this._lastTarget值，供下一帧进行逻辑判断，如果当前帧有物体击中，则this._lastTarget = currentTarget，否则执行this._lastTarget = null。
事件绑定示例
接下来，我们调用前面定义的Gazer类开发gaze交互，实现一个简单例子：随机创建100个cube立方体，当用户注视立方体时，立方体半透明。
首先创建准心，设置为一个圆点作为展现给用户的光标，当然你可以创建其它准心形状，比如十字形或环形等。
// 创建准心
createCrosshair () {
const geometry = new THREE.CircleGeometry( 0.002, 16 );
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({
color: 0xffffff,
opacity: 0.5,
transparent: true
});
const crosshair = new THREE.Mesh(geometry,material);
crosshair.position.z = -0.5;
return crosshair;
}
接下来，在start()方法创建物体并绑定事件，在update监听事件。
// 场景物体初始化
start() {
const { scene, camera } = this;
... 创建灯光、地板等
// 添加准心到相机
camera.add(this.createCrosshair());
this.gazer = new Gazer();
// 创建立方体
for (let i = 0; i < 100; i++) {
const cube = this.createCube(2,2,2 );
cube.position.set( 100*Math.random() - 50, 50*Math.random() -10, 100*Math.random() - 50 );
scene.add(cube);
// 绑定注视事件
this.gazer.on(cube,'gazeEnter',() => {
cube.material.opacity = 0.5;
});
this.gazer.on(cube,'gazeLeave',() => {
cube.material.opacity = 1;
});
}
}
// 动画更新
update() {
const { scene, camera, renderer, gazer } = this;
gazer.update(camera);
renderer.render(scene, camera);
}
在示例中，我们遵循上一期WebVRApp的代码结构，在start方法里增加了一个准心，为100个cube立方体绑定gazeEnter事件和gazeLeave事件，触发gazeEnter时，立方体半透明，触发gazeLeave时，立方体恢复不透明。
演示地址：yonechen.github.io/WebVR-helloworld/cardboard.html
源码地址：github.com/YoneChen/WebVR-helloworld/blob/master/cardboard.html
注视事件除了以上三种基本事件外，还衍生了像注视延迟事件和注视点击事件，这些gaze事件都可以在gazeTrigger里进行拓展。
注视点击事件
cardboard二代在盒子上提供了一个按钮，当用户通过注视物体并点击按钮，由按钮点击屏幕触发。
实现思路：在window绑定click事件，触发click时改变标志位，在gazeTrigger方法内根据标志位来判断是否执行回调，关键代码如下：
//按钮事件监听
window.addEventListener('click', e => this.state._clicked = true);
this.gazer.on(cube,'gazeTrigger',() => {
// 当用户点击时触发
if (this.state._clicked) {
this.state._clicked = false; // 重置点击标志位
cube.scale.set(1.5,1.5,1.5); // TODO
}
});
注视延迟事件
当准心在物体上超过一定时间时触发，一般会在准心处设置一个进度条动画。
实现思路：在
gazeEnter时记录开始时间点，在gazeTrigger计算出时间差是否超过预设延迟时间，如果是则执行回调，关键代码如下：
//准心进入物体，开启事件触发计时
this.gazer.on(cube,'gazeEnter',() => {
this.state._wait = true; // 计时已开始
this.animate.loader.start(); // 开启准心进度条动画
this.state.gazeEnterTime = Date.now(); // 记录计时开始时间点
});
this.gazer.on(cube,'gazeTrigger',() => {
// 当计时已开始，且延迟时长超过1.5秒触发
if (this.state._wait && Date.now() - this.state.gazeEnterTime > 1500) {
this.animate.loader.stop(); // 停止准心进度条动画
this.state._wait = false; // 计时结束
cube.material.opacity = 0.5; // TODO
}
});
this.gazer.on(cube,'gazeLeave',() => {
this.animate.loader.stop(); // 停止准心进度条动画
this.state._wait = false; // 计时结束
...
});
这里准心计时进度条loader动画使用了Tween.js，这里就不展开了，更多可在源码地址查看。
演示地址：yonechen.github.io/WebVR-helloworld/cardboard2.html
源码地址：github.com/YoneChen/WebVR-helloworld/blob/master/cardboard2.html
小结
本文介绍了VR注视事件gaze原理以及开发过程，核心是通过raycaster来实现3d场景的物体拾取。为了方便调用，我将上述的gaze事件监听机制封装了一个插件 gaze-event ，欢迎查看。
WebVR开发传送门：
WebVR开发教程——交互事件（二）使用Gamepad
WebVR开发教程——深度剖析 关于WebVR的开发调试方案以及原理机制
WebVR开发教程——标准入门 使用Three.js开发WebVR场景的入门教程
