WebXR отражения: Реалистично рендиране на повърхности и картографиране на средата

WebXR революционизира начина, по който взаимодействаме с уеб, излизайки извън традиционните 2D интерфейси към потапящи 3D среди. Ключов елемент в създаването на завладяващи и правдоподобни WebXR преживявания е реалистичното рендиране на повърхности. Това включва точно симулиране на взаимодействието на светлината с различни материали, създавайки отражения, сенки и други визуални ефекти, които допринасят за усещането за присъствие и потапяне. Тази публикация разглежда основните концепции и техники, използвани за постигане на реалистично рендиране на повърхности, като се фокусира по-специално върху отраженията и картографирането на средата в контекста на WebXR.

Значението на реалистичното рендиране в WebXR

Реалистичното рендиране не е просто за да изглеждат нещата красиво; то играе фундаментална роля в потребителското изживяване и възприятие в XR среди. Когато обектите и средите изглеждат реалистични, нашите мозъци са по-склонни да ги приемат за реални, което води до по-силно усещане за присъствие. Това е от решаващо значение за приложения, вариращи от виртуален туризъм и дистанционно сътрудничество до симулации за обучение и интерактивно разказване на истории.

• Подобрено потапяне: Реалистичните визии създават по-дълбоко усещане за потапяне, позволявайки на потребителите да се чувстват по-присъстващи във виртуалната или добавена среда.
• Подобрено разбиране: Точно рендираните обекти и сцени могат да подобрят разбирането, особено в образователен или обучителен контекст. Представете си да изследвате виртуален музей с артефакти, които изглеждат и се усещат невероятно реални.
• Повишена ангажираност: Визуално привлекателните и реалистични преживявания са по-ангажиращи и приятни за потребителите, което води до по-висока степен на задържане и положителна обратна връзка.
• Намалено когнитивно натоварване: Реалистичното рендиране може да намали когнитивното натоварване, като предоставя визуални подсказки, които съответстват на нашите очаквания от реалния свят.

Основи на рендирането на повърхности

Рендирането на повърхности е процесът на изчисляване на цвета и вида на повърхността на даден обект въз основа на свойствата на материала му, условията на осветление и ъгъла на гледане. Няколко фактора влияят върху взаимодействието на светлината с повърхността, включително:

• Свойства на материала: Типът на материала (напр. метал, пластмаса, стъкло) определя как той отразява, пречупва и поглъща светлината. Ключовите свойства на материала включват цвят, грапавост, металичност и прозрачност.
• Осветление: Интензитетът, цветът и посоката на светлинните източници оказват значително влияние върху външния вид на повърхността. Често срещаните видове осветление включват насочени светлини, точкови светлини и околна светлина.
• Ъгъл на гледане: Ъгълът, под който зрителят гледа повърхността, влияе върху възприемания цвят и яркост поради огледални отражения и други ефекти, зависими от гледната точка.

Традиционно WebGL разчиташе в голяма степен на апроксимации на тези физични явления, което водеше до несъвършен реализъм. Съвременната WebXR разработка обаче използва техники като физически базирано рендиране (PBR), за да постигне много по-точни и убедителни резултати.

Физически базирано рендиране (PBR)

PBR е техника за рендиране, която има за цел да симулира взаимодействието на светлината с материалите въз основа на принципите на физиката. За разлика от традиционните методи за рендиране, които разчитат на ad-hoc апроксимации, PBR се стреми към запазване на енергията и консистентност на материалите. Това означава, че количеството отразена от повърхността светлина никога не трябва да надвишава количеството светлина, което пада върху нея, и че свойствата на материала трябва да остават постоянни независимо от условията на осветление.

Ключовите концепции в PBR включват:

• Запазване на енергията: Количеството отразена от повърхността светлина никога не трябва да надвишава количеството светлина, което пада върху нея.
• Двупосочна функция на разпределение на отражателната способност (BRDF): BRDF описва как светлината се отразява от повърхността под различни ъгли. PBR използва физически правдоподобни BRDF, като моделите на Cook-Torrance или GGX, за симулиране на реалистични огледални отражения.
• Теория на микрофасетите: PBR приема, че повърхностите са съставени от малки, микроскопични фасети, които отразяват светлината в различни посоки. Грапавостта на повърхността определя разпределението на тези микрофасети, което влияе върху остротата и интензитета на огледалните отражения.
• Работен процес с метали: PBR често използва работен процес с метали, при който материалите се класифицират като метални или неметални (диелектрици). Металните материали са склонни да отразяват светлината огледално, докато неметалните материали имат по-дифузен компонент на отражение.

