WebXR-i oklusioon: realistliku objektide interaktsiooni saavutamine kaasahaaravates kogemustes

WebXR muudab revolutsiooniliselt viisi, kuidas me digitaalse sisuga suhtleme, hägustades piire füüsilise ja virtuaalse maailma vahel. Usutavate ja kaasahaaravate kogemuste loomise oluline aspekt on realistlik objektide interaktsioon. Üks tehnika, mis realismi oluliselt suurendab, on oklusioon – võime peita virtuaalseid objekte reaalmaailma objektide taha ja vastupidi.

Mis on WebXR-i oklusioon?

Oklusioon WebXR-i kontekstis tähendab virtuaalsete objektide osade valikulist peitmist nende ruumilise suhte alusel reaalmaailma objektidega (liitreaalsuses) või teiste virtuaalsete objektidega (virtuaalreaalsuses). Ilma oklusioonita tunduvad virtuaalsed objektid keskkonnas ebaloomulikult hõljuvat, purustades immersiooni illusiooni. Kujutage ette virtuaalse kohvitassi asetamist päris lauale; ilma oklusioonita võib tass tunduda hõljuvat laua ees või, mis veel hullem, seda läbistavat. Korraliku oklusiooniga renderdatakse see osa tassist, mis peaks olema laua taga peidus, korrektselt nähtamatuks, muutes interaktsiooni palju realistlikumaks.

Oklusioon on eriti oluline järgmistel juhtudel:

• Liitreaalsus (AR): Virtuaalsete objektide sujuv integreerimine kasutaja füüsilisse keskkonda.
• Virtuaalreaalsus (VR): Sügavustaju ja ruumilise teadlikkuse parandamine virtuaalses maailmas.
• Segareaalsus (MR): AR-i ja VR-i elementide kombineerimine hübriidkogemuste loomiseks.

Miks on oklusioon kaasahaaravate kogemuste jaoks oluline?

Oklusioon mängib usutavate ja kaasahaaravate WebXR-i kogemuste loomisel kriitilist rolli mitmel põhjusel:

• Suurendatud realism: Täpselt esitades, kuidas objektid ruumiliselt interakteeruvad, suurendab oklusioon oluliselt kaasahaaravate keskkondade realismi. See on kasutaja immersiooni ja usutavuse jaoks ülioluline.
• Parem sügavustaju: Oklusioon pakub visuaalseid vihjeid, mis aitavad kasutajatel mõista objektide suhtelisi asukohti ja sügavusi stseenis. See on loomuliku ja intuitiivse interaktsiooni jaoks hädavajalik.
• Vähendatud visuaalsed artefaktid: Ilma oklusioonita võivad virtuaalsed objektid tunduda läbistavat reaalmaailma objekte või teisi virtuaalseid objekte, luues häirivaid visuaalseid artefakte, mis rikuvad kohaloleku illusiooni.
• Suurem kasutajate kaasatus: Realistlikum ja kaasahaaravam kogemus viib suurema kasutajate kaasatuseni ja positiivsema üldmuljeni WebXR-i rakendusest.

Oklusiooni tüübid WebXR-is

WebXR-is on oklusiooni rakendamiseks mitmeid lähenemisviise, millest igaühel on oma eelised ja piirangud:

1. Tasapindade tuvastamine ja varjude renderdamine

See meetod hõlmab horisontaalsete ja vertikaalsete tasapindade tuvastamist keskkonnas ja varjude renderdamist neile tasapindadele. Kuigi see pole tõeline oklusioon, pakub see virtuaalsetele objektidele visuaalse maanduse baastaseme, muutes need reaalmaailmaga integreeritumaks. Raamistikud nagu AR.js ja vanemad implementatsioonid toetusid sellele tugevalt kui lähtepunktile.

Plussid:

• Suhteliselt lihtne rakendada.
• Madal arvutuslik koormus.

