WebXR-i ruumi jõudluse optimeerimine: koordinaatsüsteemide töötlemine kaasahaaravate kogemuste jaoks

WebXR loob aluse kaasahaaravate virtuaal- ja liitreaalsuse kogemuste loomiseks otse veebibrauseris. Kuna need kogemused muutuvad keerukamaks, on jõudluse optimeerimine sujuva ja kaasahaarava kasutajakogemuse pakkumisel ülimalt oluline. Selle optimeerimise oluline aspekt seisneb koordinaatsüsteemide mõistmises ja tõhusas töötlemises. See artikkel süveneb WebXR-i koordinaatsüsteemide töötlemise keerukustesse ja pakub praktilisi strateegiaid jõudluse kitsaskohtade minimeerimiseks, tagades, et teie WebXR-rakendused töötaksid sujuvalt erinevates seadmetes ja platvormidel.

WebXR-i koordinaatsüsteemide mõistmine

Enne optimeerimistehnikatesse süvenemist on oluline mõista WebXR-is kasutatavaid erinevaid koordinaatsüsteeme:

• Kohalik ruum (Local Space): See on koordinaatsüsteem, mis on spetsiifiline igale 3D-objektile teie stseenis. Objekti asukoht, pöörlemine ja skaala on määratletud selle kohaliku alguspunkti suhtes.
• Maailmaruum (World Space): See on teie kogu stseeni globaalne koordinaatsüsteem. Kõik stseeni objektid paigutatakse lõpuks maailmaruumi suhtes.
• Vaateruum (View Space/Eye Space): See on koordinaatsüsteem kasutaja vaatenurgast, mille keskpunkt on kasutaja silmas (või stereoskoopilise renderdamise korral silmade vahel). Seda tuntakse ka kaameraruumina (Camera Space).
• Viiteruum (Reference Space): WebXR-i põhimõiste, viiteruum määratleb, kuidas WebXR-i stseen on seotud reaalse maailmaga. See dikteerib, kuidas XR-seadme asukoht ja orientatsioon kaardistatakse virtuaalsesse keskkonda. Viiteruume on mitut tüüpi:
• Vaataja viiteruum (Viewer Reference Space): Alguspunkt on fikseeritud kasutaja esialgse asukoha suhtes. XR-seadme liigutamine liigutab virtuaalset keskkonda. Hea istuvate kogemuste jaoks.
• Kohalik viiteruum (Local Reference Space): Sarnane vaataja viiteruumiga, kuid alguspunkt võib olla kasutaja füüsilises ruumis ükskõik kus. Pakub veidi suuremat jälgimisala.
• Kohalik-põranda viiteruum (Local-Floor Reference Space): Alguspunkt on põrandal ja Y-telg on suunatud üles. Võimaldab kõndimise ja seismise kogemusi piiratud alal. Nõuab XR-seadmelt põranda tuvastamise tuge.
• Piiratud-põranda viiteruum (Bounded-Floor Reference Space): Nagu kohalik-põranda viiteruum, kuid pakub ka polügooni, mis kirjeldab jälgitava ala piire. Võimaldab rakendusel piirata liikumist ohutus mängualas.
• Piiramatu viiteruum (Unbounded Reference Space): Võimaldab jälgimist suurtel aladel ilma piiranguteta. Nõuab keerukat jälgimistehnoloogiat (nt ARKit või ARCore).

WebXR API pakub meetodeid erinevat tüüpi viiteruumide taotlemiseks. Viiteruumi valik mõjutab oluliselt kasutajakogemust ja koordinaatsüsteemi teisenduste keerukust.

Koordinaatsüsteemi teisenduste jõudluskulu

Iga kord, kui 3D-objekti renderdatakse, tuleb selle koordinaadid teisendada kohalikust ruumist maailmaruumi, seejärel vaateruumi ja lõpuks seadme ekraaniruumi. Need teisendused hõlmavad maatriksikorrutusi, mis võivad olla arvutuslikult kulukad, eriti suure hulga objektide või keerukate stseenide puhul. Mida rohkem teisendusi kaadri kohta toimub, seda rohkem kannatab jõudlus.

