אומדן תאורה ב-WebXR: מבט מעמיק על רינדור ריאליסטי במציאות רבודה

מציאות רבודה (AR) טומנת בחובה את ההבטחה לשלב באופן חלק בין העולם הדיגיטלי והעולם הפיזי שלנו. ראינו אותה בהדמיות מוצרים המאפשרות לכם למקם ספה וירטואלית בסלון, במשחקים אימרסיביים שבהם דמויות רצות על שולחן המטבח שלכם, ובאפליקציות חינוכיות המחזירות לחיים חפצים עתיקים. אבל מה מבדיל חווית AR משכנעת מכזו שמרגישה מלאכותית ולא שייכת? התשובה, ברוב המקרים, היא אור.

כאשר אובייקט דיגיטלי אינו מגיב לאור של סביבתו בעולם האמיתי, המוח שלנו מזהה אותו מיד כמתחזה. מודל תלת-ממדי עם תאורה שטוחה וגנרית נראה כמו מדבקה שהודבקה על המסך, ושובר באופן מיידי את אשליית הנוכחות. כדי להשיג פוטו-ריאליזם אמיתי, אובייקטים וירטואליים חייבים להיות מוארים על ידי אותם מקורות אור, להטיל את אותם צללים, ולשקף את אותה סביבה כמו האובייקטים הפיזיים שלצדם. כאן ה-WebXR Lighting Estimation API הופך לכלי משנה מציאות עבור מפתחי ווב.

מדריך מקיף זה ייקח אתכם לצלילת עומק אל עולם אומדן התאורה ב-WebXR. נחקור מדוע תאורה היא אבן הפינה של ריאליזם ב-AR, נסביר את הטכנולוגיה שמאחורי ה-API, נעבור על שלבי יישום מעשיים, ונסתכל קדימה אל עתיד הרינדור האימרסיבי בווב. מאמר זה מיועד למפתחי ווב, אמני תלת-ממד, חובבי XR, ומנהלי מוצר שרוצים לבנות את הדור הבא של חוויות AR משכנעות ישירות על גבי הרשת הפתוחה.

הכוח הבלתי נראה: מדוע תאורה היא אבן פינה ב-AR ריאליסטי

לפני שנצלול לפרטים הטכניים של ה-API, חיוני להבין מדוע תאורה היא כל כך בסיסית ליצירת AR אמין. המטרה היא להשיג מה שמכונה "ריאליזם תפיסתי". אין מדובר בהכרח ביצירת מודלים מפורטים במיוחד עם מיליוני פוליגונים; מדובר ב"לעבוד" על מערכת הראייה האנושית כך שתקבל אובייקט דיגיטלי כחלק סביר מהסצנה. התאורה מספקת את הרמזים הוויזואליים החיוניים שהמוח שלנו משתמש בהם כדי להבין צורה של אובייקט, מרקם, והיחס שלו לסביבה.

שקלו את המרכיבים המרכזיים של תאורה ריאליסטית שאנו לרוב לוקחים כמובנים מאליהם בעולם האמיתי:

• אור סביבתי (Ambient Light): זהו האור הרך, הלא-כיווני, הממלא חלל. הוא מוחזר מקירות, תקרות ורצפות, ומאיר אזורים שאינם באור ישיר. בלעדיו, צללים היו שחורים לחלוטין, ויוצרים מראה קשה ולא טבעי.
• אור כיווני (Directional Light): זהו האור הבוקע ממקור עיקרי, לרוב מרוחק, כמו השמש או מנורת תקרה בהירה. הוא יוצר הדגשות (highlights) ברורות ומטיל צללים בעלי קצוות חדים, ומעניק לנו תחושה חזקה של צורת האובייקט ומיקומו.
• השתקפויות ובוהק (Reflections and Specularity): האופן שבו פני השטח של אובייקט משקפים את העולם סביבם מספר לנו על תכונות החומר שלו. לכדור כרום יהיו השתקפויות חדות דמויות מראה, לצעצוע פלסטיק יהיו הדגשות רכות ומטושטשות (בוהק - specularity), ולבלוק עץ כמעט ולא יהיו. השתקפויות אלו חייבות להתאים לסביבה בעולם האמיתי כדי להיות אמינות.
• צללים (Shadows): ניתן לטעון שצללים הם הרמז החשוב ביותר לעיגון אובייקט במציאות. צל מחבר אובייקט למשטח, מעניק לו משקל ותחושת מקום. הרכות, הכיוון והצבע של הצל מספקים שפע של מידע על מקורות האור בסביבה.

