WebXR-i varjud: realistlikud valgusefektid kaasahaaravates kogemustes

Realistlik valgustus on WebXR-is usutavate ja kaasahaaravate kogemuste loomisel ülioluline. Varjud mängivad selle saavutamisel elutähtsat rolli, pakkudes visuaalseid vihjeid objektide kuju, asukoha ja suhete kohta virtuaalses keskkonnas. Ilma varjudeta võivad stseenid tunduda lamedad ja ebarealistlikud, takistades kohalolutunnet ja usutavust, mida WebXR püüab pakkuda. See artikkel uurib tehnikaid varjude rakendamiseks WebXR-is, hõlmates varjude kaardistamist, varjude mahtusid ja jõudluse optimeerimist, tagades, et need tehnikad on kättesaadavad globaalsele publikule, kellel on erinevad internetikiirused ja seadmed.

Miks on varjud WebXR-is olulised

Varjud aitavad oluliselt kaasa sügavuse ja ruumiliste suhete tajumisele 3D-keskkondades. Need aitavad vaatajatel mõista objektide ja neid valgustavate valgusallikate suhtelisi asukohti. WebXR-is, kus eesmärk on luua kohalolutunne, on varjud hädavajalikud, et virtuaalmaailm tunduks käegakatsutav ja reaalne. Siin on põhjused, miks need on olulised:

• Sügavustaju: Varjud pakuvad olulist visuaalset vihjet sügavuse kohta, võimaldades kasutajatel paremini mõista objektide ja pindade vahelisi ruumilisi suhteid. See on eriti oluline VR-is, kus täpne sügavustaju suurendab kaasahaaravust.
• Realism: Varjud jäljendavad valguse vastastikmõju objektidega reaalses maailmas. Nende puudumine võib muuta stseeni kunstlikuks ja ebausutavaks.
• Kaasahaaravus: Realistlikud varjud suurendavad kohalolutunnet, muutes kasutajad virtuaalse keskkonnaga rohkem seotuks.
• Kasutatavus: Varjud võivad parandada kasutatavust, tõstes esile interaktiivseid elemente või pakkudes visuaalset tagasisidet kasutaja tegevustele. Näiteks kasutaja käe heidetud vari võib aidata tal virtuaalsete objektidega täpsemalt suhelda.

Varjude kaardistamine: praktiline lähenemine

Varjude kaardistamine on üks levinumaid tehnikaid varjude reaalajas renderdamiseks 3D-graafikas. See hõlmab stseeni renderdamist valgusallika perspektiivist, et luua sügavuskaart, mida tuntakse ka varjukaardina. Seda sügavuskaarti kasutatakse seejärel selleks, et määrata, millised fragmendid lõplikult renderdatud pildil on varjus.

Kuidas varjude kaardistamine töötab

1. Valgusallika vaade: Stseen renderdatakse valgusallika perspektiivist. Iga piksli sügavus salvestatakse tekstuurile, mida nimetatakse varjukaardiks.
2. Stseeni renderdamine: Stseen renderdatakse tavapäraselt kaamera perspektiivist.
3. Varju määramine: Iga fragmendi jaoks teisendatakse fragmendi maailmapositsioon valguse lõikeruumi. Selle teisendatud positsiooni sügavusväärtust võrreldakse vastavas asukohas varjukaardile salvestatud sügavusväärtusega.
4. Varju rakendamine: Kui fragmendi sügavus on suurem kui varjukaardi sügavus, on fragment varjus. Seejärel tumendatakse fragmendi värvi, et simuleerida varjuefekti.

