裸眼 3D 是什么效果？
裸眼 3D 是什么效果？
作者：沙因，腾讯 IEG 前端开发工程师
介绍一种裸眼 3D 的实现方式，代码以 web 端为例。
平常我们都是戴着 3D 眼镜才能感受 3D 效果，那裸眼能直接看 3D 么？可以看看下面这个视频：
感兴趣可以扫描这个二维码实际体验下：
以上效果是基于 threejs 封装了个相机组件：
<script
src="https://game.gtimg.cn/images/js/sign/glassfree3d/js/GlassFree3dCamera.js"
></script>
new THREE.GlassFree3dCamera(x, y, z, width, height);使用 GlassFree3dCamera 代替正常的相机，其中 xyz 为裸眼 3d 相机的坐标，width，height 为投影平面的宽高。
实现原理
这种裸眼 3d 实际上是基于一种视觉误差产生的，与传统的双眼产生的不同的图像差形成距离感不同，这种裸眼是依赖 3d 的“离轴投影”，离轴投影将产生“非对称相机”视锥体。
不过离轴投影与非对称相机并不是已有的专业名词，这是 TheParallaxView 作者提出的一个概念。
视频中，作者利用 ARkit 的 faceid 功能，定位到眼睛的位置，然后将裸眼 3d 的相机位置替代到人眼球位置。
除去 ARkit 的功能，这个效果的核心技术在其实现的“非对称的镜头”上。当时觉得这个看起来不难，就尝试的实现了一下，将传统相机的轴锁定（lookAt)在“盒子”的正中心。
传统相机效果：
虽然也有“立体感”，但那是平常我们常见的“全景”专题的 3d。
实际上的裸眼 3d 效果应该是下面这种：
“盒子”的四个角始终“粘”在画面的四个角上。
为什么会有这种区别？
首先，我们要了解 3d 相机的工作机制。
3d 相机机制
3d 相机的算法核心是投影矩阵：
在一个视锥体内的 3d 对象，通过投影矩阵渲染到平面上。
three.js 的投影矩阵：
var te = [];
var x = 2 \* near / ( right - left );
var y = 2 \* near / ( top - bottom );
var a = ( right + left ) / ( right - left );
var b = ( top + bottom ) / ( top - bottom );
var c = - ( far + near ) / ( far - near );
var d = - 2 \* far \* near / ( far - near );
te[ 0 ] = x; te[ 4 ] = 0; te[ 8 ] = a; te[ 12 ] = 0;
te[ 1 ] = 0; te[ 5 ] = y; te[ 9 ] = b; te[ 13 ] = 0;
te[ 2 ] = 0; te[ 6 ] = 0; te[ 10 ] = c; te[ 14 ] = d;
te[ 3 ] = 0; te[ 7 ] = 0; te[ 11 ] = - 1; te[ 15 ] = 0;具体投影矩阵的算法，可以查看文章最后的参考资料。
其中，相机与视锥截面中心的连线垂直于视锥截面。
投影矩阵可以渲染出红色方块的纵深，但是当相机旋转后将会出现方块的边“溢出”屏幕的情况：
而正常情况下，我们看一个现实中的 3d 盒子是这样的视角：
这时候的投影是一个不规则的四边形，直接计算这个四边形的范围是很困难的。
而这个看似非常难以实现的效果，实际上转换一下思维就变得很简单了，我们会卡在这一步的原因就是先入为主的认为，视锥体一定需要是一个正锥体。
但是，只要我们直接平移投影矩阵，就可以创造出偏离轴心的投影矩阵。
该方案的裸眼 3d 技术核心就是这个“离轴投影”的算法。
实际做法只要在投影矩阵计算的时候，输入指定区域的视锥参数即可。了解投影矩阵的前提下，视锥移轴并没有新的算法，仅仅参数不同，但是这个思维转换在这过程中却是很重要的一环。关于投影矩阵的详细介绍可以参考文末的参考资料。
完成裸眼 3d 相机后，只要对相机的位置进行操作绑定即可。
如 TheParallaxView 作者，就是将相机的位置与人的眼睛位置通过 ARkit 进行绑定:
glassfree3dcamera 组件中，添加了 touch 事件进行绑定，通过下面语句开启点击事件。
camera.initMove();当然，这种裸眼 3d 效果，一般情况下肯定是需要搭配陀螺仪进行使用，于是一开始我也简单的绑定了陀螺仪效果，因为感觉那似乎不是很困难。
camera.initDeviceOrientation();按照平时的陀螺仪绑定的方式，一直无法实现“真实”的裸眼 3d 效果。
这个效果是合成的，文末有链接。后来发现，这是裸眼 3d 效果的第二个难点。
手机的朝向与陀螺仪
手机陀螺仪关于参数解释的几张图：
这几张图很容易让人产生误解，当然不是说这几张图是错的。
首先，alpha，beta，gamma 的值是以地球坐标为基准的，其中，alpha 甚至与手机的朝向没有关系。也就是说，alpha 图也可以画成这样：
这几张手机转动的都是 alpha 角，而不是只有当手机绕着垂直于屏幕的 z 轴旋转才触发 alpha 角。beta 角是手机的 y 轴与地面的角度值：
gamma 角是手机的 x 轴与地面的角度值：
alpha 与手机的轴无关，beta，gamma 值与手机当前 yx 轴的位置相关，而另外一个很容易让人误解的就是谷歌开发者工具里的 sensors：
当手机横置的时候，出现 alpha：0，beta：90，gamma：-90。
实际上，手机里的陀螺仪是不可能同时出现这 3 个数值的，因为 beta：90 时，意味着手机垂直于地面，此时 gamma 必然平行与地面，所以 gamma 值为 0。
而 sensors 里出现这个值，并不是陀螺仪返回的值，实际上反而是欧拉角输入的值。
上面的值表示，（比如按 yxz 方向）beta 转过 90 度，此时手机竖屏直立，然后 alpha 角不动，接着 gamma 转-90 度，手机从竖屏直立横躺下，到达了现在这种状态。
当前这个状态的陀螺仪返回值应该是 alpha：0，beta：0，gamma：-90。
了解了陀螺仪角度真正含义后，我们就可以把陀螺仪返回的角度值，先转为欧拉角，再计算四元数（避免万向节锁）：
var quaternion = new THREE.Quaternion();
var euler= new THREE.Euler();
euler.set( beta, alpha, - gamma, 'YXZ' );
quaternion.setFromEuler( euler );四元数可以通过四维投影到三维空间的球体来理解，具体四元数的对应关系可以查看Visualizing quaternions
通过四元数记录手机选择角度，然后将裸眼 3d 相机位置按照对应转动角度反向转动，即可实现陀螺仪操控的裸眼：
假设相机的初始位置是 p1，当手机旋转 q1 值时，此时相机位置在 p2 处，但是相对手机来说相机依然是在手机的正前方，所以，相机需要逆向转动 q1，从 p2 移到 p1，其中 p2 即为一开始的 p1 值。
用户视角：
裸眼 3d 只计算转动值，所以还需要初始化转动前的角度值，即提前记录 p1 位置。
结语：
裸眼 3d 的效果很大程度需要一个专门定制的模型以及交互引导（手机拿在手上慢慢转）才能最大限度发挥其效果，目前这项技术还没有具体的活动落地，但是“视频版本”的裸眼 3d 效果却频频的在人们的信息流中脱颖而出，也许一个可以“玩”的裸眼 3d 意外的具有潜力。
参考资料：
http://www.songho.ca/opengl/gl_projectionmatrix.html
https://www.bilibili.com/video/av90631060
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