Двигател за оптимизация на WebXR Hit Test: Подобряване на Ray Casting

WebXR революционизира начина, по който взаимодействаме с уеба, позволявайки имерсивни изживявания директно в браузъра. Основен компонент на много WebXR приложения, особено тези, включващи допълнена реалност (AR), е hit test. Hit test определя дали лъч, обикновено произхождащ от погледа на потребителя или контролер, пресича реална повърхност. Това взаимодействие е критично за поставяне на виртуални обекти, взаимодействие с цифрово съдържание, наслагвано върху физическия свят, и задействане на събития въз основа на взаимодействието на потребителя. Въпреки това, hit test може да бъде изчислително скъпо, особено в сложни среди или когато се извършва често. Следователно, оптимизирането на процеса на hit test е от първостепенно значение за предоставяне на плавно и отзивчиво потребителско изживяване. Тази статия се задълбочава в сложността на техниките за подобряване на ray casting за оптимизация на WebXR hit test, предоставяйки приложими стратегии за подобряване на производителността на вашите WebXR приложения.

Разбиране на WebXR Hit Tests

Преди да се впуснем в стратегии за оптимизация, от решаващо значение е да разберем как работят WebXR hit test. WebXR Device API предоставя методи за извършване на hit test спрямо основната реалност. Тези методи по същество излъчват лъч от гледната точка на потребителя (или позицията и ориентацията на контролера) в сцената и определят дали той пресича открити равнини или функции. Тази точка на пресичане, ако бъде намерена, предоставя информация за местоположението и ориентацията на повърхността, което позволява на разработчиците да поставят виртуални обекти или да инициират взаимодействия в тази точка.

Основните методи, използвани за hit testing, са:

• XRFrame.getHitTestResults(XRHitTestSource): Извлича резултатите от hit test, връщайки масив от обекти XRHitTestResult. Всеки XRHitTestResult представлява точка на пресичане.
• XRHitTestSource: Интерфейс, използван за създаване и управление на източници на hit test, определящ произхода и посоката на лъча.

Производителността на тези hit test може да бъде значително повлияна от няколко фактора, включително:

• Сложността на сцената: По-сложни сцени с по-голям брой полигони изискват повече обработваща мощност за определяне на пресичанията на лъчите.
• Честотата на hit tests: Извършването на hit tests всеки кадър може да натовари ресурсите на устройството, особено на мобилни устройства.
• Точността на откриване на функции: Неточното или непълно откриване на функции може да доведе до неправилни резултати от hit test и загубено време за обработка.

Техники за оптимизация на Ray Casting

Оптимизирането на ray casting включва намаляване на изчислителните разходи за определяне на пресичанията на лъчите. За да се постигне това, могат да се използват няколко техники:

1. Йерархии на гранични обеми (BVH)

Йерархията на граничните обеми (BVH) е подобна на дърво структура на данни, която организира геометрията на сцената в йерархия от гранични обеми. Тези гранични обеми обикновено са прости форми като кутии или сфери, които обхващат групи от триъгълници. При извършване на ray cast, алгоритъмът първо проверява за пресичания с граничните обеми. Ако лъчът не пресича граничен обем, цялото поддърво, съдържащо се в този обем, може да бъде пропуснато, значително намалявайки броя на необходимите тестове за пресичане на триъгълник-лъч.

Пример: Представете си поставянето на няколко виртуални мебели в стая с помощта на AR. BVH може да организира тези парчета в групи въз основа на тяхната близост. Когато потребителят докосне пода, за да постави нов обект, ray cast първо ще провери дали пресича граничния обем, обхващащ всички мебели. Ако не, ray cast може бързо да пропусне проверката спрямо отделни мебели, които са по-далеч.

Прилагането на BVH обикновено включва следните стъпки:

1. Създаване на BVH: Рекурсивно разделяне на геометрията на сцената на по-малки групи, създавайки гранични обеми за всяка група.
2. Обхождане на BVH: Започвайки от корена, обхождайте BVH, проверявайки за пресичания на лъч-граничен обем.
3. Тестване на триъгълници: Тествайте само триъгълници в граничните обеми, които пресичат лъча.

Библиотеки като three-mesh-bvh за Three.js и подобни библиотеки за други WebGL рамки предоставят предварително изградени BVH реализации, опростявайки процеса.

