Hloubkový pohled na WebXR Depth Sensing: Zvládnutí konfigurace hloubkového bufferu

Web se vyvíjí z dvourozměrné informační plochy v trojrozměrný, pohlcující prostor. V čele této transformace stojí WebXR, výkonné API, které přináší virtuální a rozšířenou realitu do prohlížeče. Ačkoli rané AR zážitky na webu byly působivé, často působily odtrženě od skutečného světa. Virtuální objekty se nepřesvědčivě vznášely v prostoru a procházely reálným nábytkem a stěnami bez pocitu přítomnosti.

Vstupuje WebXR Depth Sensing API. Tato průlomová funkce je monumentálním skokem vpřed, který webovým aplikacím umožňuje porozumět geometrii prostředí uživatele. Překlenuje propast mezi digitálním a fyzickým světem a umožňuje skutečně pohlcující a interaktivní zážitky, kde virtuální obsah respektuje zákony a uspořádání reálného světa. Klíčem k odemčení této síly je pochopení a správná konfigurace hloubkového bufferu.

Tento komplexní průvodce je určen pro globální publikum webových vývojářů, nadšenců do XR a kreativních technologů. Prozkoumáme základy snímání hloubky, rozebereme konfigurační možnosti WebXR API a poskytneme praktické, krok za krokem vedení pro implementaci pokročilých AR funkcí, jako je realistická okluze a fyzika. Na konci budete mít znalosti k zvládnutí konfigurace hloubkového bufferu a k vytváření nové generace přesvědčivých, kontextově orientovaných WebXR aplikací.

Porozumění základním konceptům

Než se ponoříme do specifik API, je klíčové vybudovat si pevné základy. Pojďme si objasnit základní koncepty, které pohánějí rozšířenou realitu s vnímáním hloubky.

Co je hloubková mapa?

Představte si, že se díváte na místnost. Váš mozek bez námahy zpracovává scénu a chápe, že stůl je blíže než zeď a židle je před stolem. Hloubková mapa je digitální reprezentací tohoto chápání. V jádru je hloubková mapa 2D obraz, kde hodnota každého pixelu nepředstavuje barvu, ale spíše vzdálenost daného bodu ve fyzickém světě od senzoru (kamery vašeho zařízení).

Představte si ji jako obrázek ve stupních šedi: tmavší pixely mohou představovat objekty, které jsou velmi blízko, zatímco světlejší pixely představují objekty, které jsou daleko (nebo naopak, v závislosti na konvenci). Tato data jsou typicky zachycována specializovaným hardwarem, jako jsou:

• Senzory Time-of-Flight (ToF): Tyto senzory vysílají pulz infračerveného světla a měří čas, který světlu trvá, než se odrazí od objektu a vrátí se. Tento časový rozdíl se přímo převádí na vzdálenost.
• LiDAR (Light Detection and Ranging): Podobně jako ToF, ale často přesnější, LiDAR používá laserové pulzy k vytvoření mračna bodů prostředí s vysokým rozlišením, které se následně převede na hloubkovou mapu.
• Stereoskopické kamery: Použitím dvou nebo více kamer může zařízení napodobit lidské binokulární vidění. Analyzuje rozdíly (disparitu) mezi obrazy z každé kamery a vypočítává hloubku.

WebXR API abstrahuje podkladový hardware a poskytuje vývojářům standardizovanou hloubkovou mapu, se kterou mohou pracovat bez ohledu na zařízení.

Proč je snímání hloubky pro AR klíčové?

Jednoduchá hloubková mapa otevírá svět možností, které zásadně mění uživatelský zážitek z AR a povyšují jej z pouhé novinky na skutečně uvěřitelnou interakci.