PBR материалите обикновено се дефинират чрез набор от текстури, които описват свойствата на повърхността. Често срещаните PBR текстури включват:

• Основен цвят (Albedo): Основният цвят на повърхността.
• Металичност: Показва дали материалът е метален или неметален.
• Грапавост: Контролира гладкостта или грапавостта на повърхността, като влияе върху остротата на огледалните отражения.
• Карта на нормалите (Normal Map): Текстура, която кодира нормалите на повърхността, позволявайки симулация на фини детайли без увеличаване на броя на полигоните.
• Околна оклузия (Ambient Occlusion - AO): Представлява количеството околна светлина, което се блокира от близка геометрия, добавяйки фини сенки и дълбочина на повърхността.

Картографиране на средата за отражения

Картографирането на средата е техника, използвана за симулиране на отражения и пречупвания чрез заснемане на заобикалящата среда и използването й за определяне на цвета на отразената или пречупена светлина. Тази техника е особено полезна за създаване на реалистични отражения върху лъскави или гланцирани повърхности в WebXR среди.

Видове карти на средата

• Кубични карти (Cube Maps): Кубичната карта е колекция от шест текстури, които представят средата от централна точка. Всяка текстура съответства на една от шестте страни на куб. Кубичните карти се използват често за картографиране на средата поради способността им да заснемат 360-градусов изглед на околността.
• Еквиректангуларни карти (HDRIs): Еквиректангуларната карта е панорамно изображение, което покрива цялата сфера на околната среда. Тези карти често се съхраняват във формат HDR (High Dynamic Range), който позволява по-широк диапазон от цветове и интензитети, което води до по-реалистични отражения. HDRIs се заснемат със специализирани камери или се генерират с помощта на софтуер за рендиране.

Генериране на карти на средата

Картите на средата могат да бъдат генерирани по няколко начина:

• Предварително рендирани кубични карти: Те се създават офлайн с помощта на софтуер за 3D рендиране. Предлагат високо качество, но са статични и не могат да се променят динамично по време на изпълнение.
• Генериране на кубични карти в реално време: Това включва рендиране на средата от позицията на отразяващия обект в реално време. Това позволява динамични отражения, които се адаптират към промените в сцената, но може да бъде изчислително скъпо.
• Заснети HDRIs: С помощта на специализирани камери можете да заснемате реални среди като HDRIs. Те предоставят невероятно реалистични данни за осветление и отражения, но са статични.
• Процедурни карти на средата: Те се генерират алгоритмично, което позволява динамични и персонализирани среди. Често са по-малко реалистични от заснетите или предварително рендираните карти, но могат да бъдат полезни за стилизирани или абстрактни среди.

Използване на карти на средата в WebXR

За да използвате карти на средата в WebXR, трябва да заредите данните на картата и да ги приложите към материалите на обектите във вашата сцена. Това обикновено включва създаване на шейдър, който семплира картата на средата въз основа на нормалата на повърхността и посоката на гледане. Съвременните WebGL рамки като Three.js и Babylon.js предоставят вградена поддръжка за картографиране на средата, което улеснява интегрирането на тази техника във вашите WebXR проекти.

Проследяване на лъчи (Бъдещето на рендирането в WebXR)

Макар че PBR и картографирането на средата предоставят отлични резултати, крайната цел на реалистичното рендиране е да симулира пътя на светлинните лъчи, докато те взаимодействат със средата. Проследяването на лъчи е техника за рендиране, която проследява пътя на светлинните лъчи от камерата до обектите в сцената, симулирайки отражения, пречупвания и сенки с висока точност. Макар че проследяването на лъчи в реално време в WebXR е все още в ранен етап поради ограничения в производителността, то крие огромен потенциал за създаване на наистина фотореалистични преживявания в бъдеще.