Miinused:

• Ei ole tõeline oklusioon; objektid ei kao tegelikult reaalmaailma objektide taha.
• Piiratud tasapinnaliste pindadega.
• Võib olla ebatäpne, kui tasapinna tuvastamine on ebausaldusväärne.

Näide: Kujutage ette, et asetate virtuaalse kujukese lauale, kasutades tasapinna tuvastamist ja varjude renderdamist. Kujuke heidab lauale varju, kuid kui liigutate lauda kujukese ette, on kujuke endiselt nähtav, selle asemel et olla laua poolt varjatud.

2. Sügavustuvastus (sügavuse API)

WebXR Device API sisaldab nüüd sügavuse API-d, mis võimaldab rakendustel pääseda juurde seadme andurite (nt LiDAR, lennuaja kaamerad) sügavusteabele. Seda sügavusteavet saab kasutada keskkonna sügavuskaardi loomiseks, mida saab seejärel kasutada täpseks oklusiooniks.

Plussid:

• Pakub tõelist oklusiooni, mis põhineb reaalmaailma geomeetrial.
• Täpsem ja usaldusväärsem kui tasapinna tuvastamine.

Miinused:

• Nõuab sügavustuvastuse võimekusega seadmeid (nt uuemad nutitelefonid, AR-peakomplektid).
• Sügavusandmed võivad olla mürarikkad või mittetäielikud, nõudes filtreerimist ja silumist.
• Suurem arvutuslik koormus võrreldes tasapinna tuvastamisega.

Näide: Kasutades sügavuse API-d, saate paigutada virtuaalse taime päris raamaturiiulile. Riiuli ümber liikudes varjatakse taim riiulite poolt korrektselt, luues realistliku ja kaasahaarava kogemuse.

3. Semantiline segmenteerimine

See tehnika hõlmab masinõppe kasutamist keskkonnas olevate objektide tuvastamiseks ja segmenteerimiseks. Mõistes erinevate objektide (nt toolid, lauad, seinad) semantilist tähendust, saab süsteem täpsemini kindlaks teha, millised objektid peaksid teisi varjama. Seda kasutatakse sageli koos sügavustuvastusega oklusioonitulemuste täpsustamiseks.

Plussid:

• Pakub kõrgemat taset stseeni mõistmisel.
• Saab hakkama keeruliste ja mittetasapinnaliste pindadega.
• Saab kasutada oklusiooni ennustamiseks isegi siis, kui sügavusandmed on mittetäielikud.

Miinused:

• Nõuab märkimisväärseid arvutusressursse.
• Täpsus sõltub masinõppemudeli kvaliteedist.
• Võib nõuda sihtkeskkonnale spetsiifilisi treeningandmeid.

Näide: Kujutage ette AR-rakendust, mis võimaldab teil oma elutuba virtuaalselt ümber kujundada. Semantiline segmenteerimine suudab tuvastada olemasoleva mööbli ja korrektselt varjata virtuaalseid objekte, nagu uued diivanid või lambid, nende objektide taha.

4. Pildijälgimine ja oklusioonimahud

See lähenemine hõlmab konkreetsete piltide või markerite jälgimist keskkonnas ja oklusioonimahtude loomist nende teadaoleva geomeetria alusel. See on eriti kasulik kontrollitud keskkondades, kus teatud objektide asukoht ja kuju on ette teada. Näiteks võib määratleda prinditud sildi okludeerijana. Siis oleks selle sildi taga olev virtuaalne objekt korrektselt varjatud.

Plussid:

• Täpne ja usaldusväärne oklusioon teadaolevate objektide jaoks.
• Suhteliselt madal arvutuslik koormus.

Miinused:

• Piiratud objektidega, millel on jälgitavad pildid või markerid.
• Nõuab hoolikat seadistamist ja kalibreerimist.

Näide: Tehasetingimustes kasutatav AR-rakendus võiks kasutada pildijälgimist masinate äratundmiseks ja nende ümber oklusioonimahtude loomiseks, võimaldades virtuaalsete juhiste või märkuste kuvamist masinate taga ilma läbilõikamiseta.