• Okluze: Toto je pravděpodobně nejvýznamnější přínos. Okluze je schopnost reálných objektů zakrývat pohled na virtuální objekty. S hloubkovou mapou vaše aplikace zná přesnou vzdálenost povrchu reálného světa v každém pixelu. Pokud je virtuální objekt, který vykreslujete, dále než povrch reálného světa na stejném pixelu, můžete se jednoduše rozhodnout ho nevykreslit. Tento jednoduchý akt způsobí, že virtuální postava přesvědčivě projde za skutečnou pohovkou nebo se digitální míč zakutálí pod skutečný stůl, což vytváří hluboký pocit integrace.
• Fyzika a interakce: Statický virtuální objekt je zajímavý, ale interaktivní je přesvědčivý. Snímání hloubky umožňuje realistické fyzikální simulace. Virtuální míč se může odrazit od skutečné podlahy, digitální postava se může pohybovat kolem skutečného nábytku a virtuální barva může být nastříkána na fyzickou zeď. To vytváří dynamický a responzivní zážitek.
• Rekonstrukce scény: Analýzou hloubkové mapy v čase může aplikace vytvořit zjednodušenou 3D síť (mesh) prostředí. Toto geometrické porozumění je životně důležité pro pokročilé AR, umožňuje funkce jako realistické osvětlení (vrhání stínů na reálné povrchy) a inteligentní umisťování objektů (umístění virtuální vázy na skutečný stůl).
• Zvýšený realismus: Nakonec všechny tyto funkce přispívají k realističtějšímu a pohlcujícímu zážitku. Když digitální obsah uznává a interaguje s fyzickým prostorem uživatele, boří bariéru mezi světy a podporuje hlubší pocit přítomnosti.

WebXR Depth Sensing API: Přehled

Modul Depth Sensing je rozšířením jádra WebXR Device API. Stejně jako u mnoha špičkových webových technologií nemusí být ve všech prohlížečích ve výchozím nastavení povolen a může vyžadovat specifické příznaky (flags) nebo být součástí Origin Trial. Je nezbytné budovat vaši aplikaci defenzivně a vždy zkontrolovat podporu před pokusem o použití této funkce.

Kontrola podpory

Než můžete požádat o seanci, musíte se nejprve zeptat prohlížeče, zda podporuje režim 'immersive-ar' s funkcí 'depth-sensing'. To se provádí pomocí metody `navigator.xr.isSessionSupported()`.

async function checkDepthSensingSupport() {
  if (!navigator.xr) {
    console.log("WebXR is not available.");
    return false;
  }

  try {
    const supported = await navigator.xr.isSessionSupported('immersive-ar');
    if (supported) {
        // Now check for the specific feature
        const session = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
            requiredFeatures: ['depth-sensing']
        });
        // If this succeeds, the feature is supported. We can end the test session.
        await session.end();
        console.log("WebXR AR with Depth Sensing is supported!");
        return true;
    } else {
        console.log("WebXR AR is not supported on this device.");
        return false;
    }
  } catch (error) {
    console.log("Error checking for Depth Sensing support:", error);
    return false;
  }
}

Přímější, i když méně kompletní, způsob je pokusit se požádat o seanci přímo a zachytit chybu, ale výše uvedená metoda je robustnější pro předběžnou kontrolu schopností.

Žádost o seanci

Jakmile potvrdíte podporu, požádáte o XR seanci zahrnutím 'depth-sensing' do pole `requiredFeatures` nebo `optionalFeatures`. Klíčové je předat konfigurační objekt spolu s názvem funkce, kde definujeme naše preference.

async function startXRSession() {
  const session = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
    requiredFeatures: ['local-floor', 'dom-overlay'], // other common features
    optionalFeatures: [
      {
        name: 'depth-sensing',
        usagePreference: ['cpu-optimized', 'gpu-optimized'],
        dataFormatPreference: ['float32', 'luminance-alpha']
      }
    ]
  });
  // ... proceed with session setup
}

Všimněte si, že 'depth-sensing' je nyní objekt. Zde poskytujeme naše konfigurační nápovědy prohlížeči. Pojďme si rozebrat tyto klíčové možnosti.

Konfigurace hloubkového bufferu: Jádro věci

Síla Depth Sensing API spočívá v jeho flexibilitě. Můžete prohlížeči sdělit, jak hodláte data o hloubce používat, což mu umožní poskytnout informace v nejefektivnějším formátu pro váš případ použití. Tato konfigurace probíhá v objektu deskriptoru funkce, primárně prostřednictvím dvou vlastností: `usagePreference` a `dataFormatPreference`.

`usagePreference`: CPU nebo GPU?