Lisaks võib objektide asukohtade pidev uuendamine viiteruumi suhtes, eriti `bounded-floor` või `unbounded` viiteruumides, lisada märkimisväärset lisakoormust. Sagedased objektimaatriksite uuendused võivad mõjutada renderdamise jõudlust ja põhjustada kaadrite kaotamist, mille tulemuseks on kasutajale häiriv kogemus. Kujutage ette keerulist stseeni sadade objektidega, mida tuleb iga kaadri ajal kasutaja liikumiste põhjal uuendada. See võib kiiresti muutuda jõudluse kitsaskohaks.

Vaatleme lihtsat näidet: virtuaalse markeri kuvamine, mis ankurdub reaalse maailma pinnale. AR-rakenduses tuleb selle markeri asukohta pidevalt uuendada vastavalt seadme asendile tuvastatud pinna suhtes. Kui seda uuendust ei optimeerita, võib see põhjustada märgatavat viivitust ja värinat, vähendades kogemuse realistlikkust.

Strateegiad koordinaatsüsteemi töötlemise optimeerimiseks

Siin on mitu strateegiat koordinaatsüsteemi teisenduste jõudlusmõju minimeerimiseks WebXR-is:

1. Minimeerige maatriksoperatsioone

Maatriksikorrutused on koordinaatsüsteemi teisenduste peamine jõudluse kitsaskoht. Seetõttu on maatriksoperatsioonide arvu vähendamine ülioluline.

• Teisenduste vahemällu salvestamine: Kui objekti teisendusmaatriks jääb mitme kaadri vältel konstantseks, salvestage maatriks vahemällu ja taaskasutage seda, selle asemel et seda iga kaadri ajal uuesti arvutada. See on eriti tõhus stseeni staatiliste objektide puhul.
• Eelarvutatud teisendused: Võimaluse korral arvutage teisendusmaatriksid stseeni initsialiseerimise ajal ette. Näiteks kui teate kahe objekti suhtelist asukohta ette, arvutage nendevaheline teisendusmaatriks üks kord ja salvestage see.
• Operatsioonide pakettimine: Selle asemel et teisendada üksikuid objekte ükshaaval, pakettige sarnased objektid kokku ja teisendage need ühe maatriksoperatsiooniga. See on eriti tõhus suure hulga identsete objektide, näiteks osakeste või ehitusplokkide, renderdamisel.
• Instantseeritud renderdamise kasutamine: Instantseeritud renderdamine võimaldab teil renderdada sama võrgusilma mitu eksemplari erinevate teisendustega üheainsa joonistuskutsega. See võib märkimisväärselt vähendada suure hulga identsete objektide, näiteks metsades olevate puude või tähistaevas olevate tähtede, renderdamisega seotud lisakoormust.

Näide (three.js):

            
// Eeldades, et 'object' on THREE.Object3D
if (!object.cachedMatrix) {
  object.cachedMatrix = object.matrixWorld.clone();
}

// Kasutage renderdamiseks object.cachedMatrix uuesti arvutamise asemel

            

              
                Copy
              
            
          

2. Valige õige viiteruum

Viiteruumi valik mõjutab oluliselt koordinaatsüsteemi töötlemise keerukust. Kaaluge neid tegureid:

• Rakenduse nõuded: Valige viiteruum, mis sobib kõige paremini kavandatud kasutajakogemusega. Istuvate kogemuste jaoks võivad piisata `viewer` või `local` viiteruumidest. Kõndimiskogemuste jaoks võivad sobivamad olla `local-floor` või `bounded-floor`. Suuremahuliste AR-rakenduste jaoks on vajalik `unbounded`.
• Jälgimise täpsus: Erinevad viiteruumid pakuvad erineval tasemel jälgimistäpsust ja stabiilsust. `Unbounded` ruumid, pakkudes küll kõige rohkem vabadust, võivad olla ka altimad triivimisele või ebatäpsustele.
• Jõudluse mõjud: Viiteruumid, mis nõuavad sagedasi uuendusi stseeni koordinaatsüsteemile (nt `unbounded`), võivad olla jõudlusmahukamad.

