Генериране на мрежи на равнини в WebXR: Създаване на геометрия на повърхности за потапящи преживявания

WebXR революционизира начина, по който взаимодействаме с дигиталния свят, като пренася преживяванията с добавена реалност (AR) и виртуална реалност (VR) директно в уеб браузъра. Фундаментален аспект от изграждането на завладяващи AR приложения с WebXR е способността да се откриват и създават 3D мрежи от реални повърхности, което позволява на виртуалните обекти да се интегрират безпроблемно със средата на потребителя. Този процес, известен като генериране на мрежи на равнини, е фокусът на това подробно ръководство.

Разбиране на разпознаването на равнини в WebXR

Преди да можем да генерираме мрежи, трябва да разберем как WebXR открива равнини в реалния свят. Тази функционалност се предоставя чрез интерфейса XRPlaneSet, достъпен чрез метода XRFrame.getDetectedPlanes(). Основната технология разчита на алгоритми за компютърно зрение, често използвайки данни от сензорите на устройството на потребителя (напр. камери, акселерометри, жироскопи) за идентифициране на плоски повърхности.

Ключови понятия:

• XRPlane: Представлява открита равнина в средата на потребителя. Предоставя информация за геометрията, позата и състоянието на проследяване на равнината.
• XRPlaneSet: Колекция от XRPlane обекти, открити в текущия кадър.
• Състояние на проследяване: Показва надеждността на откритата равнина. Първоначално равнината може да бъде във 'временно' състояние, докато системата събира повече данни, и в крайна сметка да премине в 'проследено' състояние, когато проследяването е стабилно.

Практически пример:

Представете си сценарий, в който потребител разглежда дневната си през камерата на смартфона си, използвайки WebXR AR приложение. Приложението използва разпознаване на равнини, за да идентифицира пода, стените и масичката за кафе като потенциални повърхности за поставяне на виртуални обекти. Тези открити повърхности се представят като XRPlane обекти в рамките на XRPlaneSet.

Методи за създаване на мрежи на равнини

След като сме открили равнини, следващата стъпка е да генерираме 3D мрежи, които представят тези повърхности. Могат да се използват няколко подхода, вариращи от прости правоъгълни мрежи до по-сложни, динамично актуализирани мрежи.

1. Прости правоъгълни мрежи

Най-простият подход е да се създаде правоъгълна мрежа, която апроксимира откритата равнина. Това включва използването на свойството polygon на XRPlane, което предоставя върховете на границата на равнината. Можем да използваме тези върхове, за да дефинираме ъглите на нашия правоъгълник.

Примерен код (използвайки Three.js):

// Приемаме, че 'plane' е обект от тип XRPlane const polygon = plane.polygon; const vertices = polygon.flatMap(point => [point.x, point.y, point.z]); // Намиране на минималните и максималните стойности на X и Z за създаване на обграждащ правоъгълник let minX = Infinity; let maxX = -Infinity; let minZ = Infinity; let maxZ = -Infinity; for (let i = 0; i < vertices.length; i += 3) { minX = Math.min(minX, vertices[i]); maxX = Math.max(maxX, vertices[i]); minZ = Math.min(minZ, vertices[i + 2]); maxZ = Math.max(maxZ, vertices[i + 2]); } const width = maxX - minX; const height = maxZ - minZ; const geometry = new THREE.PlaneGeometry(width, height); const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00, side: THREE.DoubleSide }); const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material); // Позициониране на мрежата спрямо позата на равнината const pose = frame.getPose(plane.planeSpace, xrReferenceSpace); if (pose) { mesh.position.set(pose.transform.position.x, pose.transform.position.y, pose.transform.position.z); mesh.quaternion.set(pose.transform.orientation.x, pose.transform.orientation.y, pose.transform.orientation.z, pose.transform.orientation.w); } scene.add(mesh);

Предимства:

• Лесен за имплементиране.
• Ниска изчислителна сложност.

Недостатъци:

• Може да не представя точно истинската форма на равнината, особено ако не е правоъгълна.
• Не се справя с промените в границите на равнината (напр. когато равнината се прецизира или закрива).

2. Мрежи, базирани на полигони

По-точен подход е да се създаде мрежа, която следва плътно полигона на откритата равнина. Това включва триангулиране на полигона и създаване на мрежа от получените триъгълници.

Триангулация:

Триангулацията е процес на разделяне на полигон на множество триъгълници. Могат да се използват няколко алгоритъма за триангулация, като например алгоритъма 'Ear Clipping' или триангулацията на Делоне. Библиотеки като Earcut често се използват за ефективна триангулация в JavaScript.