Vlastnost `usagePreference` je pole řetězců, které signalizuje váš primární případ použití User Agentovi (UA), což je prohlížeč. Umožňuje systému optimalizovat výkon, přesnost a spotřebu energie. Můžete požádat o více způsobů použití, seřazených podle preference.

'gpu-optimized'

• Co to znamená: Říkáte prohlížeči, že vaším hlavním cílem je použít data o hloubce přímo na GPU, s největší pravděpodobností v shaderech pro účely vykreslování.
• Jak jsou data poskytována: Hloubková mapa bude zpřístupněna jako `WebGLTexture`. To je neuvěřitelně efektivní, protože data nikdy nemusí opustit paměť GPU, aby byla použita pro vykreslování.
• Primární případ použití: Okluze. Vzorkováním této textury ve vašem fragment shaderu můžete porovnat hloubku reálného světa s hloubkou vašeho virtuálního objektu a zahodit fragmenty, které by měly být skryté. To je také užitečné pro další efekty založené na GPU, jako jsou částice s vnímáním hloubky nebo realistické stíny.
• Výkon: Toto je nejvýkonnější možnost pro vykreslovací úlohy. Vyhýbá se obrovskému úzkému hrdlu přenosu velkého množství dat z GPU do CPU v každém snímku.

'cpu-optimized'

• Co to znamená: Potřebujete přistupovat k surovým hodnotám hloubky přímo ve vašem JavaScript kódu na CPU.
• Jak jsou data poskytována: Hloubková mapa bude zpřístupněna jako JavaScriptem přístupný `ArrayBuffer`. Můžete číst, analyzovat a zpracovávat každou jednotlivou hodnotu hloubky.
• Primární případy použití: Fyzika, detekce kolizí a analýza scény. Například byste mohli provést raycast k nalezení 3D souřadnic bodu, na který uživatel klepne, nebo byste mohli analyzovat data k nalezení rovných povrchů, jako jsou stoly nebo podlahy, pro umístění objektů.
• Výkon: Tato možnost s sebou nese značné náklady na výkon. Data o hloubce musí být zkopírována ze senzoru/GPU zařízení do hlavní paměti systému, aby k nim mohl přistupovat CPU. Provádění složitých výpočtů na tomto velkém poli dat v každém snímku v JavaScriptu může snadno vést k problémům s výkonem a nízké snímkové frekvenci. Měla by být používána uvážlivě a střídmě.

Doporučení: Vždy žádejte o 'gpu-optimized', pokud plánujete implementovat okluzi. Můžete požádat o obojí, například: `['gpu-optimized', 'cpu-optimized']`. Prohlížeč se pokusí vyhovět vaší první preferenci. Váš kód musí být dostatečně robustní, aby zkontroloval, který model použití byl systémem skutečně udělen, a zvládl oba případy.

`dataFormatPreference`: Přesnost vs. Kompatibilita

Vlastnost `dataFormatPreference` je pole řetězců, které naznačuje požadovaný datový formát a přesnost hodnot hloubky. Tato volba ovlivňuje jak přesnost, tak hardwarovou kompatibilitu.

'float32'

• Co to znamená: Každá hodnota hloubky je plnohodnotné 32bitové číslo s plovoucí desetinnou čárkou.
• Jak to funguje: Hodnota přímo představuje vzdálenost v metrech. Není třeba dekódování; můžete ji použít tak, jak je. Například hodnota 1.5 v bufferu znamená, že bod je vzdálený 1,5 metru.
• Výhody: Vysoká přesnost a extrémně snadné použití jak v shaderech, tak v JavaScriptu. Toto je ideální formát pro přesnost.
• Nevýhody: Vyžaduje WebGL 2 a hardware, který podporuje textury s plovoucí desetinnou čárkou (jako je rozšíření `OES_texture_float`). Tento formát nemusí být dostupný na všech, zejména starších, mobilních zařízeních.