Näiteks kui ehitate lihtsat VR-rakendust, kus kasutaja jääb istuma, on `viewer` viiteruumi kasutamine tõenäoliselt tõhusam kui `unbounded` viiteruumi kasutamine, kuna see minimeerib vajadust stseeni alguspunkti pidevaks uuendamiseks.

3. Optimeerige asendi uuendusi

XR-seadme asendit (asukoht ja orientatsioon) uuendab pidevalt WebXR API. Nende asendi uuenduste käsitlemise optimeerimine on jõudluse jaoks ülioluline.

• Uuenduste piiramine (Throttle Updates): Selle asemel et töödelda asendi uuendusi iga kaadri ajal, kaaluge nende piiramist madalamale sagedusele. See võib olla eriti tõhus, kui teie rakendus не nõua äärmiselt täpset jälgimist.
• Ruumilised ankrud (Spatial Anchors): AR-rakenduste puhul kasutage ruumilisi ankrud, et lukustada virtuaalsed objektid kindlatesse asukohtadesse reaalses maailmas. See võimaldab teil vähendada ankurdatud objektide uuendamise sagedust, kuna need jäävad ankru suhtes fikseerituks.
• Inertsiaalarvestus (Dead Reckoning): Rakendage inertsiaalarvestuse tehnikaid, et ennustada seadme asendit uuenduste vahel. See aitab liikumist siluda ja vähendada tajutavat latentsust, eriti kui uuendusi piiratakse.

Näide (Babylon.js):

            
// Hangi praegune vaataja asend
const pose = frame.getViewerPose(referenceSpace);

// Uuenda objekti asukohta ainult siis, kui asend on oluliselt muutunud
const threshold = 0.01; // Näitlik läviväärtus
if (pose && (Math.abs(pose.transform.position.x - lastPose.transform.position.x) > threshold ||
             Math.abs(pose.transform.position.y - lastPose.transform.position.y) > threshold ||
             Math.abs(pose.transform.position.z - lastPose.transform.position.z) > threshold)) {
  // Uuenda objekti asukohta uue asendi põhjal
  // ...
  lastPose = pose;
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. Kasutage WebAssembly't

WebAssembly (WASM) võimaldab teil käivitada arvutusmahukat koodi peaaegu natiivse kiirusega otse veebibrauseris. Kui teil on keerulisi koordinaatsüsteemi arvutusi või kohandatud algoritme, kaaluge nende rakendamist WASM-is. See võib jõudlust märkimisväärselt parandada võrreldes JavaScriptiga.

• Maatriksiteegid: Kasutage maatriksoperatsioonide teostamiseks optimeeritud WASM-i maatriksiteeke. Need teegid on sageli oluliselt kiiremad kui nende JavaScripti vasted.
• Kohandatud algoritmid: Rakendage jõudluskriitilised algoritmid (nt pöördkinemaatika, füüsika simulatsioonid) WASM-is, et need JavaScripti põhilõimelt maha laadida.

Saadaval on mitmeid suurepäraseid WASM-i maatriksiteeke, nagu gl-matrix (mida saab kompileerida WASM-iks) või kohandatud WASM-optimeeritud teegid.

5. Kasutage WebGL-i optimeerimisi

WebGL on WebXR-i aluseks olev graafika API. Teie WebGL-koodi optimeerimine võib oluliselt parandada üldist jõudlust.