Примерен код (използвайки Three.js и Earcut):

import Earcut from 'earcut'; // Приемаме, че 'plane' е обект от тип XRPlane const polygon = plane.polygon; const vertices = polygon.flatMap(point => [point.x, point.y, point.z]); // „Сплескване“ на върховете в едномерен масив за Earcut const flattenedVertices = polygon.flatMap(point => [point.x, point.z]); // Приема се, че Y е 0 за равнината // Триангулиране на полигона с помощта на Earcut const triangles = Earcut(flattenedVertices, null, 2); // 2 показва 2 стойности за връх (x, z) const geometry = new THREE.BufferGeometry(); // Създаване на върхове, индекси и нормали за мрежата const positions = new Float32Array(vertices); const indices = new Uint32Array(triangles); geometry.setAttribute('position', new THREE.BufferAttribute(positions, 3)); geometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(indices, 1)); geometry.computeVertexNormals(); const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00, side: THREE.DoubleSide }); const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material); // Позициониране на мрежата спрямо позата на равнината const pose = frame.getPose(plane.planeSpace, xrReferenceSpace); if (pose) { mesh.position.set(pose.transform.position.x, pose.transform.position.y, pose.transform.position.z); mesh.quaternion.set(pose.transform.orientation.x, pose.transform.orientation.y, pose.transform.orientation.z, pose.transform.orientation.w); } scene.add(mesh);

Предимства:

• По-точно представя формата на откритата равнина.

Недостатъци:

• По-сложен за имплементиране от простите правоъгълни мрежи.
• Изисква библиотека за триангулация.
• Все още може да не се справя перфектно с промените в границите на равнината.

3. Динамично актуализиране на мрежите

Тъй като системата WebXR прецизира разбирането си за околната среда, откритите равнини могат да се променят с течение на времето. Границата на една равнина може да се разшири, когато се открие по-голяма площ, или да се свие, ако части от равнината бъдат закрити. За да се поддържа точно представяне на реалния свят, е изключително важно мрежите на равнините да се актуализират динамично.

Имплементация:

• Във всеки кадър обхождайте XRPlaneSet и сравнявайте текущия полигон на всяка равнина с предишния.
• Ако полигонът се е променил значително, регенерирайте мрежата.
• Обмислете използването на праг, за да избегнете ненужно регенериране на мрежата при незначителни промени.

Примерен сценарий:

Представете си потребител, който се разхожда из стая с AR устройството си. Докато се движи, системата WebXR може да открие по-голяма част от пода, което води до разширяване на равнината на пода. В този случай приложението ще трябва да актуализира мрежата на пода, за да отрази новата граница на равнината. Обратно, ако потребителят постави обект на пода, който закрива част от равнината, равнината на пода може да се свие, изисквайки нова актуализация на мрежата.

Оптимизиране на генерирането на мрежи на равнини за по-добра производителност

Генерирането на мрежи на равнини може да бъде изчислително интензивно, особено при динамично актуализиране на мрежите. От съществено значение е да се оптимизира процесът, за да се осигурят гладки и отзивчиви AR преживявания.

Техники за оптимизация:

• Кеширане: Кеширайте генерираните мрежи и ги регенерирайте само когато геометрията на равнината се промени значително.
• LOD (Ниво на детайлност): Използвайте различни нива на детайлност за мрежите на равнините в зависимост от разстоянието им от потребителя. За отдалечени равнини може да е достатъчна проста правоъгълна мрежа, докато по-близките равнини могат да използват по-детайлни мрежи, базирани на полигони.
• Web Workers: Прехвърлете генерирането на мрежи към Web Worker, за да избегнете блокиране на основната нишка, което може да причини спад в кадрите и накъсване.
• Опростяване на геометрията: Намалете броя на триъгълниците в мрежата, като използвате алгоритми за опростяване на геометрията. За тази цел могат да се използват библиотеки като Simplify.js.
• Ефективни структури от данни: Използвайте ефективни структури от данни за съхранение и манипулиране на данните на мрежата. Типизираните масиви (Typed arrays) могат да осигурят значителни подобрения в производителността в сравнение с обикновените JavaScript масиви.

Интегриране на мрежите на равнини с осветление и сенки

За да се създадат наистина потапящи AR преживявания, е важно да се интегрират генерираните мрежи на равнини с реалистично осветление и сенки. Това включва настройване на подходящо осветление в сцената и активиране на хвърлянето и получаването на сенки върху мрежите на равнините.

Имплементация (използвайки Three.js):

// Добавяне на насочена светлина към сцената const directionalLight = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 0.5); directionalLight.position.set(0, 5, 5); directionalLight.castShadow = true; // Активиране на хвърлянето на сенки scene.add(directionalLight); // Конфигуриране на настройките на картата на сенките directionalLight.shadow.mapSize.width = 1024; directionalLight.shadow.mapSize.height = 1024; directionalLight.shadow.camera.near = 0.5; directionalLight.shadow.camera.far = 15; // Настройване на рендъръра да активира сенки renderer.shadowMap.enabled = true; renderer.shadowMap.type = THREE.PCFSoftShadowMap; // Настройване на мрежата на равнината да получава сенки mesh.receiveShadow = true;

Глобални съображения:

Условията на осветление варират значително в различните региони и среди. Когато проектирате AR приложения за глобална аудитория, обмислете използването на карти на средата (environment maps) или динамични техники за осветление, за да се адаптирате към условията на осветление на заобикалящата среда. Това може да подобри реализма и потапянето в преживяването.