2. Пространствено разделяне

Техниките за пространствено разделяне разделят сцената на дискретни области, като октаедри или KD-дървета. Тези техники ви позволяват бързо да определите кои области на сцената е вероятно да бъдат пресечени от лъч, намалявайки броя на обектите, които трябва да бъдат тествани за пресичане.

Пример: Разгледайте AR приложение, което позволява на потребителите да изследват виртуален музейна експозиция, наслагвана върху физическото им обкръжение. Подходът на пространствено разделяне може да раздели изложбеното пространство на по-малки клетки. Когато потребителят премести устройството си, приложението трябва да провери само за пресичания на лъчи с обектите, съдържащи се в клетките, които в момента са в зрителното поле на потребителя.

Често срещаните техники за пространствено разделяне включват:

• Октаедри: Рекурсивно разделяне на пространството на осем октанта.
• KD-дървета: Рекурсивно разделяне на пространството по различни оси.
• Разделяне на мрежа: Разделяне на пространството на еднородна мрежа от клетки.

Изборът на техника за пространствено разделяне зависи от специфичните характеристики на сцената. Октаедрите са подходящи за сцени с неравномерно разпределение на обектите, докато KD-дърветата могат да бъдат по-ефективни за сцени с относително равномерно разпределение на обектите. Разделянето на мрежа е лесно за изпълнение, но може да не е толкова ефективно за сцени с много различни плътности на обектите.

3. Тестване на пресичане от грубо към фино

Тази техника включва извършване на серия от тестове за пресичане с нарастващи нива на детайлност. Първоначалните тестове се извършват с опростени представяния на обектите, като гранични сфери или кутии. Ако лъчът не пресича опростеното представяне, обектът може да бъде отхвърлен. Само ако лъчът пресича опростеното представяне, се извършва по-подробен тест за пресичане с действителната геометрия на обекта.

Пример: При поставянето на виртуално растение в AR градина, първоначалният hit test може да използва проста гранична кутия около модела на растението. Ако лъчът пресича граничната кутия, след това може да се извърши по-точен hit test, използвайки действителната геометрия на листата и стъблото на растението. Ако лъчът не пресича граничната кутия, по-сложният hit test се пропуска, спестявайки ценно време за обработка.

Ключът към тестването на пресичане от грубо към фино е да изберете подходящи опростени представяния, които са бързи за тестване и ефективно премахват обекти, които е малко вероятно да бъдат пресечени.

4. Отхвърляне на фрустум

Отхвърлянето на фрустум е техника, използвана за отхвърляне на обекти, които са извън зрителното поле на камерата (фрустум). Преди да се извършат hit tests, обектите, които не са видими за потребителя, могат да бъдат изключени от изчисленията, намалявайки общото изчислително натоварване.

Пример: В WebXR приложение, което симулира виртуален шоурум, отхвърлянето на фрустум може да се използва за изключване на мебели и други обекти, които в момента са зад потребителя или извън неговия изглед. Това значително намалява броя на обектите, които трябва да бъдат разгледани по време на hit tests, подобрявайки производителността.

Прилагането на отхвърляне на фрустум включва следните стъпки:

1. Дефиниране на фрустум: Изчислете равнините, които определят зрителното поле на камерата.
2. Тестване на гранични обекти: Определете дали граничният обем на всеки обект е в рамките на фрустум.
3. Отхвърляне на обекти: Изключете обектите, които са извън фрустум, от изчисленията на hit test.

5. Временна кохерентност

Временната кохерентност използва факта, че позицията и ориентацията на потребителя и обектите в сцената обикновено се променят постепенно с течение на времето. Това означава, че резултатите от hit tests от предишни кадри често могат да се използват за предсказване на резултатите от hit tests в текущия кадър. Като използвате временна кохерентност, можете да намалите честотата на извършване на пълни hit tests.

Пример: Ако потребителят постави виртуален маркер на маса с помощта на AR и потребителят се премести леко, много вероятно е маркерът все още да е на масата. Вместо да извършвате пълен hit test, за да потвърдите това, можете да екстраполирате позицията на маркера въз основа на движението на потребителя и да извършите пълен hit test само ако движението на потребителя е значително или ако изглежда, че маркерът се е преместил от масата.

Техники за използване на временна кохерентност включват:

• Кеширане на резултати от hit test: Съхранявайте резултатите от hit tests от предишни кадри и ги използвайте повторно, ако позицията и ориентацията на потребителя не са се променили значително.
• Екстраполиране на позициите на обектите: Предскажете позициите на обектите въз основа на техните предишни позиции и скорости.
• Използване на предсказване на движение: Използвайте алгоритми за предсказване на движение, за да предвидите движенията на потребителя и да коригирате параметрите на hit test съответно.