• Minimeerige joonistuskutseid (Draw Calls): Vähendage joonistuskutsete arvu, pakettides objekte kokku või kasutades tehnikaid nagu instantseerimine. Iga joonistuskutse toob kaasa lisakoormuse, seega on nende minimeerimine ülioluline.
• Optimeerige varjutajaid (Shaders): Optimeerige oma varjutajakoodi, et vähendada renderdustoru arvutuslikku keerukust. Kasutage tõhusaid algoritme ja vältige tarbetuid arvutusi.
• Kasutage tekstuuride atlaseid: Kombineerige mitu tekstuuri üheks tekstuuride atlaseks, et vähendada tekstuuri sidumisoperatsioonide arvu.
• Mipmapping: Kasutage mipmappingut, et genereerida tekstuuride madalama eraldusvõimega versioone, mis võivad parandada renderdamise jõudlust, eriti kaugete objektide puhul.
• Varjestuse eemaldamine (Occlusion Culling): Rakendage varjestuse eemaldamist, et vältida objektide renderdamist, mis on teiste objektide taga peidus.

6. Profileerige ja analüüsige jõudlust

Jõudluse profileerimine on oluline kitsaskohtade tuvastamiseks ja teie WebXR-rakenduse optimeerimiseks. Kasutage brauseri arendajatööriistu (nt Chrome DevTools, Firefox Developer Tools), et profileerida oma koodi jõudlust ja tuvastada valdkondi, kus saab teha parandusi.

• Kaadrisageduse jälgimine: Jälgige oma rakenduse kaadrisagedust, et tagada selle püsimine XR-seadme sihtvärskendussageduse (tavaliselt 60 Hz või 90 Hz) kohal.
• Protsessori ja graafikaprotsessori kasutus: Jälgige protsessori ja graafikaprotsessori kasutust, et tuvastada jõudluse kitsaskohti. Kõrge protsessori kasutus võib viidata ebatõhusale JavaScripti koodile, samas kui kõrge graafikaprotsessori kasutus võib viidata ebatõhusale renderduskoodile.
• Mälukasutus: Jälgige mälukasutust, et vältida mälulekkeid ja liigset mälu eraldamist.
• WebXR Device API statistika: WebXR Device API pakub statistikat XR-süsteemi jõudluse kohta, näiteks kaadri ajastusteavet. Kasutage neid andmeid, et mõista, kuidas teie rakendus toimib võrreldes XR-riistvara võimalustega.

Juhtumiuuringud ja näited

Vaatleme mõnda juhtumiuuringut, et illustreerida, kuidas neid optimeerimistehnikaid saab rakendada reaalsetes stsenaariumides:

Juhtumiuuring 1: AR-rakendus pinnaankrutega

AR-rakendus kuvab virtuaalset mööblit kasutaja elutoas. Mööbliesemed on ankurdatud tuvastatud pindadele (nt põrandale või lauale). Algselt uuendas rakendus iga mööblieseme asukohta iga kaadri ajal vastavalt seadme asendile, mis põhjustas märgatavat viivitust ja värinat.

Optimeerimisstrateegiad:

• Ruumilised ankrud: Kasutage ruumilisi ankrud, et lukustada mööbliesemed tuvastatud pindadele. See vähendab pidevate uuenduste vajadust.
• Inertsiaalarvestus: Rakendage inertsiaalarvestust, et siluda virtuaalse mööbli liikumist uuenduste vahel.
• Uuenduste piiramine: Vähendage mööbliesemete asendi uuendamise sagedust.

Tulemus: Parem stabiilsus ja vähenenud viivitus, mille tulemuseks on realistlikum ja kaasahaaravam AR-kogemus.

Juhtumiuuring 2: VR-rakendus suure hulga objektidega

VR-rakendus simuleerib metsa keskkonda tuhandete puudega. Iga puu eraldi renderdamine põhjustab kehva jõudluse ja kaadrite kaotamise.

Optimeerimisstrateegiad:

• Instantseeritud renderdamine: Kasutage instantseeritud renderdamist, et renderdada sama puuvõrgusilma mitu eksemplari erinevate teisendustega üheainsa joonistuskutsega.
• Tekstuuride atlased: Kombineerige kõik puutekstuurid üheks tekstuuride atlaseks, et vähendada tekstuuri sidumisoperatsioonide arvu.
• Detailitasemed (Level of Detail - LOD): Rakendage LOD-tehnikaid, et renderdada madalama eraldusvõimega versioone puudest, mis on kasutajast kaugemal.
• Varjestuse eemaldamine: Rakendage varjestuse eemaldamist, et vältida puude renderdamist, mis on teiste objektide taga peidus.