Oklusiooni rakendamine WebXR-is: praktilised näited

Uurime mõningaid praktilisi näiteid, kuidas rakendada oklusiooni WebXR-is, kasutades populaarseid raamistikke nagu three.js ja Babylon.js.

Näide 1: Kasutades three.js-i ja WebXR-i sügavuse API-d

See näide demonstreerib, kuidas kasutada WebXR-i sügavuse API-d three.js-is realistliku oklusiooni saavutamiseks.

Eeldused:

• Sügavustuvastuse võimekusega seade (nt hiljutine nutitelefon või AR-peakomplekt).
• WebXR-i toega veebibrauser.
• Põhiteadmised three.js-ist.

Sammud:

1. Initsialiseerige WebXR-i seanss sisselülitatud sügavustuvastusega:

               const xr = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
    requiredFeatures: ['depth-sensing', 'dom-overlay'],
    domOverlay: { root: document.getElementById('overlay') }
    });
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

2. Hankige XRFrame ja XRDepthInformation:

               const depthInfo = frame.getDepthInformation(view);
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

3. Looge sügavusandmetest sügavusvõrgustik:

               // Eeldades, et teil on funktsioon three.js võrgustiku loomiseks sügavusandmetest
    const depthMesh = createDepthMesh(depthInfo);
    scene.add(depthMesh);
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

4. Kasutage sügavusvõrgustikku oklusioonimaskina:

               // Määrake virtuaalsete objektide materjal kasutama sügavusvõrgustikku oklusioonikaardina
    virtualObject.material.depthWrite = true;
    virtualObject.material.depthTest = true;
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

5. Värskendage sügavusvõrgustikku igas kaadris:

               renderer.render(scene, camera);
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

Terviklik näide (kontseptuaalne):

            
 // Three.js animatsioonitsüklis:
 function animate(time, frame) {
 if (frame) {
 const depthInfo = frame.getDepthInformation(xrRefSpace);
 if (depthInfo) {
 // Värskendage sügavusvõrgustikku uue sügavusteabega
 updateDepthMesh(depthMesh, depthInfo);
 }
 }
 renderer.render(scene, camera);
 }

 renderer.setAnimationLoop(animate);

            

              
                Copy
              
            
          

Selgitus:

• Kood initsialiseerib WebXR-i seansi sisselülitatud depth-sensing funktsiooniga.
• See hangib sügavusteabe XRFrame'ist, kasutades frame.getDepthInformation().
• Sügavusandmetest luuakse sügavusvõrgustik, mis esindab keskkonna geomeetriat.
• Virtuaalsete objektide materjal on konfigureeritud kasutama sügavusvõrgustikku oklusioonimaskina, seades depthWrite ja depthTest väärtuseks true.
• Sügavusvõrgustikku uuendatakse igas kaadris, et kajastada keskkonna muutusi.

Näide 2: Kasutades Babylon.js-i ja WebXR-i sügavustuvastust

See näide demonstreerib, kuidas saavutada oklusiooni Babylon.js-is, kasutades WebXR-i sügavustuvastust.

Eeldused:

• Sügavustuvastuse võimekusega seade.
• WebXR-i toega veebibrauser.
• Põhiteadmised Babylon.js-ist.

Sammud:

1. Initsialiseerige WebXR-i kogemuse abiline sügavustuvastusega:

               const xrHelper = await scene.createDefaultXRExperienceAsync({
    uiOptions: {
    sessionMode: 'immersive-ar',
    referenceSpaceType: 'local-floor'
    },
    optionalFeatures: true
    });
    xrHelper.baseExperience.sessionManager.session.requestAnimationFrame(renderLoop);
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

2. Juurdepääs sügavusteabele XRFrame'ist (sarnaselt ThreeJS-ile):

               const xrFrame = xrHelper.baseExperience.sessionManager.currentFrame;
    if (xrFrame) {
    const depthInfo = xrFrame.getDepthInformation(xrHelper.baseExperience.camera.xrCamera.getPose());
    if (depthInfo) { /* Kasutage sügavusteavet */ }
    }
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