Rakendamise sammud WebXR-is

Varjude kaardistamise rakendamine WebXR-is hõlmab WebGL-i (või kõrgema taseme teegi nagu Three.js või Babylon.js) kasutamist renderdamise sammude teostamiseks. Siin on üldine ülevaade:

1. Looge kaadripuhver ja tekstuur: Looge kaadripuhvri objekt (FBO) ja sügavustekstuur varjukaardi salvestamiseks.
2. Renderdage valgusallika perspektiivist: Siduge FBO ja renderdage stseen valgusallika perspektiivist. Salvestage sügavusväärtused sügavustekstuuri.
3. Siduge varjukaart: Põhirenderdamise läbimisel siduge varjukaardi tekstuur tekstuuriseadmega.
4. Arvutage valguse ruumi koordinaadid: Vertex shaderis arvutage fragmendi asukoht valguse ruumis.
5. Võrrelge sügavusväärtusi: Fragment shaderis võrrelge fragmendi sügavust valguse ruumis varjukaardi sügavusväärtusega.
6. Rakendage vari: Kui fragment on varjus, vähendage fragmendi värvi intensiivsust.

Koodinäide (kontseptuaalne)

See on lihtsustatud, kontseptuaalne näide varjude kaardistamise protsessi illustreerimiseks. Teegid nagu Three.js ja Babylon.js pakuvad kõrgema taseme abstraktsioone, mis võivad seda protsessi lihtsustada.

Vertex Shader (põhirenderdamise läbimiseks):

            
 attribute vec3 a_position;
 attribute vec3 a_normal;
 uniform mat4 u_modelMatrix;
 uniform mat4 u_viewMatrix;
 uniform mat4 u_projectionMatrix;
 uniform mat4 u_lightViewProjectionMatrix;
 varying vec3 v_normal;
 varying vec4 v_lightSpacePosition;

 void main() {
 gl_Position = u_projectionMatrix * u_viewMatrix * u_modelMatrix * vec4(a_position, 1.0);
 v_normal = mat3(transpose(inverse(u_modelMatrix))) * a_normal;
 v_lightSpacePosition = u_lightViewProjectionMatrix * u_modelMatrix * vec4(a_position, 1.0);
 }

            

              
                Copy
              
            
          

Fragment Shader (põhirenderdamise läbimiseks):

            
 precision mediump float;
 uniform sampler2D u_shadowMap;
 varying vec3 v_normal;
 varying vec4 v_lightSpacePosition;

 float shadowCalculation(vec4 lightSpacePosition) {
 vec3 projCoords = lightSpacePosition.xyz / lightSpacePosition.w;
 projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5; // Map to [0, 1]
 float closestDepth = texture2D(u_shadowMap, projCoords.xy).r;
 float currentDepth = projCoords.z;
 float shadow = currentDepth > closestDepth ? 0.5 : 1.0; // Simple shadow calculation
 return shadow;
 }

 void main() {
 vec3 normal = normalize(v_normal);
 vec3 lightDir = normalize(vec3(1.0, 1.0, 1.0)); // Example light direction
 float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
 float shadow = shadowCalculation(v_lightSpacePosition);
 vec3 color = vec3(0.8, 0.8, 0.8) * diff * shadow; // Example base color
 gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
 }

            

              
                Copy
              
            
          

Varjude kaardistamise eelised ja puudused

• Eelised: Suhteliselt lihtne rakendada, laialdaselt toetatud ja võib hoolika parameetrite häälestamisega anda häid tulemusi.
• Puudused: Võib kannatada aliase artefaktide (varjuakne) all, nõuab hoolikat nihet (biasing) enesevarjustuse vältimiseks ja varjukaardi eraldusvõime võib piirata varju kvaliteeti.

Varjude kaardistamise artefaktide leevendamine

• Varjuakne (Shadow Acne): Tekib siis, kui pind varjutab ekslikult iseennast. Lahendused hõlmavad:
• Nihe (Bias): Lisage sügavusväärtusele väike nihe enne selle võrdlemist varjukaardiga. See nihutab varju pinnast veidi eemale, vähendades enesevarjustust. Kuid liiga suur nihe võib põhjustada "Peter Panning" artefakte, kus varjud eralduvad objektist.
• Normaali nihe: Nihutage fragmendi asukohta piki selle normaali enne sügavuse arvutamist. See vähendab enesevarjustuse tõenäosust.
• Protsentuaalselt lähem filtreerimine (PCF): Võtab mitu proovi fragmendi asukoha ümber varjukaardil ja keskmistab tulemused. See silub varjuservi ja vähendab aliast.
• Alias: Seda saab vähendada varjukaardi eraldusvõime suurendamise või antialiase tehnikate kasutamisega.
• Kaskaadvarjukaardid (CSM): Jagab vaatefrustumi mitmeks piirkonnaks, millest igaühel on oma varjukaart. See võimaldab kaamerale lähemal asuvatele aladele kõrgema eraldusvõimega varje, parandades üldist varju kvaliteeti, eriti suurtes stseenides.

