多屏互动——H5中级进阶

作者：王诗诗来源：极客头条发布于 2016-8-4

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前言

随着智能硬件的普及，手机，平板，PC甚至路边的电子广告牌，现代浏览器已经无处不在。在浏览器里编织出我们自己的一片天地已经轻车熟路，但是这还不够，H5赋予了浏览器太多的新特性，等待我们去使用。这篇文章介绍利用手机浏览器的罗盘API，在PC的浏览器实时地绘制一个3D盒模型。

这种炫酷的玩法叫做“多屏互动”，就像是把手机当做游戏手柄，PC显示器当做电视机，不过这些都是在浏览器里实现的。

先上效果图

(测试机是刷了小米系统的裂了屏幕的HTC霹雳2+Chrome浏览器)

源码请戳这里：https://coding.net/u/OverTree/p/webSocketDemo/git

本地测试过程：

在PC上，使用命令 node index.js，自动打开项目主页。（请关闭ADsafe，如有虚拟机，请停用虚拟网卡）

创建一个“房间”并自动进入“房间”。

用手机扫描“房间”内任意位置的二维码。

确保手机和PC可以相互PING通

ADsafe是个很好用的去广告软件，但是会阻止本机IP访问，可能造成项目首页打不开，所以请先暂时关闭

本程序会自动获取本机IP，如果有虚拟网卡，IP地址可能获取不正确

客户端（浏览器）

1. 手机浏览器端

一个物体在空间内的旋转体位，都可以用一个方向向量（x,y,z）和旋转角度（angle）来表示。也就是CSS3transform的rotate3d(x,y,z,angle)这个函数的4个参数。

想要在浏览器里方便的绘制一个立体模型的的旋转，重点就是利用手机浏览器的H5新特性去获取手机旋转状态的数据，然后转化成这4个参数。

1.1 重力感应API

devicemotion 顾名思义设备运动

其实不仅仅有重力感应的数据，还有移动加速度，摆动角度。

不过这个接口倾向于运动时瞬间的数据展示，静止时，除了重力加速度，其他数据（移动加速度，摆动角度）基本为0。

window.addEventListener('devicemotion', deviceMotionHandler, true);
function deviceMotionHandler(evt){
   if(evt.accelerationIncludingGravity){
       document.body.innerHTML = 
          "x轴加速度: " + evt.accelerationIncludingGravity.x + "<br>"
        + "y轴加速度: " + evt.accelerationIncludingGravity.y + "<br>"
        + "z轴加速度: " + evt.accelerationIncludingGravity.z + "<br>"
    }
    if(evt.rotationRate ){
       document.body.innerHTML +=  
         "x轴扭转: " + evt.rotationRate.beta + "<br>" 
       + "y轴扭转: " + evt.rotationRate.gamma + "<br>"
       + "z轴扭转: " + evt.rotationRate.alpha + "<br>"
    }
}

（魅族老机型，安卓4.4.4的自带浏览器对此API支持不完全，请另外安装QQ浏览器）

在手机浏览器里运行以上代码，并稍微晃动，会看到打印数据狂跳。

拿到了数据，接下来开始观察规律。

手机屏幕朝上，水平静止放置，Z轴重力加速度为9.8，Y,X为0。

手机屏幕朝下，水平静止放置，Z轴重力加速度为-9.8，Y,X为0。

手机话筒朝下，竖直静止放置，Y重力加速度为9.8, X,Z为0。

手机话筒朝上，竖直静止放置，Y重力加速度为-9.8, X,Z为0。

手机右侧朝上，竖直静止放置，X重力加速度为9.8, Y,Z为0。

手机左侧朝下，竖直静止放置，X重力加速度为-9.8, Y,Z为0。

那么手机的空间坐标如下图：

箭头指向都是坐标正方向。

当手机开始倾斜，X,Y,Z轴的加速度分量都有值，且绝对值都小于9.8。根据分量的数值，是可以算出手机在三维空间的倾斜状态，只不过这个计算过程复杂，而且在手机运动时，重力加速度的值并不准确表达当前倾斜。一般不用这个数据去计算手机在三维空间的倾斜。