6. Адаптивна честота на Hit Test

Вместо да извършвате hit tests с фиксирана честота, можете динамично да коригирате честотата въз основа на активността на потребителя и производителността на приложението. Когато потребителят активно взаимодейства със сцената или когато приложението работи гладко, честотата на hit test може да бъде увеличена, за да се осигури по-отзивчива обратна връзка. И обратно, когато потребителят е в неактивно състояние или когато приложението има проблеми с производителността, честотата на hit test може да бъде намалена, за да се пестят ресурси.

Пример: В WebXR игра, в която потребителят стреля с виртуални снаряди, честотата на hit test може да бъде увеличена, когато потребителят се прицелва и стреля, и намалена, когато потребителят просто навигира в средата.

Фактори, които трябва да се вземат предвид при регулиране на честотата на hit test, включват:

• Активност на потребителя: Увеличете честотата, когато потребителят активно взаимодейства със сцената.
• Производителност на приложението: Намалете честотата, когато приложението има проблеми с производителността.
• Възможности на устройството: Настройте честотата въз основа на възможностите на устройството на потребителя.

7. Оптимизиране на алгоритми за Ray Casting

Самите основни алгоритми за ray casting могат да бъдат оптимизирани за производителност. Това може да включва използване на SIMD (Single Instruction, Multiple Data) инструкции за обработка на множество лъчи едновременно или използване на по-ефективни алгоритми за тестване на пресичане.

Пример: Използването на оптимизирани алгоритми за пресичане на ray-триъгълник, като например алгоритъма Möller–Trumbore, който е широко известен със своята скорост и ефективност, може да осигури значително увеличение на производителността. SIMD инструкциите позволяват паралелна обработка на векторни операции, които са често срещани в ray casting, допълнително ускорявайки процеса.

8. Профилиране и наблюдение

От решаващо значение е да профилирате и наблюдавате производителността на вашето WebXR приложение, за да идентифицирате тесните места и области за оптимизация. Използвайте инструменти за разработчици на браузъри или специализирани инструменти за профилиране, за да измерите времето, прекарано в извършване на hit tests и други критични за производителността операции. Тези данни могат да ви помогнат да определите най-ефективните области, върху които да фокусирате усилията си за оптимизация.

Пример: Разделът Performance на Chrome DevTools може да се използва за запис на WebXR сесия. След това изгледът на времевата линия може да бъде анализиран, за да се идентифицират периоди на висока употреба на CPU, свързани с hit testing. Това позволява целева оптимизация на конкретните секции от кода, които причиняват тясното място на производителността.

Основните показатели за наблюдение включват:

• Кадрова скорост: Измерете броя на кадрите, рендирани за секунда.
• Продължителност на hit test: Измерете времето, прекарано в извършване на hit tests.
• Използване на CPU: Наблюдавайте използването на CPU на приложението.
• Използване на памет: Проследявайте консумацията на памет от приложението.

Примери за код

По-долу е опростен пример за код, използващ Three.js, демонстриращ основен ray casting:

const raycaster = new THREE.Raycaster(); const mouse = new THREE.Vector2(); function onMouseMove( event ) { mouse.x = ( event.clientX / window.innerWidth ) * 2 - 1; mouse.y = - ( event.clientY / window.innerHeight ) * 2 + 1; raycaster.setFromCamera( mouse, camera ); const intersects = raycaster.intersectObjects( scene.children ); if ( intersects.length > 0 ) { // Handle intersection console.log("Intersection found:", intersects[0].object); } } window.addEventListener( 'mousemove', onMouseMove, false );

Този пример настройва raycaster, който се актуализира въз основа на движението на мишката и пресича всички обекти в сцената. Макар и прост, това може да стане интензивно за производителността бързо. Прилагането на BVH структура с `three-mesh-bvh` и ограничаването на броя на обектите за тестване е показано по-долу:

import { MeshBVH, Ray } from 'three-mesh-bvh'; // Assume `mesh` is your Three.js Mesh const bvh = new MeshBVH( mesh.geometry ); mesh.geometry.boundsTree = bvh; const raycaster = new THREE.Raycaster(); const mouse = new THREE.Vector2(); const ray = new Ray(); // BVH expects a Ray object function onMouseMove( event ) { mouse.x = ( event.clientX / window.innerWidth ) * 2 - 1; mouse.y = - ( event.clientY / window.innerHeight ) * 2 + 1; raycaster.setFromCamera( mouse, camera ); ray.copy(raycaster.ray); const intersects = bvh.raycast( ray, mesh.matrixWorld ); //Using raycast directly on the BVH if ( intersects ) { // Handle intersection console.log("Intersection found:", mesh); } } window.addEventListener( 'mousemove', onMouseMove, false );