Varjude mahud: šabloonpuhvri lähenemine

Varjude mahud on tehnika, mis kasutab šabloonpuhvrit (stencil buffer), et määrata, millised fragmendid on varjus. Need pakuvad täpseid, teravate servadega varje, kuid võivad olla arvutuslikult kulukamad kui varjude kaardistamine.

Kuidas varjude mahud töötavad

1. Varjumahu ekstrudeerimine: Iga stseeni objekti jaoks luuakse varjumaht, ekstrudeerides objekti siluetti piki valgusallika suunda.
2. Renderdage esiküljed: Renderdage varjumahu esikülje polügoonid, suurendades šabloonpuhvrit iga kaetud piksli kohta.
3. Renderdage tagaküljed: Renderdage varjumahu tagakülje polügoonid, vähendades šabloonpuhvrit iga kaetud piksli kohta.
4. Renderdage stseen: Renderdage stseen, kuid joonistage ainult need fragmendid, kus šabloonpuhver on null. Fragmendid, millel on nullist erinev šablooniväärtus, on varjus.

Rakendamise sammud WebXR-is

Varjude mahtude rakendamine WebXR-is hõlmab WebGL-i (või kõrgema taseme teegi) kasutamist renderdamise sammude teostamiseks. Siin on üldine ülevaade:

1. Looge varjumahud: Genereerige varjumahud stseeni geomeetriast. See võib olla arvutuslikult intensiivne, eriti keeruliste stseenide puhul.
2. Seadistage šabloonpuhver: Lubage šabloonitest ja konfigureerige šabloonioperatsioonid šabloonpuhvri suurendamiseks ja vähendamiseks vastavalt varjumahtude esi- ja tagakülgedele.
3. Renderdage varjumahud: Renderdage varjumahud sobivate šabloonioperatsioonidega.
4. Renderdage stseen: Renderdage stseen lubatud šabloonitestiga, joonistades ainult fragmente, kus šabloonpuhver on null.

Varjude mahtude eelised ja puudused

• Eelised: Toodab täpseid, teravate servadega varje ilma aliase artefaktideta.
• Puudused: Võib olla arvutuslikult kulukas, eriti keeruliste stseenide puhul, ja nõuab kattuvate varjumahtude hoolikat käsitlemist.

Jõudluskaalutlused WebXR-i varjude jaoks

Varjud võivad olla arvutuslikult kulukad, eriti WebXR-i rakendustes, mis peavad mugava kasutajakogemuse tagamiseks säilitama kõrge kaadrisageduse. Varjude renderdamise optimeerimine on hea jõudluse saavutamiseks ülioluline.