当手机水平放置，拨动手机，使其慢慢旋转，重力加速度的数据并没有变化。

所以，重力感应的这个API，只能获取设备当前的倾斜状态，而无法获取设备的旋转方向。而一些简单的功能，比如摇一摇，晃一晃，就可以用这个接口去实现。

利用重力感应的API，可以轻松利用高中数学的反三角函数，实现XY二维平面的旋转，效果如下：

代码如下：

function deviceMotionHandler(evt){
    var angle = 
    Math.atan2(
            0 - evt.accelerationIncludingGravity.x ,     　　　
            evt.accelerationIncludingGravity.y
        ).toFixed(2) / Math.PI * 180 ; 
}

这个 angle 就可以直接应用在DOM的CSS属性transform:rotate(angle deg)上。

1.2 罗盘API

window.addEventListener('deviceorientation', deviceOrientationHandler, true);
function deviceMotionHandler(evt){
     document.body.innerHTML = 
          "z轴旋转(罗盘方向) alpha: 　" + event.alpha + "<br>"
        + "y轴旋转 gamma: 　" + event.gamma + "<br>"
        + "x轴旋转 beta: 　" + event.beta

}

重点来了，deviceorientation能够很好的表现物体在空间中的状态，旋转方向，倾斜角度，无论是静止还是运动或者加速运动。

这里要和devicemotion 的 evt.rotationRate区分一下，虽然都有alpha，gamma，beta 但是 devicemotion 描述的是旋转变化了的角度值，物体角度变化才会有数据，静止了之后就变为0，而 deviceorientation 的是描述是静止时的角度值。

这三个数值的单位都是deg，如何转化为CSS3 transform:rotate3d(x,y,z,angle) 的4个参数，对于没有任何3D知识的前端狗来说是个挺麻烦的问题。

现在要引入一个概念：四元数

四元数是个高阶复数 q = [w,x,y,z]。

四元数的基本数学方程为 :
q = cos (a/2) + i(x * sin(a/2)) + j(y * sin(a/2)) + k(z * sin(a/2)) 其中a表示旋转角度，(x,y,z)表示旋转轴。

四元数表示一个完整的旋转。

四元数可以由各轴旋转角(alpha,beta,gamma)求得。

四元数可以转换旋转轴(x,y,z)和旋转角度(angle)。

作为初试，本篇并不深入讨论四元数的具体定义，难点是获取四元数[w,x,y,z]。

好在官方提供了旋转角(alpha,beta,gamma)转换成四元数的方法

https://w3c.github.io/deviceorientation/spec-source-orientation.html

在这个页面内搜索 getQuaternion

另外我根据数学公式反求，写了一个四元数转(x,y,z,angle) 的函数 getAcQuaternion

代码如下：

var degtorad = Math.PI / 180;
function getQuaternion( alpha, beta, gamma ) {  //官方求四元数方法

var _x = beta ? beta * degtorad : 0; // beta value
var _y = gamma ? gamma * degtorad : 0; // gamma value
var _z = alpha ? alpha * degtorad : 0; // alpha value

var cX = Math.cos( _x/2 );
var cY = Math.cos( _y/2 );
var cZ = Math.cos( _z/2 );
var sX = Math.sin( _x/2 );
var sY = Math.sin( _y/2 );
var sZ = Math.sin( _z/2 );

var w = cX * cY * cZ - sX * sY * sZ;
var x = sX * cY * cZ - cX * sY * sZ;
var y = cX * sY * cZ + sX * cY * sZ;
var z = cX * cY * sZ + sX * sY * cZ;

return [ w, x, y, z ];

}

function getAcQuaternion( _w, _x, _y, _z ) { //我的四元数转旋转轴和旋转角度方法

var rotate = 2 * Math.acos(_w)/degtorad ;

var x = _x / Math.sin(degtorad * rotate/2) || 0;
var y = _y / Math.sin(degtorad * rotate/2) || 0;
var z = _z / Math.sin(degtorad * rotate/2) || 0;

return {x:x,y:y,z:z,rotate:rotate};