דמיינו שאתם מניחים כדור אדום מבריק וירטואלי במשרד שלכם. עם תאורת ברירת מחדל מבוססת-סצנה, ייתכן שיהיה לו הדגשה לבנה גנרית וצל עגול וכהה פשוט. הוא נראה מזויף. כעת, עם אומדן תאורה, אותו כדור יכול לשקף את האור הכחול מהמסך שלכם, את האור הצהוב החם ממנורת השולחן, ואפילו השתקפות מעוותת של החלון. הצל שלו רך ומוטה בזווית הנכונה הרחק ממקור האור הראשי. פתאום, הכדור לא רק נראה כאילו הוא על השולחן שלכם; הוא נראה כאילו הוא בתוך סביבת השולחן שלכם. זהו כוחה של תאורה ריאליסטית, וזה מה שה-WebXR Lighting Estimation API מאפשר.

הסבר על ה-WebXR Lighting Estimation API

ה-WebXR Lighting Estimation API הוא מודול בתוך המפרט הרחב יותר של ה-WebXR Device API. משימתו פשוטה אך עוצמתית: לנתח את סביבת העולם האמיתי של המשתמש דרך מצלמת המכשיר ולספק נתוני תאורה מעשיים למנוע הרינדור התלת-ממדי של המפתח (כמו Three.js או Babylon.js). הוא פועל כגשר, ומאפשר לתאורת הסצנה הווירטואלית שלכם להיות מונעת על ידי התאורה של הסצנה הפיזית האמיתית.

כיצד זה עובד? מבט מפושט

התהליך אינו כרוך בקסם; זהו יישום מתוחכם של ראייה ממוחשבת. כאשר סשן WebXR עם אומדן תאורה מופעל, הפלטפורמה הבסיסית (כמו ARCore של גוגל באנדרואיד) מנתחת ברציפות את פיד המצלמה. ניתוח זה מסיק מספר מאפיינים מרכזיים של התאורה הסביבתית:

• בהירות וצבע כלליים: הוא קובע את העוצמה העיקרית ואת גוון הצבע של האור. האם החדר מואר היטב עם נורות פלורסנט לבנות וקרות, או מואר במעומעם על ידי שקיעה כתומה וחמה?
• כיווניות האור: למרות שהוא אינו מאתר כל נורה בודדת, הוא יכול לקבוע את הכיוון הכללי של מקורות האור הדומיננטיים ביותר.
• ייצוג סביבתי: והכי חשוב, הוא יוצר ייצוג הוליסטי של האור המגיע מכל הכיוונים.

מידע זה נארז לאחר מכן בפורמטים המותאמים במיוחד לרינדור גרפיקה תלת-ממדית בזמן אמת. שני פורמטי הנתונים העיקריים שמספק ה-API הם הרמוניות ספריות (Spherical Harmonics) ו-Reflection Cubemap.

שני המרכיבים המרכזיים בנתוני ה-API

כאשר אתם מבקשים אומדן אור בסשן ה-WebXR שלכם, אתם מקבלים אובייקט `XRLightEstimate`. אובייקט זה מכיל את שני חלקי הנתונים החיוניים שהרנדרר שלכם ישתמש בהם.

1. הרמוניות ספריות (Spherical Harmonics - SH) לתאורה מפוזרת (Diffuse)

זהו אולי החלק בעל השם המורכב ביותר, אך גם החשוב ביותר ב-API. במונחים פשוטים, הרמוניות ספריות הן דרך מתמטית לייצג מידע תאורה בתדר נמוך (כלומר, רך ומטושטש) מכל הכיוונים. חשבו על זה כעל סיכום דחוס ויעיל ביותר של האור הסביבתי הכולל בסצנה.

• לשם מה זה נועד: זה מושלם לחישוב האור המפוזר (diffuse) שפוגע באובייקט. אור מפוזר הוא האור שמתפזר באופן שווה על פני השטח של אובייקטים מט, כמו עץ, אבן, או פלסטיק לא מלוטש. SH מעניקים למשטחים אלו את הצבע וההצללה הנכונים בהתבסס על כיוונם ביחס לאור הסביבתי.
• כיצד זה מסופק: ה-API מספק את נתוני ה-SH כמערך של מקדמים (בדרך כלל `Float32Array` עם 27 ערכים עבור הרמוניות מסדר שלישי). ניתן להזין מספרים אלה ישירות לשיידרים מודרניים של רינדור מבוסס-פיזיקה (PBR), המשתמשים בהם לחישוב הצבע הסופי של כל פיקסל על משטח מט.