Optimeerimistehnikad

• Vähendage varjukaardi eraldusvõimet: Varjukaardi eraldusvõime vähendamine võib jõudlust oluliselt parandada, kuid see võib ka vähendada varju kvaliteeti. Valige eraldusvõime, mis tasakaalustab jõudluse ja visuaalse täpsuse.
• Kasutage kaskaadvarjukaarte (CSM): CSM võimaldab teil eraldada rohkem varjukaardi eraldusvõimet kaamerale lähematele aladele, parandades varju kvaliteeti ilma jõudlust oluliselt mõjutamata.
• Frustumi kärpimine: Renderdage ainult neid varjuheitjaid, mis on kaamera vaatefrustumis. See vähendab objektide arvu, mida tuleb varjukaardile renderdada.
• Kauguspõhised varjud: Lubage varjud ainult objektidele, mis on kaamerale lähedal. Kaugemal asuvaid objekte saab jõudluse parandamiseks renderdada ilma varjudeta.
• Optimeerige varjumahu genereerimist: Kui kasutate varjumahtusid, optimeerige varjumahtude genereerimise protsessi. Kasutage tõhusaid algoritme ja andmestruktuure arvutuskulude vähendamiseks.
• Kasutage varju heitmiseks lihtsustatud geomeetriat: Selle asemel, et kasutada varju heitmiseks täiseraldusvõimega geomeetriat, kasutage lihtsustatud versioone. See vähendab kolmnurkade arvu, mida tuleb varjukaardile renderdada.
• Kaaluge eelküpsetatud valgustust: Staatiliste stseenide puhul kaaluge valgustuse küpsetamist tekstuuridesse (valguskaartidesse). See välistab vajaduse reaalajas varjude arvutamiseks.
• Adaptiivne varju kvaliteet: Reguleerige dünaamiliselt varju kvaliteeti vastavalt seadme jõudlusele. Vähendage varjukaardi eraldusvõimet või keelake varjud madalama klassi seadmetes täielikult.

Platvormideülesed kaalutlused

WebXR-i rakendused peavad töötama mitmesugustes seadmetes, millel on erinevad riistvaralised võimalused. Varjude rakendamisel on oluline arvestada erinevate platvormide jõudlusnäitajatega.

• Mobiilseadmed: Mobiilseadmetel on tavaliselt piiratud töötlemisvõimsus ja mälu. Optimeerige varjude renderdamist agressiivselt, et tagada sujuv jõudlus. Kaaluge madalama varjukaardi eraldusvõime kasutamist või varjude täielikku keelamist väga madala klassi seadmetes.
• Lauaarvutid: Lauaarvutitel on tavaliselt rohkem töötlemisvõimsust ja mälu kui mobiilseadmetel. Saate endale lubada kõrgema varjukaardi eraldusvõime ja keerukamate varjude renderdamise tehnikate kasutamist.
• VR-peakomplektid: VR-peakomplektid nõuavad liikumisiivelduse vältimiseks kõrget kaadrisagedust. Optimeerige varjude renderdamist stabiilse kaadrisageduse säilitamiseks.

Täiustatud varjutehnikad

Lisaks põhilistele varjude kaardistamise ja varjude mahtude tehnikatele saab varju kvaliteedi ja realismi parandamiseks kasutada mitmeid täiustatud tehnikaid.

Protsentuaalselt lähem filtreerimine (PCF)

PCF on tehnika, mis silub varjuservi, võttes mitu proovi fragmendi asukoha ümber varjukaardil ja keskmistades tulemused. See vähendab aliase artefakte ja loob pehmemaid, loomulikuma välimusega varje. PCF-i saab rakendada lihtsa keskmistamisfiltri või keerukamate tehnikate, näiteks Poissoni ketta proovivõtu abil.

Dispersioonivarjude kaardistamine (VSM)

VSM on tehnika, mis salvestab lisaks keskmisele sügavusele ka sügavusväärtuste dispersiooni varjukaardile. See võimaldab täpsemaid varjude arvutusi ja vähendab aliase artefakte. VSM on eriti tõhus pehmete varjude käsitlemisel.

Kiirtejälitusega varjud

Kiirtejälitus on renderdamistehnika, mis simuleerib valguse liikumist reaalses maailmas. Kiirtejälitusega varjud on palju täpsemad ja realistlikumad kui varjukaardistatud või varjumahu varjud, kuid need on ka palju arvutuslikult kulukamad. Reaalajas kiirtejälitus muutub uute riist- ja tarkvaratehnoloogiate tulekuga üha teostatavamaks, kuid seda ei kasutata WebXR-i rakendustes jõudluspiirangute tõttu veel laialdaselt.

WebXR-i raamistikud ja varjude rakendamine

Mitmed populaarsed WebXR-i raamistikud pakuvad sisseehitatud tuge varjudele, lihtsustades rakendamisprotsessi.