Напреднали техники: Семантична сегментация и класификация на равнини

Съвременните AR платформи все повече включват възможности за семантична сегментация и класификация на равнини. Семантичната сегментация включва идентифициране и етикетиране на различни видове обекти в сцената (напр. подове, стени, тавани, мебели). Класификацията на равнини отива една стъпка по-далеч, като категоризира откритите равнини въз основа на тяхната ориентация и свойства (напр. хоризонтални повърхности, вертикални повърхности).

Ползи:

• Подобрено разполагане на обекти: Семантичната сегментация и класификацията на равнини могат да се използват за автоматично поставяне на виртуални обекти върху подходящи повърхности. Например, виртуална маса може да бъде поставена само върху хоризонтални повърхности, класифицирани като подове или маси.
• Реалистични взаимодействия: Разбирането на семантиката на околната среда позволява по-реалистични взаимодействия между виртуалните обекти и реалния свят. Например, виртуална топка може да се търкаля реалистично по открита подова повърхност.
• Подобрено потребителско изживяване: Като автоматично разбират средата на потребителя, AR приложенията могат да осигурят по-интуитивно и безпроблемно потребителско изживяване.

Пример:

Представете си AR приложение, което позволява на потребителите виртуално да обзаведат своята дневна. Използвайки семантична сегментация и класификация на равнини, приложението може автоматично да идентифицира пода и стените, позволявайки на потребителя лесно да поставя виртуални мебели в стаята. Приложението може също така да попречи на потребителя да поставя мебели върху неподходящи повърхности, като например тавана.

Съображения за различните платформи

WebXR има за цел да осигури AR/VR изживяване на различни платформи, но все още има някои разлики във възможностите за откриване на равнини при различните устройства и платформи. ARKit (iOS) и ARCore (Android) са основните AR платформи, които WebXR използва на мобилни устройства, и те могат да имат различни нива на точност и поддръжка на функции.

Добри практики:

• Проверка на функции (Feature Detection): Използвайте проверка на функции, за да проверите наличието на разпознаване на равнини на текущото устройство.
• Резервни механизми: Имплементирайте резервни механизми за устройства, които не поддържат разпознаване на равнини. Например, можете да позволите на потребителите ръчно да поставят виртуални обекти в сцената.
• Адаптивни стратегии: Адаптирайте поведението на приложението си въз основа на качеството на разпознаване на равнини. Ако разпознаването на равнини е ненадеждно, може да искате да намалите броя на виртуалните обекти или да опростите взаимодействията.

Етични съображения

С нарастващото разпространение на AR технологията е важно да се вземат предвид етичните последици от разпознаването на равнини и създаването на геометрия на повърхности. Едно от притесненията е потенциалът за нарушаване на поверителността. AR приложенията могат да събират данни за средата на потребителя, включително разположението на дома или офиса му. Изключително важно е да бъдете прозрачни относно начина, по който се използват тези данни, и да предоставите на потребителите контрол върху настройките им за поверителност.

Етични насоки:

• Минимизиране на данните: Събирайте само данните, които са необходими за функционирането на приложението.
• Прозрачност: Бъдете прозрачни относно начина, по който се събират и използват данните.
• Контрол от страна на потребителя: Предоставяйте на потребителите контрол върху техните настройки за поверителност.
• Сигурност: Съхранявайте и предавайте сигурно потребителските данни.
• Достъпност: Уверете се, че AR приложенията са достъпни за потребители с увреждания.

Заключение

Генерирането на мрежи на равнини в WebXR е мощна техника за създаване на потапящи AR преживявания. Чрез точното откриване и представяне на реални повърхности, разработчиците могат безпроблемно да интегрират виртуални обекти в средата на потребителя. С непрекъснатото развитие на технологията WebXR можем да очакваме да видим още по-усъвършенствани техники за разпознаване на равнини и генериране на мрежи, които ще позволят създаването на още по-реалистични и ангажиращи AR приложения. От преживявания в електронната търговия, позволяващи на потребителите виртуално да поставят мебели в домовете си (както се вижда в глобалното AR приложение на IKEA), до образователни инструменти, които наслагват интерактивни учебни материали върху реални обекти, възможностите са огромни.

Като разбират основните концепции, овладяват техниките за имплементация и се придържат към добрите практики, разработчиците могат да създават наистина завладяващи AR преживявания, които разширяват границите на възможното в уеб. Не забравяйте да приоритизирате производителността, да вземете предвид съвместимостта между платформите и да се справите с етичните съображения, за да гарантирате, че вашите AR приложения са както ангажиращи, така и отговорни.

Ресурси и допълнително обучение

• Спецификация на WebXR Device API: https://www.w3.org/TR/webxr/
• Three.js: https://threejs.org/
• Babylon.js: https://www.babylonjs.com/
• Earcut (Библиотека за триангулация): https://github.com/mapbox/earcut
• ARKit (Apple): https://developer.apple.com/augmented-reality/arkit/
• ARCore (Google): https://developers.google.com/ar

Насърчаваме ви да разгледате тези ресурси и да експериментирате с генериране на мрежи на равнини във вашите собствени WebXR проекти. Бъдещето на уеб е потапящо, а WebXR предоставя инструментите за изграждането на това бъдеще.