2. Reflection Cubemaps לתאורה ספקולרית (Specular)

בעוד שהרמוניות ספריות מצוינות למשטחים מט, חסר להן הפירוט הדרוש למשטחים מבריקים. כאן נכנסת לתמונה ה-Reflection Cubemap. Cubemap היא טכניקת גרפיקה ממוחשבת קלאסית המורכבת משש טקסטורות המסודרות כמו פאות של קובייה. יחד, הן יוצרות תמונה פנורמית של 360 מעלות של הסביבה מנקודה אחת.

• לשם מה זה נועד: ה-cubemap משמשת ליצירת השתקפויות חדות ומפורטות על משטחים ספקולריים (מבריקים). כאשר אתם מרנדרים אובייקט מתכתי או מבריק, מנוע הרינדור משתמש ב-cubemap כדי להבין מה אמור להשתקף על פני השטח שלו. ראיית השתקפות ריאליסטית של החדר האמיתי על כדור כרום וירטואלי היא גורם מרכזי בהשגת פוטו-ריאליזם.
• כיצד זה מסופק: ה-API מספק זאת כאובייקט `XRReflectionCubeMap`, שהוא אובייקט `WebGLTexture` שניתן להשתמש בו ישירות כמפת סביבה (environment map) בסצנת התלת-ממד שלכם. ה-cubemap מתעדכנת באופן דינמי על ידי המערכת ככל שהמשתמש נע או שתנאי התאורה משתנים.

יישום מעשי: הבאת אומדן תאורה לאפליקציית ה-WebXR שלכם

כעת, לאחר שהבנו את התיאוריה, בואו נבחן את השלבים הכלליים הנדרשים כדי לשלב תכונה זו באפליקציית WebXR. בעוד שקוד יישום מלא יכול להיות מורכב ותלוי במידה רבה בספריית התלת-ממד שבחרתם, התהליך המרכזי עוקב אחר דפוס עקבי.

דרישות קדם

• הבנה מוצקה של יסודות WebXR, כולל כיצד להתחיל סשן ולהפעיל לולאת רינדור.
• היכרות עם ספריית תלת-ממד מבוססת WebGL כמו Three.js או Babylon.js. ספריות אלו מפשטות חלק גדול מהמורכבות הנמוכה.
• מכשיר ודפדפן תואמים. נכון לכתיבת שורות אלה, אומדן תאורה ב-WebXR נתמך באופן החזק ביותר בכרום במכשירי אנדרואיד מודרניים עם ARCore.
• HTTPS: כמו כל תכונות ה-WebXR, האתר שלכם חייב להיות מוגש דרך חיבור מאובטח.

שילוב שלב אחר שלב (רעיוני)

להלן סקירה רעיונית של השלבים הנדרשים. נדון בעזרים ספציפיים לספריות בסעיף הבא.

שלב 1: בקשת התכונה 'light-estimation'
אינכם יכולים להשתמש ב-API אלא אם תבקשו זאת במפורש בעת יצירת סשן ה-AR שלכם. עושים זאת על ידי הוספת `'light-estimation'` למערך `requiredFeatures` או `optionalFeatures` בקריאה ל-`requestSession`.

const session = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', { requiredFeatures: ['hit-test', 'dom-overlay', 'light-estimation'] });

שלב 2: יצירת XRLightProbe
לאחר שהסשן החל, עליכם להודיע לו שברצונכם להתחיל לקבל מידע על תאורה. עושים זאת על ידי יצירת light probe עבור הסשן. ניתן גם לציין את פורמט מפת ההשתקפות המועדף עליכם.

const lightProbe = await session.requestLightProbe();

שלב 3: גישה לנתוני תאורה בלולאת הרינדור
נתוני התאורה מתעדכנים בכל פריים. בתוך קולבק לולאת הרינדור של `requestAnimationFrame` (המקבל את `time` ו-`frame` כארגומנטים), תוכלו לקבל את האומדן האחרון עבור ה-probe שלכם.

function onXRFrame(time, frame) {
// ... get pose, etc. ...

const lightEstimate = frame.getLightEstimate(lightProbe);

if (lightEstimate) {
// We have lighting data! Now we can apply it.
applyLighting(lightEstimate);
}

// ... render the scene ...
}
חשוב לבדוק אם `lightEstimate` קיים, מכיוון שעשויים לחלוף מספר פריימים עד שהמערכת תיצור את האומדן הראשון לאחר תחילת הסשן.