Three.js

Three.js on laialdaselt kasutatav JavaScripti teek 3D-graafika loomiseks brauseris. See pakub laiaulatuslikku funktsioonide komplekti varjude renderdamiseks, sealhulgas varjude kaardistamist ja PCF-i. Three.js lihtsustab varjukaartide loomise ja haldamise protsessi ning pakub mitmeid võimalusi varjude välimuse ja jõudluse kohandamiseks.

Näide (kontseptuaalne):

            
 // Create a light
 const light = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 1);
 light.position.set(1, 1, 1);
 scene.add(light);

 // Enable shadow casting for the light
 light.castShadow = true;

 // Set shadow map resolution
 light.shadow.mapSize.width = 512;  // default
 light.shadow.mapSize.height = 512; // default

 // Adjust shadow camera near/far
 light.shadow.camera.near = 0.5;
 light.shadow.camera.far = 500;

 // Enable shadow receiving for the object
 mesh.receiveShadow = true;

 // Enable shadow casting for the object
 mesh.castShadow = true;

 // Enable shadows in the renderer
 renderer.shadowMap.enabled = true;
 renderer.shadowMap.type = THREE.PCFSoftShadowMap; // Optional: softer shadows

            

              
                Copy
              
            
          

Babylon.js

Babylon.js on teine populaarne JavaScripti teek 3D-graafika loomiseks brauseris. See pakub võimsat varjusüsteemi koos toega varjude kaardistamisele, PCF-ile ja teistele täiustatud varjutehnikatele. Babylon.js pakub paindlikku API-d varjude välimuse ja jõudluse kohandamiseks ning see integreerub hästi teiste Babylon.js-i funktsioonidega.

Juurdepääsetavuse kaalutlused

WebXR-is varjude rakendamisel on oluline arvestada nägemispuudega kasutajate juurdepääsetavusega. Varjud võivad pakkuda olulisi visuaalseid vihjeid, kuid neid võib olla raske tajuda madala nägemisvõimega või värvipimedusega kasutajatel.

• Pakkuge alternatiivseid visuaalseid vihjeid: Kui varje kasutatakse olulise teabe edastamiseks, pakkuge alternatiivseid visuaalseid vihjeid, mis on nägemispuudega kasutajatele juurdepääsetavad. Näiteks võiksite kasutada heleduse või värvi muutusi objektide asukoha näitamiseks.
• Laske kasutajatel kohandada varjude välimust: Pakkuge kasutajatele võimalusi varjude välimuse kohandamiseks, näiteks värvi, intensiivsuse ja kontrasti osas. See võimaldab kasutajatel varje oma individuaalsetele vajadustele kohandada.
• Testige nägemispuudega kasutajatega: Testige oma WebXR-i rakendust nägemispuudega kasutajatega, et tagada varjude juurdepääsetavus ja et need ei tekitaks kasutatavusprobleeme.

Kokkuvõte

Realistlikud varjud on WebXR-is usutavate ja kaasahaaravate kogemuste loomiseks hädavajalikud. Mõistes erinevaid varjutehnikaid ja jõudluskaalutlusi, saavad arendajad luua WebXR-i rakendusi, mis on nii visuaalselt vapustavad kui ka jõudsad. Varjude kaardistamine on praktiline ja laialdaselt toetatud tehnika, samas kui varjude mahud pakuvad täpseid, teravate servadega varje. Varjude renderdamise optimeerimine on ülioluline hea jõudluse saavutamiseks mitmesugustes seadmetes. Kasutades selles artiklis kirjeldatud tehnikaid ja parimaid tavasid, saavad arendajad luua WebXR-i rakendusi, mis pakuvad kasutajatele üle maailma tõeliselt kaasahaaravat kogemust.

Kuna WebXR-tehnoloogia areneb edasi, võime oodata veelgi täiustatumate varjutehnikate tekkimist, mis parandavad veelgi virtuaal- ja liitreaalsuse kogemuste realismi ja kaasahaaravust. Varjude renderdamise uusimate arengutega kursis olemine on ülioluline arendajatele, kes soovivad luua tipptasemel WebXR-i rakendusi.