'luminance-alpha'

• Co to znamená: Toto je formát navržený pro kompatibilitu s WebGL 1 a hardwarem, který nepodporuje float textury. Používá dva 8bitové kanály (luminance a alpha) k uložení 16bitové hodnoty hloubky.
• Jak to funguje: Surová 16bitová hodnota hloubky je rozdělena na dvě 8bitové části. Abyste získali skutečnou hloubku, musíte tyto části ve svém kódu znovu zkombinovat. Vzorec je typicky: `decodedValue = luminanceValue + alphaValue / 255.0`. Výsledkem je normalizovaná hodnota mezi 0.0 a 1.0, která musí být následně vynásobena samostatným faktorem, abyste získali vzdálenost v metrech.
• Výhody: Mnohem širší hardwarová kompatibilita. Je to spolehlivá záloha, když 'float32' není podporováno.
• Nevýhody: Vyžaduje dodatečný krok dekódování ve vašem shaderu nebo JavaScriptu, což přidává malou míru složitosti. Nabízí také nižší přesnost (16bitovou) ve srovnání s 'float32'.

Doporučení: Požádejte o oba, s vaším nejžádanějším formátem na prvním místě: `['float32', 'luminance-alpha']`. Tím prohlížeči sdělíte, že preferujete formát s vysokou přesností, ale v případě nutnosti dokážete zpracovat i ten kompatibilnější. Opět platí, že vaše aplikace musí zkontrolovat, který formát byl udělen, a aplikovat správnou logiku pro zpracování dat.

Praktická implementace: Průvodce krok za krokem

Nyní spojme tyto koncepty do praktické implementace. Zaměříme se na nejběžnější případ použití: realistickou okluzi pomocí GPU optimalizovaného hloubkového bufferu.

Krok 1: Nastavení robustní žádosti o XR seanci

Požádáme o seanci s našimi ideálními preferencemi, ale navrhneme naši aplikaci tak, aby zvládla i alternativy.

let xrSession = null;
let xrDepthInfo = null;

async function onXRButtonClick() {
  try {
    xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
      requiredFeatures: ['local-floor'],
      domOverlay: { root: document.body }, // Example of another feature
      depthSensing: {
        usagePreference: ['gpu-optimized'],
        dataFormatPreference: ['float32', 'luminance-alpha']
      }
    });

    // ... Session start logic, setup canvas, WebGL context, etc.
    // In your session start logic, get the depth sensing configuration
    const depthSensing = xrSession.depthSensing;
    if (depthSensing) {
      console.log(`Depth sensing granted with usage: ${depthSensing.usage}`);
      console.log(`Depth sensing granted with data format: ${depthSensing.dataFormat}`);
    } else {
      console.warn("Depth sensing was requested but not granted.");
    }
    
    xrSession.requestAnimationFrame(onXRFrame);
  } catch (e) {
    console.error("Failed to start XR session.", e);
  }
}

Krok 2: Přístup k informacím o hloubce ve vykreslovací smyčce

Uvnitř vaší funkce `onXRFrame`, která je volána každý snímek, potřebujete získat informace o hloubce pro aktuální pohled.

function onXRFrame(time, frame) {
  const session = frame.session;
  session.requestAnimationFrame(onXRFrame);

  const pose = frame.getViewerPose(xrReferenceSpace);
  if (!pose) return;

  const glLayer = session.renderState.baseLayer;
  const gl = webglContext; // Your WebGL context
  gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, glLayer.framebuffer);

  for (const view of pose.views) {
    const viewport = glLayer.getViewport(view);
    gl.viewport(viewport.x, viewport.y, viewport.width, viewport.height);

    // The crucial step: get depth information
    const depthInfo = frame.getDepthInformation(view);

    if (depthInfo) {
      // We have depth data for this frame and view!
      // Pass this to our rendering function
      renderScene(view, depthInfo);
    } else {
      // No depth data available for this frame
      renderScene(view, null);
    }
  }
}

Objekt `depthInfo` (instance `XRDepthInformation`) obsahuje vše, co potřebujeme:

• `depthInfo.texture`: `WebGLTexture` obsahující hloubkovou mapu (pokud používáte 'gpu-optimized').
• `depthInfo.width`, `depthInfo.height`: Rozměry hloubkové textury.
• `depthInfo.normDepthFromNormView`: `XRRigidTransform` (matice) používaná k převodu normalizovaných souřadnic pohledu na správné souřadnice textury pro vzorkování hloubkové mapy. To je životně důležité pro správné zarovnání dat o hloubce s obrazem z barevné kamery.
• `depthInfo.rawValueToMeters`: Měřítko. Vynásobíte surovou hodnotu z textury tímto číslem, abyste získali vzdálenost v metrech.