Този пример демонстрира как да интегрирате BVH с raycasting с помощта на three-mesh-bvh. Той конструира BVH дърво за геометрията на мрежата и след това използва `bvh.raycast` за по-бързи проверки за пресичане. Това избягва режийните разходи за тестване на лъча спрямо всеки триъгълник в сцената.

Най-добри практики за оптимизация на WebXR Hit Test

Ето обобщение на най-добрите практики за оптимизиране на WebXR hit tests:

• Използвайте йерархия на граничните обеми (BVH) или друга техника за пространствено разделяне.
• Приложете тестване на пресичане от грубо към фино.
• Използвайте отхвърляне на фрустум, за да отхвърлите обекти извън екрана.
• Използвайте временна кохерентност, за да намалите честотата на hit test.
• Приспособете честотата на hit test въз основа на активността на потребителя и производителността на приложението.
• Оптимизирайте алгоритмите за ray casting, използвайки техники като SIMD.
• Профилирайте и наблюдавайте приложението си, за да идентифицирате тесните места.
• Помислете за използване на асинхронни hit tests, когато е подходящо, за да избегнете блокиране на основната нишка.
• Минимизирайте броя на обектите в сцената или опростете тяхната геометрия.
• Използвайте оптимизирани техники за WebGL рендиране, за да подобрите цялостната производителност.

Глобални съображения за WebXR разработка

Когато разработвате WebXR приложения за глобална аудитория, важно е да имате предвид следното:

• Разнообразие от устройства: WebXR приложенията трябва да бъдат проектирани да работят гладко на широка гама от устройства, от компютри от висок клас до мобилни телефони от нисък клас. Това може да включва използване на адаптивни техники за рендиране или предоставяне на различни нива на детайлност въз основа на възможностите на устройството.
• Мрежова свързаност: В някои региони мрежовата свързаност може да бъде ограничена или ненадеждна. WebXR приложенията трябва да бъдат проектирани така, че да бъдат устойчиви на прекъсвания на мрежата и трябва да минимизират количеството данни, които трябва да бъдат прехвърлени по мрежата.
• Локализация: WebXR приложенията трябва да бъдат локализирани за различни езици и култури. Това включва превод на текст, адаптиране на UI елементи и използване на подходящи културни препратки.
• Достъпност: WebXR приложенията трябва да бъдат достъпни за потребители с увреждания. Това може да включва предоставяне на алтернативни методи за въвеждане, като гласов контрол или проследяване на очите, и гарантиране, че приложението е съвместимо с помощни технологии.
• Поверителност на данните: Бъдете наясно с разпоредбите за поверителност на данните в различни страни и региони. Получете съгласието на потребителя, преди да събирате или съхранявате каквито и да било лични данни.

Пример: AR приложение, представящо исторически забележителности, трябва да вземе предвид разнообразието на устройствата, като предлага текстури с по-ниска резолюция и опростени 3D модели на мобилни устройства от нисък клас, за да поддържа гладка кадрова скорост. Също така трябва да бъде локализирано, за да поддържа различни езици, като показва описания на забележителностите на предпочитания от потребителя език и адаптира потребителския интерфейс за езици отдясно наляво, ако е необходимо.

Заключение

Оптимизирането на WebXR hit tests е от решаващо значение за предоставяне на плавно, отзивчиво и приятно потребителско изживяване. Като разбирате основните принципи на ray casting и прилагате техниките, описани в тази статия, можете значително да подобрите производителността на вашите WebXR приложения и да създадете имерсивни изживявания, които са достъпни за по-широка аудитория. Не забравяйте да профилирате приложението си, да наблюдавате неговата производителност и да адаптирате стратегиите си за оптимизация към специфичните характеристики на вашата сцена и целевите устройства. Тъй като екосистемата на WebXR продължава да се развива, ще се появят нови и иновативни техники за оптимизация. Да бъдете в крак с най-новите постижения и най-добри практики ще бъде от съществено значение за разработването на високопроизводителни WebXR приложения, които разширяват границите на имерсивните уеб изживявания.