3. Kasutage arvutusvarjutajat või muid meetodeid sügavustekstuuri/puhvri loomiseks ja selle rakendamiseks oma objektide kohandatud materjalile

Kontseptuaalne kood

            
  if (depthInfo) {
 // Näide (kontseptuaalne): Lihtsa sügavuspuhvri visualiseerimise loomine
 // See võib hõlmata dünaamilise tekstuuri loomist ja selle värskendamist
 // depthInfo sügavusandmete põhjal. Parima kaasaegse implementatsiooni saamiseks
 // konsulteerige Babyloni dokumentatsiooni ja Shader Material'i võimalustega.
  }

            

              
                Copy
              
            
          

Selgitus:

• Kood initsialiseerib Babylon.js WebXR-i kogemuse abilise depth-sensing funktsiooniga.
• See hangib sügavusteabe XRFrame'ist.
• Näide näitab **kontseptuaalset** protsessi. Te võtaksite selle sügavusteabe ja looksite Babyloni tekstuuri, seejärel rakendaksite selle ShaderMaterial'ile, mis omakorda rakendatakse võrgustikule. Terviklike näidete saamiseks konsulteerige ametliku BabylonJS-i dokumentatsiooniga XR-i kohta.

Oklusiooni jõudluse optimeerimine

Oklusioon võib olla arvutuslikult kulukas, eriti sügavustuvastuse või semantilise segmenteerimise kasutamisel. Siin on mõned näpunäited jõudluse optimeerimiseks:

• Kasutage madalama eraldusvõimega sügavuskaarte: Sügavuskaardi eraldusvõime vähendamine võib oluliselt vähendada arvutuslikku koormust.
• Filtreerige ja siluge sügavusandmeid: Filtreerimis- ja silumistehnikate rakendamine võib vähendada müra sügavusandmetes ja parandada oklusiooni stabiilsust.
• Kasutage oklusioonimahte: Tuntud geomeetriaga staatiliste objektide puhul kasutage reaalajas sügavustuvastuse asemel oklusioonimahte.
• Rakendage vaatekoonuse kärpimist (frustum culling): Renderdage ainult neid virtuaalseid objekte, mis on nähtavad kaamera vaatekoonuses.
• Optimeerige varjutajaid: Veenduge, et teie varjutajad on jõudluse jaoks optimeeritud, eriti need, mis tegelevad sügavustestimise ja oklusiooniarvutustega.
• Profileerige oma koodi: Kasutage profileerimisvahendeid jõudluse kitsaskohtade tuvastamiseks ja vastavalt optimeerimiseks.

Väljakutsed ja tulevikusuunad

Kuigi WebXR-i oklusioon on teinud märkimisväärseid edusamme, on mitmeid väljakutseid veel ees:

• Seadmete ühilduvus: Sügavustuvastus ei ole veel kõigil seadmetel saadaval, mis piirab oklusioonipõhiste AR-kogemuste levikut.
• Arvutuslik kulu: Reaalajas sügavustuvastus ja semantiline segmenteerimine võivad olla arvutuslikult kulukad, eriti mobiilseadmetes.
• Täpsus ja robustsus: Sügavusandmed võivad olla mürarikkad ja mittetäielikud, nõudes robustseid algoritme vigade ja kõrvalekallete käsitlemiseks.
• Dünaamilised keskkonnad: Oklusioon dünaamilistes keskkondades, kus objektid pidevalt liiguvad ja muutuvad, on keeruline probleem.