Предизвикателства пред проследяването на лъчи в WebXR:

• Производителност: Проследяването на лъчи е изчислително скъпо, особено за сложни сцени. Оптимизирането на алгоритмите за проследяване на лъчи и използването на хардуерно ускорение е от решаващо значение за постигане на производителност в реално време.
• Ограничения на уеб платформата: В исторически план WebGL е имал ограничения по отношение на достъпа до нисконивови хардуерни функции, необходими за ефективно проследяване на лъчи. Въпреки това, по-новите WebGPU API-та адресират тези ограничения и проправят пътя за по-напреднали техники за рендиране.

Потенциал на проследяването на лъчи в WebXR:

• Фотореалистично рендиране: Проследяването на лъчи може да произведе невероятно реалистични изображения с точни отражения, пречупвания и сенки.
• Глобално осветление: Проследяването на лъчи може да симулира ефекти на глобално осветление, при които светлината се отразява от повърхности и осветява средата индиректно, създавайки по-естествено и потапящо осветление.
• Интерактивни преживявания: С оптимизирани алгоритми за проследяване на лъчи и хардуерно ускорение ще бъде възможно да се създават интерактивни WebXR преживявания с фотореалистично рендиране в бъдеще.

Практически примери и кодови фрагменти (Three.js)

Нека разгледаме как да внедрим картографиране на средата с помощта на Three.js, популярна WebGL библиотека.

Зареждане на HDR карта на средата

Първо, ще ви е необходима HDR (High Dynamic Range) карта на средата. Те обикновено са във формат .hdr или .exr. Three.js предоставя зареждащи модули за тези формати.

            
import * as THREE from 'three';
import { RGBELoader } from 'three/examples/jsm/loaders/RGBELoader.js';

let environmentMap;

new RGBELoader()
  .setPath( 'textures/' )
  .load( 'venice_sunset_1k.hdr', function ( texture ) {

    texture.mapping = THREE.EquirectangularReflectionMapping;

    environmentMap = texture;

    //Apply to a scene or material here (see below)

  } );

            

              
                Copy
              
            
          

Прилагане на картата на средата към материал

След като картата на средата е заредена, можете да я приложите към свойството `envMap` на материал, като например `MeshStandardMaterial` (PBR материал) или `MeshPhongMaterial`.

            
const geometry = new THREE.SphereGeometry( 1, 32, 32 );
const material = new THREE.MeshStandardMaterial( {
  color: 0xffffff,
  metalness: 0.9,  //Make it shiny!
  roughness: 0.1,
  envMap: environmentMap,
} );

const sphere = new THREE.Mesh( geometry, material );
scene.add( sphere );

            

              
                Copy
              
            
          

Динамични карти на средата (използвайки WebXR рендер таргет)

За динамични отражения в реално време можете да създадете `THREE.WebGLCubeRenderTarget` и да го актуализирате на всеки кадър, като рендирате сцената в него. Това е по-сложно, но позволява отражения, които реагират на промени в средата.

            
//Create a cube render target
const cubeRenderTarget = new THREE.WebGLCubeRenderTarget( 256 ); //Resolution of the cube map faces
const cubeCamera = new THREE.CubeCamera( 0.1, 1000, cubeRenderTarget ); //Near, far, renderTarget

//In your render loop:

cubeCamera.update( renderer, scene ); //Renders the scene to the cubeRenderTarget

//Then apply the cubeRenderTarget to your material:
material.envMap = cubeRenderTarget.texture;

            

              
                Copy
              
            
          

Важни съображения:

• Производителност: Динамичните карти на средата са скъпи. Използвайте по-ниски резолюции за текстурите на кубичната карта и обмислете да ги актуализирате по-рядко.
• Позициониране: `CubeCamera` трябва да бъде позиционирана правилно, обикновено в центъра на отразяващия обект.
• Съдържание: Съдържанието, рендирано в кубичната карта, ще бъде това, което се отразява. Уверете се, че съответните обекти присъстват в сцената.

