WebAssembly + Forge实战 - 整合Forge AR/VR ToolKit + Unity场景至前端框架

在浏览器环境下，解释运行JavaScript脚本实现高阶功能早已是家常便饭，然而，Web前端日新月异的需求已逐渐无法完全依赖JavaScript实现。幸运的是，打破瓶颈的新技术已逐渐成熟，它就是WebAssembly。

什么是WebAssembly

WebAssembly是一项神奇的技术，简而言之就是一种底层的类汇编语言，其编译后的二进制模块wasm可在浏览器中运行以接近原生的性能运行CC++、C#、Java、GO、PHP、Rust等等语言的代码！自2015年颁布、2017年初正式发布最小功能版本以来，WebAssembly迅速开始盛行，并已得到主流浏览器的广泛支持，详细支持情况可以参见下图或MDN：


(数据采于2019-01-25)

需要强调的是：WebAssembly并不旨在取代JavaScript或任何现有的H5/ES6技术，而是与他们共存 - 我们耳熟能详的WebGL、Web Audio等组件都是WebAssembly模块在浏览器端的运行时，在浏览器端实现所需功能

优势与异同

那么问题来了 - WebAssembly究竟和asm.js、Dart等类似技术有何不同？我们早已可以通过Emscripten编译asm.js在浏览器中跑c/c++了，为什么还需要WebAssembly呢？相比之下，WebAssembly主要具备以下优势：

• WebAssembly模块不论在加载速度和性能上都有明显优势 - 它以二进制码的形式在浏览器中原生运行，无需像asm.js那样将原始语言编译成JavaScript，远超JavaScript引擎解释脚本的运行速度，即便首屈一指的Chrome V8有JIT加持也无济于事。
• WebAssembly并不是基于现有组建的扩展，而是一个Web开发新特性/标准，它有独立的路线图，不断有新特性加入进来。
• 不受asm.js等技术在AOT等层面的限制，特性拓展潜力极大，应用场景广泛，详见底部延伸阅读部分的介绍。

编译与运行

那么如此神奇的技术究竟如何编译运行？当下最主流编译器可谓就是Emscripten了，广泛应用于原始语言->LLVM中间码->JavaScipt(asm.js)的编译。当然在WebAssembly全面企稳的今天，直接将原始语言编译成WebAssembly(wasm)也不在话下。

较新版本的Emscripten支持跳过LLVM中间码->asm.js->wasm的过度，直接编译wasm，以c语言为例可通过如下命令直接编译:

# `WASM=1`:仅生成wasm模块（默认为LLVM中间码），`SIDE_MODULE=1`:仅编译用户代码，而不包含printf、memalloc等函数
./emcc hello-world.c -O3 -s WASM=1 -s SIDE_MODULE=1 -o hello-world.html

编译生成的结果包括：

• hello-world.wasm: wasm模块二进制码
• hello-world.html: 展示页面
• hello-world.js: 读取wasm模块的JavaScript

其中编译生成的hello-world.js是帮助我们在页面中调用加载wasm模块的脚本，我们也可结合Fetch API在自己的代码进行加载:

  fetch('path/to/wasm')
    .then(response => response.arrayBuffer())  //将wasm文件响应转为二进制数组
    .then(bits => WebAssembly.compile(bits))  //编译模块
    .then(module => { return new WebAssembly.Instance(module) }); //生成模块实例

可通过自带的emrun工具在指定浏览器中运行编译结果，或直接托管在Web服务器上：

emrun --browser /path/to/browser/executable hello-world.html

实战Unity+WebAssembly+Forge AR/VR

接下来我们就进入今天的实战：将经由Autodesk Forge Model Derivative服务轻量化的模型，通过Forge AR/VR Toolkit导入Unity场景，结合C#/JSLIB脚本与Unity插件，编译为WebAssembly，并集成至我们的前端框架中！

(左为Forge Viewer，右为本例)

• 参考该教程，为Unity3D项目配置好Forge AR/VR Toolkit
• 需注意将.NET运行时版本调整为4.5以便支持TLS 1.2

• 将轻量化后的模型导入至Unity场景，如图所示填入模型的URN和从Forge服务端获取的Access Token

• 完成场景的建模与开发，本例结合Cinemachine的Freelook Camera插件与简单的c#脚本实现由键鼠操控的场景漫游。Cinemachine是一套强大的Unity相机管理工具，可利用其路径（Path）路点（Waypoint）等特性（并结合Timeline）轻松制作强大的预制路线漫游等效果。
• 通过较新Unity3D(2017/5.6+)直接将场景编译为WebAssembly，设定发布目标平台为WebGL，并在发布设定中将连接器目标设为WebAssembly，开始Build编译:

• 编译结果包括：

  • html：展示页面
  • Build目录：<项目名>.json(包括运行所需的参数与设置)、UnityLoad.js(浏览器加载wasm所需的脚本)、<项目名>.*.unityweb(发布设定中指定格式的压缩包，包含wasm模块与场景资源等)
  • Template：展示页面依赖