Krok 3: Implementace okluze s GPU optimalizovaným hloubkovým bufferem

Zde se děje kouzlo, uvnitř vašich GLSL shaderů. Cílem je porovnat hloubku reálného světa (z textury) s hloubkou virtuálního objektu, který právě kreslíme.

Vertex Shader (Zjednodušený)

Vertex shader je většinou standardní. Transformuje vrcholy objektu a klíčově předává pozici v clip-space do fragment shaderu.

// GLSL (Vertex Shader)
attribute vec3 a_position;
uniform mat4 u_projectionMatrix;
uniform mat4 u_modelViewMatrix;
varying vec4 v_clipPosition;

void main() {
  vec4 position = u_modelViewMatrix * vec4(a_position, 1.0);
  gl_Position = u_projectionMatrix * position;
  v_clipPosition = gl_Position;
}

Fragment Shader (Jádro logiky)

Fragment shader odvádí tu nejtěžší práci. Budeme muset předat hloubkovou texturu a její související metadata jako uniformy.

// GLSL (Fragment Shader)
precision mediump float;

varying vec4 v_clipPosition;

uniform sampler2D u_depthTexture;
uniform mat4 u_normDepthFromNormViewMatrix;
uniform float u_rawValueToMeters;
// A uniform to tell the shader if we are using float32 or luminance-alpha
uniform bool u_isFloatTexture;

// Function to get real-world depth in meters for the current fragment
float getDepth(vec2 screenUV) {
  // Convert from screen UV to depth texture UV
  vec2 depthUV = (u_normDepthFromNormViewMatrix * vec4(screenUV, 0.0, 1.0)).xy;

  // Ensure we are not sampling outside the texture
  if (depthUV.x < 0.0 || depthUV.x > 1.0 || depthUV.y < 0.0 || depthUV.y > 1.0) {
    return 10000.0; // Return a large value if outside
  }

  float rawDepth;
  if (u_isFloatTexture) {
    rawDepth = texture2D(u_depthTexture, depthUV).r;
  } else {
    // Decode from luminance-alpha format
    vec2 encodedDepth = texture2D(u_depthTexture, depthUV).ra; // .ra is equivalent to .la
    rawDepth = encodedDepth.x + (encodedDepth.y / 255.0);
  }

  // Handle invalid depth values (often 0.0)
  if (rawDepth == 0.0) {
    return 10000.0; // Treat as very far away
  }

  return rawDepth * u_rawValueToMeters;
}

void main() {
  // Calculate the screen-space UV coordinates of this fragment
  // v_clipPosition.w is the perspective-divide factor
  vec2 screenUV = (v_clipPosition.xy / v_clipPosition.w) * 0.5 + 0.5;

  float realWorldDepth = getDepth(screenUV);

  // Get the virtual object's depth
  // gl_FragCoord.z is the normalized depth of the current fragment [0, 1]
  // We need to convert it back to meters (this depends on your projection matrix's near/far planes)
  // A simplified linear conversion for demonstration:
  float virtualObjectDepth = v_clipPosition.z / v_clipPosition.w;

  // THE OCCLUSION CHECK
  if (virtualObjectDepth > realWorldDepth) {
    discard; // This fragment is behind a real-world object, so don't draw it.
  }

  // If we are here, the object is visible. Draw it.
  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 1.0, 1.0); // Example: a magenta color
}

Důležitá poznámka k převodu hloubky: Převod `gl_FragCoord.z` nebo Z souřadnice v clip-space zpět na lineární vzdálenost v metrech je netriviální úkol, který závisí na vaší projekční matici. Řádek `float virtualObjectDepth = v_clipPosition.z / v_clipPosition.w;` poskytuje hloubku ve view-space, což je dobrý výchozí bod pro porovnání. Pro dokonalou přesnost byste museli použít vzorec zahrnující blízkou a dalekou ořezávací rovinu vaší kamery k linearizaci hodnoty hloubkového bufferu.

Osvědčené postupy a úvahy o výkonu

Budování robustních a výkonných zážitků s vnímáním hloubky vyžaduje pečlivé zvážení následujících bodů.