Tulevased uurimissuunad hõlmavad:

• Täiustatud sügavustuvastustehnoloogia: Täpsemad ja tõhusamad sügavusandurid võimaldavad realistlikumat ja robustsemat oklusiooni.
• Masinõppepõhine oklusioon: Masinõppe algoritme saab kasutada oklusiooni täpsuse ja robustsuse parandamiseks, eriti keerulistes keskkondades.
• Pilvepõhine oklusioon: Oklusioonitöötluse delegeerimine pilvele võib vähendada arvutuslikku koormust mobiilseadmetel.
• Standardiseeritud oklusiooni API-d: Standardiseeritud API-d oklusiooni jaoks muudavad arendajatele oklusiooni rakendamise WebXR-i rakendustes lihtsamaks.

WebXR-i oklusiooni rakendused reaalmaailmas

WebXR-i oklusiooni kasutatakse juba laias valikus rakendustes, sealhulgas:

• E-kaubandus: Võimaldab klientidel virtuaalselt paigutada mööblit ja muid tooteid oma kodudesse. Näiteks IKEA Place rakendus (https://www.ikea.com/us/en/customer-service/mobile-apps/ikea-place-app-pubd476f9e0) võimaldab kasutajatel näha, kuidas mööbel nende kodus välja näeb, kasutades AR-i koos põhilise tasapinna tuvastamisega. Keerukamad oklusioonitehnikad suurendavad nende rakenduste realismi ja kasulikkust.
• Mängud: Kaasahaaravamate ja realistlikumate AR-mängude loomine. Kujutage ette mängu, kus virtuaalsed olendid saavad peituda reaalmaailma objektide taha.
• Haridus ja koolitus: Interaktiivsete ja kaasahaaravate õpikogemuste pakkumine. Näiteks meditsiinitudengid saavad kasutada AR-i anatoomiliste struktuuride visualiseerimiseks 3D-s, kusjuures õige oklusioon tagab, et struktuurid ilmuvad kehas realistlikult.
• Kaugkoostöö: Kaugkoostöö parandamine, võimaldades kasutajatel suhelda virtuaalsete objektidega jagatud füüsilises ruumis. Insenerimeeskonnad erinevatest asukohtadest saavad teha koostööd virtuaalse prototüübiga, vaadates seda oma reaalmaailma keskkonna kontekstis.
• Tootmine ja hooldus: Töötajatele AR-põhiste juhiste ja juhendamise pakkumine keerukate ülesannete jaoks. Tehnikud näevad virtuaalseid skeeme, mis on asetatud reaalmaailma seadmetele, kusjuures oklusioon tagab, et skeemid ilmuvad õigesti paigutatuna ja keskkonnaga integreerituna.

Kokkuvõte

WebXR-i oklusioon on võimas tehnika realistlike ja kaasahaaravate kogemuste loomiseks. Täpselt esitades, kuidas virtuaalsed objektid ruumiliselt reaalmaailmaga interakteeruvad, suurendab oklusioon oluliselt kasutaja immersiooni ja usutavust. Kuna sügavustuvastustehnoloogia muutub laiemalt levinuks ja arvutusressursid muutuvad kättesaadavamaks, võime tulevikus oodata veelgi uuenduslikumaid ja köitvamaid WebXR-i oklusiooni rakendusi.

Alates e-kaubandusest kuni mängude ja hariduseni on WebXR-i oklusioon valmis muutma seda, kuidas me digitaalse sisuga suhtleme ja ümbritsevat maailma kogeme. Mõistes oklusiooni põhimõtteid ja tehnikaid, saavad arendajad luua tõeliselt kaasahaaravaid ja köitvaid WebXR-i rakendusi, mis nihutavad võimaliku piire.

Edasine õppimine

• WebXR Device API spetsifikatsioon: https://www.w3.org/TR/webxr/
• three.js WebXR-i näited: https://threejs.org/examples/#webxr_ar_cones
• Babylon.js WebXR-i dokumentatsioon: https://doc.babylonjs.com/features/featuresDeepDive/webXR/webXRInput

Kasutades WebXR-i oklusiooni võimsust, saavad arendajad luua kaasahaaravaid kogemusi, mis pole mitte ainult visuaalselt vapustavad, vaid ka intuitiivselt mõistetavad ja sügavalt kaasahaaravad kasutajatele üle kogu maailma.