}

function deviceMotionHandler(evt){ // deviceorientation 事件处理函数
var qu = getQuaternion(evt.alpha,evt.beta,evt.gamma);
var rotate3d = getAcQuaternion(qu[0],qu[1],qu[2],qu[3]);
// rotate3d的参数已经有了，随你处理咯。我是把他送给服务器，交给PC，在PC上显示旋转
}

1.3 校准

这里有个3D里的概念，摄像机位置。我们的PC显示器就是一个摄像机。只能被动的从某一个角度展示拍摄的景象。正常情况下，手机所在平面应该和显示器所在平面平行，且垂直于地平面的角度。就好比是，摄像机正对着手机正面拍摄。

如果校准的时候手机并没有垂直于地平面，摄像机的位置就不一定是正前方了。这时候展示的画面并不是水平同步的了。

如下图所示，校准时，手机屏幕朝上。这时候摄像机位置就在天花板上了，你看到的成像就是俯视图。

同理，校准时，手机屏幕朝下，这时候摄像机的位置就是在地上，往上拍摄，你看到的成像就是仰视图。

总结起来就是：校准时，手机屏幕朝着哪里，摄像机就在那里拍摄着屏幕，一动不动。

1.4 兼容性

demo的兼容性测试并不理想

在iOS平台上测试良好，且流畅。

在安卓平台上，除了chrome浏览器之外的浏览器，会出现各种问题，主要表现在罗盘数据不准确。

而chrome浏览器并没有扫一扫功能，因为在国外并不流行这个玩意。所以在安卓平台上就很蛋疼，还要多装一个我查查，才能完整体验。

（如果出现旋转不准确的问题，可以尝试校准罗盘，大概就是拿着手机画8。百度一下方法有很多）

代码如果有兼容写法，或者有其他兼容问题请赐教，可以在coding上私信我(OverTree )，不胜感激。

2. PC浏览器端

PC浏览器的作用就是能够显示房间信息，创建房间。

显示房间，创建时间，参与人数，点击进入。

创建一个房间，成功后自动进入房间。

在房间内，接受服务器转发的手机端的消息，并作出相应动作，包括上线，校准，旋转，下线。

上线时，安排就坐（隐藏二维码，显示模型）

校准时，重新设置模型的显示角度。

旋转时，就旋转咯。

下线时，重新显示二维码（显示二维码，隐藏模型）

2.1 初始化，建立ws连接

重点是房间里的事情。所以这里就只介绍进入房间发生的事吧。

首先房间参数要正确，至少有房间编号。

房间路由:

/room/[roomNumber]

roomNumber是一串16位随机字符串。

座位路由:

var uri = win.location.pathname.split('/'),roomNumber;

function initWebSocket(){
var wsUri = "ws://"+ window.location.hostname +":<%= config.wsport %>"+"/ws/room"; //这里用了一个ejs的占位符，已便在服务器更改websocket端口时可以及时使用正确端口。

var websocket = new WebSocket(wsUri);
websocket.onopen = function(evt) {
websocket.send(JSON.stringify({room:roomNumber}));
}; //链接建立后，发送一个消息，表明在哪个房间

websocket.onclose = function(evt) {

};

websocket.onmessage = function(evt) {
parseMessage(evt.data) //解析数据
};
websocket.onerror = function(evt) {

};
//绑定了这些处理函数之后，websocket开始建立链接，而不是 New 的时候开始建立
}

$(".room-place .qrcode").each(function(index,item){
$(item).qrcode({
"size": 200,
"color": "#3a3",
"text": window.location.origin + "/room/" + roomNumber + "/" + (index+1)
});
//这里用jQuery的插件，jquery-qrcode 按照座位路由初始化二维码
})