• Buďte flexibilní a defenzivní: Nikdy nepředpokládejte, že vaše preferovaná konfigurace bude udělena. Vždy se dotazujte na aktivní objekt `xrSession.depthSensing`, abyste zkontrolovali udělené `usage` a `dataFormat`. Napište svou vykreslovací logiku tak, aby zvládla všechny možné kombinace, které jste ochotni podporovat.
• Prioritizujte GPU pro vykreslování: Rozdíl ve výkonu je obrovský. Pro jakýkoli úkol, který zahrnuje vizualizaci hloubky nebo okluzi, je cesta 'gpu-optimized' jedinou životaschopnou možností pro plynulý zážitek 60/90fps.
• Minimalizujte a odkládejte práci CPU: Pokud musíte použít data 'cpu-optimized' pro fyziku nebo raycasting, nezpracovávejte celý buffer každý snímek. Provádějte cílené čtení. Například, když uživatel klepne na obrazovku, přečtěte pouze hodnotu hloubky na této konkrétní souřadnici. Zvažte použití Web Workeru k odlehčení těžké analýzy z hlavního vlákna.
• Zvládejte chybějící data elegantně: Hloubkové senzory nejsou dokonalé. Výsledná hloubková mapa bude mít díry, zašuměná data a nepřesnosti, zejména na reflexních nebo průhledných površích. Váš okluzní shader a fyzikální logika by měly zvládat neplatné hodnoty hloubky (často reprezentované jako 0), aby se předešlo vizuálním artefaktům nebo nesprávnému chování.
• Ovládněte souřadnicové systémy: Toto je časté místo selhání pro vývojáře. Věnujte zvýšenou pozornost různým souřadnicovým systémům (view, clip, normalized device, texture) a ujistěte se, že správně používáte poskytnuté matice jako `normDepthFromNormView` k zarovnání všeho.
• Spravujte spotřebu energie: Hardware pro snímání hloubky, zejména aktivní senzory jako LiDAR, může spotřebovávat značné množství energie baterie. Požadujte funkci 'depth-sensing' pouze tehdy, když ji vaše aplikace skutečně potřebuje. Ujistěte se, že vaše XR seance je správně pozastavena a ukončena, aby se šetřila energie, když uživatel není aktivně zapojen.

Budoucnost WebXR Depth Sensing

Snímání hloubky je základní technologií a specifikace WebXR se kolem ní nadále vyvíjí. Globální vývojářská komunita se může těšit na ještě výkonnější schopnosti v budoucnu:

• Porozumění scéně a meshing: Dalším logickým krokem je modul XRMesh, který poskytne skutečnou 3D trojúhelníkovou síť prostředí, vytvořenou z dat o hloubce. To umožní ještě realističtější fyziku, navigaci a osvětlení.
• Sémantické štítky: Představte si, že nejen znáte geometrii povrchu, ale také víte, že je to 'podlaha', 'zeď' nebo 'stůl'. Budoucí API pravděpodobně poskytnou tyto sémantické informace, což umožní neuvěřitelně inteligentní a kontextově orientované aplikace.
• Zlepšená hardwarová integrace: Jak se AR brýle a mobilní zařízení stávají výkonnějšími, s lepšími senzory a procesory, kvalita, rozlišení a přesnost dat o hloubce poskytovaných WebXR se dramaticky zlepší, což otevře nové kreativní možnosti.

Závěr

WebXR Depth Sensing API je transformační technologie, která vývojářům umožňuje vytvářet novou třídu webových zážitků rozšířené reality. Posunem za jednoduché umisťování objektů a přijetím porozumění prostředí můžeme budovat aplikace, které jsou realističtější, interaktivnější a skutečně integrované se světem uživatele. Zvládnutí konfigurace hloubkového bufferu – pochopení kompromisů mezi použitím 'cpu-optimized' a 'gpu-optimized' a mezi datovými formáty 'float32' a 'luminance-alpha' – je klíčovou dovedností potřebnou k odemčení tohoto potenciálu.

Vytvářením flexibilních, výkonných a robustních aplikací, které se dokážou přizpůsobit schopnostem zařízení uživatele, nevytváříte jen jeden zážitek; přispíváte k základům pohlcujícího, prostorového webu. Nástroje jsou ve vašich rukou. Je čas jít do hloubky a budovat budoucnost.