Tulemus: Märkimisväärselt paranenud renderdamise jõudlus, mis võimaldab rakendusel säilitada stabiilse kaadrisageduse isegi suure hulga puudega.

Platvormideülesed kaalutlused

WebXR-rakendused on loodud töötama erinevatel seadmetel ja platvormidel, sealhulgas mobiiltelefonidel, eraldiseisvatel VR-peakomplektidel ja lauaarvutitel. Igal platvormil on oma jõudlusomadused ja piirangud. Rakenduse optimeerimisel on oluline neid tegureid arvesse võtta.

• Mobiilseadmed: Mobiilseadmetel on tavaliselt vähem töötlemisvõimsust ja mälu kui lauaarvutitel. Seetõttu on oluline oma rakendust mobiiliplatvormide jaoks agressiivselt optimeerida.
• Eraldiseisvad VR-peakomplektid: Eraldiseisvatel VR-peakomplektidel on piiratud aku kestvus. Jõudluse optimeerimine võib pikendada ka aku kestvust, võimaldades kasutajatel nautida pikemaid kaasahaaravaid kogemusi.
• Lauaarvutid: Lauaarvutitel on tavaliselt rohkem töötlemisvõimsust ja mälu kui mobiilseadmetel või eraldiseisvatel VR-peakomplektidel. Siiski on endiselt oluline oma rakendust optimeerida, et tagada selle sujuv töötamine laias valikus riistvarakonfiguratsioonides.

Platvormideülese WebXR-i arendamisel kaaluge funktsioonide tuvastamise kasutamist, et kohandada oma rakenduse sätteid ja renderduskvaliteeti vastavalt seadme võimalustele.

Globaalsed perspektiivid WebXR-i jõudlusele

WebXR-i võetakse kasutusele kogu maailmas ja kasutajate ootused jõudlusele võivad erinevates piirkondades erineda, kuna juurdepääs tipptasemel riistvarale ja interneti infrastruktuurile on erinev. Arengumaades võib olla suurem osakaal kasutajaid, kellel on madalama võimsusega seadmed või aeglasemad internetiühendused. Seetõttu on optimeerimised, mis parandavad jõudlust madalama taseme seadmetes, eriti olulised ülemaailmse publikuni jõudmiseks.

Kaaluge neid tegureid oma WebXR-rakenduste kujundamisel ülemaailmsele publikule:

• Adaptiivsed kvaliteediseaded: Rakendage adaptiivseid kvaliteediseadeid, mis kohandavad automaatselt stseeni renderduskvaliteeti ja keerukust vastavalt kasutaja seadmele ja võrguühendusele.
• Sisu edastamise võrgud (CDN-id): Kasutage CDN-e oma rakenduse varade (nt tekstuurid, mudelid) levitamiseks kasutajatele üle maailma, tagades kiired allalaadimiskiirused ja madala latentsuse.
• Lokaliseeritud sisu: Pakkuge lokaliseeritud sisu (nt tekst, heli) mitmes keeles, et teenindada mitmekesist ülemaailmset publikut.

Kokkuvõte

Koordinaatsüsteemi töötlemise optimeerimine on WebXR-rakendustes optimaalse jõudluse saavutamiseks ülioluline. Mõistes erinevaid kaasatud koordinaatsüsteeme, minimeerides maatriksoperatsioone, valides õige viiteruumi, optimeerides asendi uuendusi, kasutades WebAssembly't, rakendades WebGL-i optimeerimisi ja profileerides oma koodi, saate luua sujuvaid ja kaasahaaravaid kogemusi, mis töötavad sujuvalt erinevates seadmetes ja platvormidel. Kuna WebXR areneb edasi, muutub nende optimeerimistehnikate valdamine üha olulisemaks kvaliteetsete kaasahaaravate kogemuste pakkumisel ülemaailmsele publikule.

Lisamaterjalid

• 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/introToWebXR
• gl-matrix: http://glmatrix.net/