2.2 纯CSS3立体模型

做为一名普通的前端人员，想要画一个3D的模型，按照最熟悉的方法就是用CSS3了。

（如果是用Three.js的大神请跳过本节）

不过要很快画出一个六面体出来，还是需要想一想的，毕竟这个技能很少用。

画一个长方体

<section class="container">
    <div id="box" >
      <figure class="front"><span>前</span></figure>
      <figure class="back"><span>后</span></figure>
      <figure class="right"><span>右</span></figure>
      <figure class="left"><span>左</span></figure>
      <figure class="top"><span>顶</span></figure>
      <figure class="bottom"><span>底</span></figure>
    </div>
</section>
<style>
    *{
        margin: 0; /*不加会歪*/
    }
    .container {
      width: 300px;
      height: 200px;
      position: relative;
      perspective: 1200px;  /*摄像机距离，
设置小的的话，立方体显示会变形*/
    }
    #box figure {
      display: block;
      position: absolute;
      border: 2px solid black;
      line-height: 200px;
      font-size: 40px;
      text-align: center;
      font-weight: bold;
      color: white;
      box-sizing: border-box; /*因为有2px宽的border，
如果不设置为此值，
那么每个面的宽高都要少设置4个像素，才能对齐*/
    }    
    #box {
      width: 100%;
      height: 100%;
      position: absolute;
      transform-style: preserve-3d;
/*这个很重要，默认是平面变形flat*/
    }

#box .front,
#box .back {
width: 300px;
height: 200px;
}

#box .right,
#box .left {
width: 100px;
height: 200px;
left:100px; /*调整*/
}

#box .top,
#box .bottom {
width: 300px;
height: 100px;
top:50px; /*调整*/
line-height:100px;
}

/*给每个面上半透明的颜色*/
#box .front { background: hsla( 000, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .back { background: hsla( 160, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .right { background: hsla( 120, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .left { background: hsla( 180, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .top { background: hsla( 240, 100%, 50%, 0.7 ); }
#box .bottom { background: hsla( 300, 100%, 50%, 0.7 ); }

#box .front { /*这个距离乘以2为前后面的距离*/
transform: translateZ( 50px );
}
#box .back { /*front面沿着x轴旋转180度，做后面*/
transform: rotateX( -180deg ) translateZ( 50px );
}
#box .right { /*这个距离乘以2为左右面的距离*/
transform: rotateY( 90deg ) translateZ( 150px );
}
#box .left { /*front面沿着y轴旋转90度，做侧面*/
transform: rotateY( -90deg ) translateZ( 150px );
}
#box .top { /*这个距离乘以2为长方体高*/
transform: rotateX( 90deg ) translateZ( 100px );
}
#box .bottom { /*front面沿着x轴旋转90度，做底面*/
transform: rotateX( -90deg ) translateZ( 100px );
}
</style>

对这样的css有什么要吐槽的么？

这样的stylesheet简直是刀耕火种时期的

如果用sass写法，那么只需要写一次#box和多层嵌套就可以了。

效果如下：

如果我们使用webGL去绘制的话，导入一些现成的3D模型，无论物体还是人物，都可以360度无死角的玩弄于手掌了。

（如果有苍老师的模型，想想还有点小激动呢，VR的感觉说来就来啊 - -）

接下来就是等待来自手机端的旋转信息，x,y,z,angle，使#box进行transform旋转就是了。

$seat.find("#box").
css("transform","rotate3d("
+ (-parseFloat(content.x))+","  //取反
+ (+parseFloat(content.y))+","
+ (-parseFloat(content.z))+","  //取反
+ content.rotate +"deg)");

不取反的话，旋转是错误的。我曾多次尝试给不同的坐标取反，最终得出这个取反方法，是唯一显示正常的组合。

无法理解这两个取反，猜测是因为css的x,y,z的坐标和物理设备x,y,z的坐标方向有差异吧。毕竟显示器是平面的，他的x,y,z的定义不能和手机传感器一致。

2.3 校准

PC端的校准就简单多了，在#box外套一层div.adjust。

当接受来自手机端的校准信息 x,y,z,angle，设置外套的 div.adjust 的旋转为 x,y,z,-angle 就好了。

$seat.find(".adjust").
css("transform","rotate3d("
+ (-parseFloat(content.x))+","  
+ (+parseFloat(content.y))+","
+ (-parseFloat(content.z))+","  
+ (-parseFloat(content.rotate)) +"deg)");  //取反