שלב 4: החלת הנתונים על סצנת התלת-ממד שלכם
כאן מנוע התלת-ממד שלכם נכנס לפעולה. אובייקט ה-`lightEstimate` מכיל את `sphericalHarmonicsCoefficients` ואת `reflectionCubeMap`.

• החלת הרמוניות ספריות: תעבירו את המערך `sphericalHarmonicsCoefficients` לחומרי ה-PBR שלכם, לעיתים קרובות על ידי עדכון אובייקט `LightProbe` בתוך מנוע התלת-ממד שלכם. השיידרים של המנוע ישתמשו בנתונים אלה לחישוב תאורה מפוזרת.
• החלת ה-Reflection Cubemap: ה-`reflectionCubeMap` הוא `WebGLTexture`. עליכם להשתמש ב-`XRWebGLBinding` של הסשן כדי לקבל גרסה שהרנדרר שלכם יכול להשתמש בה, ולאחר מכן להגדיר אותה כמפת הסביבה הגלובלית של הסצנה שלכם. זה יגרום לכל חומרי ה-PBR עם ערך מתכתיות או חספוס לשקף אותה.

דוגמאות ספציפיות למנועים: Three.js ו-Babylon.js

למרבה המזל, ספריות WebGL פופולריות מטפלות ברוב העבודה הכבדה משלב 4, מה שהופך את התהליך להרבה יותר פשוט עבור מפתחים.

הערות יישום ב-Three.js

ל-Three.js יש `WebXRManager` יוצא מן הכלל ומחלקת עזר ייעודית שהופכת את אומדן התאורה לתכונה שכמעט ופועלת "הכנס-הפעל".

המפתח הוא המחלקה XREstimatedLight. ניתן ליצור מופע של מחלקה זו ולהוסיף אותו לסצנה שלכם. בלולאת הרינדור, פשוט מעבירים את התוצאה של `xrFrame.getLightEstimate(lightProbe)` ואת `lightProbe` עצמו למתודת `update()` של האור. מחלקת העזר דואגת לכל השאר:

• היא מכילה אובייקט `LightProbe` של Three.js ומעדכנת אוטומטית את מאפיין `sh` שלו עם מקדמי ההרמוניות הספריות.
• היא מעדכנת אוטומטית את מאפיין `scene.environment` עם ה-reflection cubemap.
• כאשר אומדן האור אינו זמין, היא יכולה לחזור להגדרת תאורה ברירת מחדל, מה שמבטיח חוויה חלקה.

אבסטרקציה ברמה גבוהה זו מאפשרת לכם להתמקד ביצירת תוכן התלת-ממד שלכם ולתת ל-`XREstimatedLight` לטפל במורכבויות של קישור טקסטורות ועדכון משתני שיידר (uniforms).

הערות יישום ב-Babylon.js

גם Babylon.js מספק מערכת מבוססת-תכונות ברמה גבוהה עבור העזר `WebXRDefaultExperience` שלו.

כדי להפעיל את התכונה, פשוט ניגשים למנהל התכונות ומפעילים אותה לפי שם:

const xr = await scene.createDefaultXRExperienceAsync({ /* options */ });
const lightEstimationFeature = xr.featuresManager.enableFeature(WebXRLightEstimation.Name, { /* options */ });

לאחר ההפעלה, התכונה באופן אוטומטי:

• מנהלת את היצירה ומחזור החיים של `XRLightProbe`.
• מעדכנת את `environmentTexture` הראשי של הסצנה עם ה-reflection cubemap שסופק על ידי ה-API.
• מספקת גישה למקדמי ההרמוניות הספריות, שמערכת חומרי ה-PBR של בבילון יכולה להשתמש בהם לחישובי תאורה מפוזרת.
• כוללת observables (אירועים) שימושיים כמו `onLightEstimatedObservable` שאליהם ניתן להירשם כדי להפעיל לוגיקה מותאמת אישית כאשר נתוני תאורה חדשים מגיעים.

גישה זו, בדומה ל-Three.js, מאפשרת למפתחים להצטרף לתכונה מתקדמת זו עם שורות קוד בודדות, ומשלבת אותה בצורה חלקה בצינור הרינדור הקיים של Babylon.js.

אתגרים ומגבלות של הטכנולוגיה הנוכחית

בעוד שאומדן תאורה ב-WebXR הוא צעד מונומנטלי קדימה, חיוני לגשת אליו עם הבנה ריאליסטית של מגבלותיו הנוכחיות.