与前端框架整合

• 浏览展示页面确认实际效果无误后，将Build目录导入前端项目的静态资源路径（如./src/assets）
• 接下来将分别介绍针对Vue、React、Angular框架与无框架的整合

React

• 推荐使用react-unity-webgl加载Unity WebAssembly：

npm install react-unity-webgl

• 在React组件中调用

import Unity, { UnityContent } from "react-unity-webgl";
class App extends Component {
  unityContent:UnityContent = new UnityContent(
      "Build/forge_sample.json",  \\引用编译结果，将所有编译结果置于相同路径下
      "Build/UnityLoader.js" \\并确保浏览器会话可以http协议访问
  );

  //....
  render() {
    //...
    <Unity unityContent={this.unityContent}  />
  }
}

• 与Unity中的对象通讯

    this.unityContent.send(
      "Unity对象名称", 
      "C#或JSLIB脚本函数名称", 
      1 //参数值
    );

• 在Unity脚本中与JavaScript通讯，先在C#脚本中暴露事件:

  [DllImport("__Internal")]
  private static extern void EventName (int arg);
  
  public void CallAnEvent (int arg) {
    EventName(arg);
  }

• 然后，在Unity中创建JSLIB脚本（如Assets/Plugins/WebGL/forge-sample.jslib）注入事件：

mergeInto(LibraryManager.library, {
 
  EventName: function(arg) {
    ReactUnityWebGL.EventName(arg);
  }
});

• 在前端监听该事件

  this.unityContent.on("EventName", arg => {
   //...
  });

• 同理我们可以在前端监听Unity的生命周期事件：

public class NewBehaviourScript : MonoBehaviour {
//...    
   [DllImport("__Internal")]
   private static extern void EventName ();
   void OnSceneLoaded (Scene scene, LoadSceneMode mode) {
        EventName();
    }
//...    
}

Vue

• 推荐使用vue-unity-webgl组件加载Unity WebAssembly：

npm install vue-unity-webgl

• 在Vue组件中调用

<template>
  <div>
    ...
    <unity src="Build/forge_sample.json"  unityLoader="Build/UnityLoader.js"></unity>
    <!-- 引用编译结果，将所有编译结果置于相同路径下，并确保浏览器会话可以http协议访问 -->
    ...
  </div>
</template>
<script>
import Unity from 'vue-unity-webgl'
//...
export default {
  components: { Unity }
  //...
}
</script>

Angular与无框架

• 对于适用于Angular的Unity组件库，我们只找到了ng-unity，但在实测中出现报错，似乎是由于其内置的UnityLoader.js与我们的模块并不兼容（该库不能引用外置Loader），因此我们结合了无框架的引用方式来做示范
• 在页面中引用编译生成的UnityLoad.js

<script language="JavaScript" src="assets/Build/UnityLoader.js"></script>

• 组件页面中加入容器元素

   <!-- app.component.html -->
   <div id='unityContainer'></div>

• 在组件中载入模块

//app.component.ts
declare var UnityLoader: any;  //声明UnityLoader为任意类
export class AppComponent implements AfterViewInit{
  private unityInstance: any;
  //...
  ngAfterViewInit(){
    (<any>window).UnityLoader = UnityLoader; \\将UnityLoader对象暴露为窗体具柄
    this.unityInstance = UnityLoader.instantiate('unityContainer', './assets/Build/forge_sample.json'); //引用编译结果，将所有编译结果置于相同路径下，并确保浏览器会话可以http协议访问
    
  }

  sendMessage(objectName: string, functionName: any, argumentValue: any) {
    this.unityInstance.SendMessage(objectName, functionName, argumentValue); //与Unity对象通讯
  }
  //...
}

• 运行结果如下

(左为Forge Viewer，右为本例)

调试与优化

编译后的wasm是二进制的，可以通过编译工具（如WABT、Binaryen等)生成或转换为WebAssembly Text (wat) Format - 人类可读的类汇编代码:

(module
  (func $i (import "imports" "imported_func") (param i32))
  (func (export "exported_func")
    i32.const 42
    call $i
  )
)

在浏览器中也可以查看wat，并断点调试

优化考量

• 将wasm等依赖在服务器端压缩，加速网络传输，以Node后台为例: https://blog.csdn.net/github_...
• 编译时的优化（如使用WebGL2.0，.NET4.5等），参考: https://docs.unity3d.com/Manu...
• 使用WebAssembly JIT：https://webassembly.org/docs/...

延伸阅读

• Forge AR/VR介绍：https://segmentfault.com/a/11...
• Unity Cinemachine插件学习笔记： https://blog.csdn.net/l773575...
• Emscripten-WebAssembly专栏：https://segmentfault.com/blog...
• WebAssembly入门: https://www.jianshu.com/p/bff...
• WebAssembly入门到入门：https://blog.csdn.net/m549393...
• WebAssembly应用案例: https://blog.csdn.net/frf0lw4...