当然，这个adjust的样式至少包含以下样式

.adjust{
  position: absolute;
  transform-style:preserve-3d;
}

2.4 兼容性

PC端的兼容性就好多了，只要是现代H5浏览器基本上没有兼容性问题。

服务端

1 数据结构

这个服务只做临时数据的保存和消息转发。

临时数据：比如，各端的webSocket连接句柄，房间信息等，我把它们放在global全局对象下，就好比是共享内存，访问方便，速度快。

global.ShareMem = {
  rooms:{
       "12345678":{          //房间号做为key，方便查找
         player:[{socket:connection,place:place}],   
         //手机端数组：连接句柄，座位号
         projector:[],       //PC端数组
         id:"12345678",
         startTime:Date.now(),
         maxplayer:2,        //最多座位数
         type:"ddd"          //房间类型
       }
  }
};

2 webServer

如果您是nodejs的大神，或者在用koajs、express等nodejs框架，请跳过本大节。因为我用原生的nodejs写了一遍webServer，虽然重复造轮子不好，但是复习复习webServer的基本知识，还是不错的，本节适合新手入门。

包含知识点：header解析，静态文件查找，gzip，文件hash计算，状态码。

2.1 目录结构

/API
    /funMap.js          /*http功能函数集合*/
    /xxx.js
/socketAPI
    /funMap.js          /*webSocket功能函数集合*/
    /xxx.js
/Util                   /*工具目录，获取本地IP，打开默认浏览器*/
/webRoot
    /common             /*公共资源目录*/
        /js
            /lib
        /css
    /m                  /*移动端html,js,css等*/
    /p                  /*PC端html,js,css等*/
/index.js               /*入口文件*/
/config.js              /*配置文件，端口号，ws最大数据包大小等*/
/socketServer.js        /*webSocket处理函数*/
/webServer.js

2.2 webServer

基本规则是这样的，搭建静态服务器，静态资源正常读取返回，html文件用ejs渲染后返回。

由于ejs的原因，html文件并没有被修改，但是渲染后的内容被修改，比如，更改了ws的端口，但是html文件没有修改。所以不能使用Last-Modified来判断是文件是否最新，而是要根据返回内容有没有被改变来判断，所以要用Etag。

Etag需要根据内容算出hash值，一般用md5计算。

返回内容之前，需要进行gzip压缩，用来节省带宽。90KB的jquery.min.js可以被gzip到30KB，压缩才是王道。

因为手机端和PC端执行的是完全不同的代码，所以要判断从客户端传过来的user-agent是否包含Mobile字符串，以来区分客户端是PC还是手机，以便返回正确的资源。

通过简单的约定，来区分静态文件和REST请求

 if (libPath.extname(pathName) == "") {
      //如果路径没有扩展名 
      if(params.length<=2){
        pathName += "/"; //访问根目录 
      }else if(params[1]=="api"){   //访问以api开头
        parseAPI(params,req,res);  //功能函数
        return ;
      }else{
        pathName = params[1]+".html";
      }
    }

我在这里做了一个简单的框架，在API目录或者socketAPI目录下新增js文件，一个js文件对应一个处理函数，然后在funMap.js中聚合为一个Map，方便查找函数，也容易隔离和修改函数名。

var funMap = {
  "room":require("./room"),
  "changeName":require("./xxx"),
  "changeName2":require("./xxxyyy")
};
module.exports = funMap;

客户端访问时就可以通过 /api/[functionName] 来访问想要的服务了。

3 webSocketServer

nodejs本身并没有提供webSockerServer的模块，所以需要另外安装一个。

在npm install的时候会安装一个ws模块，require(“ws”) 就可以用了。用法与http模块相似，都用 createServer({options},MainHandlerFunction) 创建服务，只是ws多了几个参数。

主要是port，注意不要和webserver端口重复。

还有一个 maxPayload 就是单个ws数据包最大大小，单位是bytes，自己估计项目传输数据时候数据包大小。默认值是65535 即 64KB。一般webSocket用于小包传输，不用太大，我设置了1024 , 1KB。