Техники за оптимизация на рендирането в WebXR

Оптимизирането на производителността на рендирането е от решаващо значение за създаването на гладки и отзивчиви WebXR преживявания. Ето някои ключови техники за оптимизация:

• Ниво на детайлност (LOD): Използвайте модели с по-ниска резолюция за обекти, които са далеч от зрителя. Three.js има вградена поддръжка за LOD.
• Компресия на текстури: Използвайте компресирани формати на текстури като Basis Universal (KTX2), за да намалите използването на памет за текстури и да подобрите времето за зареждане.
• Отсичане по видимост (Occlusion Culling): Предотвратете рендирането на обекти, които са скрити зад други обекти.
• Оптимизация на шейдъри: Оптимизирайте шейдърите, за да намалите броя на изчисленията, извършвани за пиксел.
• Инстанциране (Instancing): Рендирайте множество инстанции на един и същ обект с едно извикване за рисуване.
• Честота на кадрите в WebXR: Насочете се към стабилна честота на кадрите (напр. 60 или 90 FPS) и регулирайте настройките за рендиране, за да поддържате производителността.
• Използвайте WebGL2: Където е възможно, използвайте функциите на WebGL2, който предлага подобрения в производителността спрямо WebGL1.
• Минимизиране на извикванията за рисуване (Draw Calls): Всяко извикване за рисуване има своите разходи. Групирайте геометрията, където е възможно, за да намалите броя на извикванията.

Съображения за междуплатформеност

WebXR цели да бъде междуплатформена технология, която ви позволява да изпълнявате XR преживявания на различни устройства, включително хедсети, мобилни телефони и настолни компютри. Има обаче някои междуплатформени съображения, които трябва да имате предвид:

• Хардуерни възможности: Различните устройства имат различни хардуерни възможности. Хедсетите от висок клас могат да поддържат усъвършенствани функции за рендиране като проследяване на лъчи, докато мобилните телефони могат да имат по-ограничени възможности. Адаптирайте настройките за рендиране въз основа на целевото устройство.
• Съвместимост с браузъри: Уверете се, че вашето WebXR приложение е съвместимо с различни уеб браузъри и XR среди за изпълнение. Тествайте приложението си на различни устройства и браузъри.
• Методи за въвеждане: Различните устройства могат да използват различни методи за въвеждане, като контролери, проследяване на ръце или гласово въвеждане. Проектирайте приложението си така, че да поддържа множество методи за въвеждане.
• Оптимизация на производителността: Оптимизирайте приложението си за най-ниския клас целево устройство, за да осигурите гладко и отзивчиво изживяване на всички платформи.

Бъдещето на реалистичното рендиране в WebXR

Областта на реалистичното рендиране в WebXR непрекъснато се развива. Ето някои вълнуващи тенденции и бъдещи насоки:

• WebGPU: Появата на WebGPU, нов уеб графичен API, обещава значителни подобрения в производителността спрямо WebGL, позволявайки по-напреднали техники за рендиране като проследяване на лъчи.
• Рендиране с помощта на изкуствен интелект: Изкуственият интелект (AI) се използва за подобряване на техниките за рендиране, като например премахване на шума от изображения с проследяване на лъчи и генериране на реалистични текстури.
• Невронно рендиране: Техниките за невронно рендиране използват дълбоко обучение за създаване на фотореалистични изображения от ограничен набор от входни изображения.
• Глобално осветление в реално време: Изследователите разработват техники за глобално осветление в реално време в WebXR, създавайки по-естествено и потапящо осветление.
• Подобрена компресия: Разработват се нови алгоритми за компресия за намаляване на размера на текстурите и 3D моделите, което позволява по-бързо време за зареждане и подобрена производителност.

Заключение

Реалистичното рендиране на повърхности, включително техники като PBR и картографиране на средата, е от съществено значение за създаването на завладяващи и потапящи WebXR преживявания. Чрез разбиране на принципите на взаимодействие на светлината, използване на съвременни WebGL рамки и оптимизиране на производителността на рендиране, разработчиците могат да създават виртуални и добавени реалности, които са както визуално зашеметяващи, така и ангажиращи. Тъй като WebGPU и други усъвършенствани технологии за рендиране стават все по-достъпни, бъдещето на реалистичното рендиране в WebXR изглежда по-светло от всякога, проправяйки пътя за наистина фотореалистични и интерактивни XR преживявания.

Разгледайте ресурси като спецификацията glTF на Khronos Group за стандартизирана доставка на активи и експериментирайте с WebXR примери от Mozilla и Google, за да задълбочите разбирането си. Пътуването към наистина фотореалистични WebXR преживявания продължава, и вашият принос може да оформи бъдещето на потапящата уеб разработка.