主处理函数MainHandlerFunction，在有客户端连接进来时会传入一个参数connection,这个对象内容非常丰富，不看手册，可以打印出来也慢慢研究。

成功建立连接的方法就是要connection绑定message方法。

由于webSocket访问是可以带着url的，所以我们可以用url隔离不同的功能函数，而不是去解析message主体。

var connectHandler = function(connection){
  // :4002/api/Function1 
  var URIarray = connection.upgradeReq.url.split("/")
  if(funMap[URIarray[2]]){
    funMap[URIarray[2]](connection);
  }else{
    connection.send("{err:Function Not Found!!}");
  }
}

3.1 消息，广播，保活

每当有ws连接进来，都有类似文件描述符的id来区分每个不同的连接。

connection._ultron.id 用它可以区分自己与别人的连接，很有用。

//消息格式
function msgPack(){
  return JSON.stringify({
    "who":arguments[0],      // Mobile , PC
    "place":arguments[1],    // 座位
    "dowhat":arguments[2],   // "connect","ready","message","lost"
    "content":arguments[3]||"" // 内容
  })
}

//以room为单位广播，广播房间内所有角色
function boradCast(room,msg,ignore){
room.projector.forEach(function(item,index){
if(ignore&&ignore._ultron.id===item.socket._ultron.id){
// console.log("ignore!!!")
// 忽略自己不发送给自己
}
else{
try{
item.socket.send(msg);
}catch(e){
console.log(e);
}
}
});
room.player.forEach(function(item,index){
if(ignore&&ignore._ultron.id===item.socket._ultron.id){
// console.log("ignore!!!")
// 忽略自己不发送给自己
}
else{
try{
item.socket.send(msg);
}catch(e){
console.log(e);
}
}
});
}

为了检查客户端是否掉线，在建立连接时手动加入保活机制，方法很简单：

给客户端发送空消息时lastkeeplife为1，只要客户端返回任意消息，那么更新lastkeeplife为0，如果5秒之内，没有任何回复判定为掉线。

如果客户端掉线，那么关闭连接，从连接池中移除。并广播掉线消息给房间内其他角色。

var keeplifeHandler = setInterval(function(){
    if(lastkeeplife == 0){
      connection.close();
      connection.emit("close");
      clearInterval(keeplifeHandler);
    }
    try{
      lastkeeplife = 0;
      connection.send("{}");
    }catch(e){
      console.log("keep live error! "+ e +"\n\n");
      connection.close();
      connection.emit("close");
      clearInterval(keeplifeHandler);
    }
  },5000)

connection.on('close',function(msg){
if(keeplifeHandler){ //关闭保活循环
clearInterval(keeplifeHandler);
}
console.log("close!",roomid,place);
var room = global.ShareMem.rooms[roomid];
if(!room)
return;

//从连接池移除连接句柄
if(platform === PC){
room.projector.forEach(function(item,index){
if(item.socket === connection){
room.projector.splice(index,1);
return false;
}
})
}else{
room.player.forEach(function(item,index){
if(item.socket === connection){
room.player.splice(index,1);
return false;
}
})
}
//发送掉线消息
boradCast( room, msgPack(platform,place,"lost") , connection );
});

iOS设备如果锁屏，会发送断开信息给服务器，而安卓不会。想要断开链接，必须等到默认120秒超时后关闭。

ws初始化时并没有提供初始化timeout的配置。通过修改

ws._server.timeout = 1000;//1秒超时

并不会生效。问题来了，怎么修改才能设置超时时间呢？

目前只能用上述比较捉急的方法来及时断开掉线设备。

最后

多屏互动已经不是新鲜的东西了，我做这个Demo还是受chrome实验室一个叫做【光剑出鞘】的项目的启发。因为体验时需要手机端和PC同时翻-墙，导致体验差，然后自己才想做一个。做出来的时候感觉好酷炫，好神奇，好兴奋。

后续还是有很多可以拓展和改进的，希望最终可以变为一个成熟的产品，而不是仅仅止步于Demo。

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