• עלות ביצועים: ניתוח רציף של פיד המצלמה, יצירת cubemaps, ועיבוד הרמוניות ספריות צורכים משאבי CPU ו-GPU משמעותיים. זהו שיקול ביצועים קריטי, במיוחד במכשירים ניידים המונעים על ידי סוללה. מפתחים חייבים לאזן בין הרצון לריאליזם מושלם לבין הצורך בחוויה חלקה עם קצב פריימים גבוה.
• דיוק האומדן: השם אומר הכל — זהו אומדן. המערכת יכולה להתבלבל על ידי תנאי תאורה לא רגילים, סצנות מורכבות מאוד עם אורות צבעוניים רבים, או שינויים מהירים מאוד באור. היא מספקת קירוב סביר, לא מדידה פיזיקלית מושלמת.
• תמיכת מכשירים ודפדפנים: התכונה עדיין אינה זמינה באופן אוניברסלי. תלותה במסגרות AR ספציפיות לפלטפורמה כמו ARCore פירושה שהיא זמינה בעיקר במכשירי אנדרואיד מודרניים המריצים כרום. תמיכה במכשירי iOS היא החלק החסר העיקרי לאימוץ נרחב.
• אין צללים מפורשים: ה-API הנוכחי מצוין לאור סביבתי והשתקפויות אך אינו מספק ישירות מידע על מקורות אור כיווניים דומיננטיים. פירוש הדבר שהוא לא יכול להגיד לכם, "יש אור חזק המגיע מהכיוון הספציפי הזה". כתוצאה מכך, הטלת צללים חדים ומדויקים בזמן אמת מאובייקטים וירטואליים על משטחים בעולם האמיתי עדיין דורשת טכניקות נוספות. מפתחים לעיתים קרובות משתמשים בנתוני ה-SH כדי להסיק את כיוון האור הבהיר ביותר וממקמים אור כיווני סטנדרטי בסצנה שלהם, אך זהו קירוב בלבד.

העתיד של תאורה ב-WebXR: מה הלאה?

תחום הרינדור בזמן אמת והראייה הממוחשבת מתפתח בקצב מדהים. העתיד של התאורה בווב האימרסיבי הוא מזהיר, עם מספר התקדמויות מרגשות באופק.

APIs משופרים לאור כיווני וצללים

בקשה נפוצה מקהילת המפתחים היא שה-API יספק נתונים מפורשים יותר על מקור/מקורות האור הראשיים, כולל כיוון, צבע ועוצמה. API כזה יאפשר להטיל בקלות צללים חדים ומדויקים פיזיקלית, מה שיהווה קפיצת דרך אדירה לריאליזם. ניתן יהיה לשלב זאת עם ה-API לזיהוי מישורים (Plane Detection API) כדי להטיל צללים על רצפות ושולחנות בעולם האמיתי.

מפות סביבה באיכות גבוהה יותר

ככל שמעבדים ניידים הופכים לחזקים יותר, אנו יכולים לצפות שהמערכת תיצור מפות השתקפות (cubemaps) ברזולוציה גבוהה יותר ועם טווח דינמי גבוה יותר (HDR). זה יוביל להשתקפויות חיות ומפורטות יותר, ויטשטש עוד יותר את הקו בין המציאותי לווירטואלי.

אימוץ פלטפורמה רחב יותר

המטרה הסופית היא שתכונות אלו יהפכו לסטנדרטיות וזמינות בכל הדפדפנים והמכשירים המובילים. ככל שאפל ממשיכה לפתח את היצע ה-AR שלה, יש תקווה שספארי ב-iOS יאמץ בסופו של דבר את ה-WebXR Lighting Estimation API, ויביא חוויות באיכות גבוהה אלו לקהל עולמי גדול הרבה יותר.

הבנת סצנה מבוססת בינה מלאכותית

במבט רחוק יותר, התקדמויות בלמידת מכונה עשויות לאפשר למכשירים לא רק לאמוד אור, אלא להבין סצנה באופן סמנטי. המכשיר עשוי לזהות "חלון", "מנורה", או "שמיים" ולהשתמש בידע זה כדי ליצור מודל תאורה מדויק וחזק עוד יותר, הכולל מקורות אור מרובים ואינטראקציות צל מורכבות.

סיכום: מאירים את הדרך לווב האימרסיבי

אומדן תאורה ב-WebXR הוא יותר מסתם תכונה נוספת; זוהי טכנולוגיה בסיסית לעתיד המציאות הרבודה בווב. בכך שהיא מאפשרת לאובייקטים דיגיטליים להיות מוארים באופן ריאליסטי על ידי סביבתם הפיזית, היא מרוממת את ה-AR מגימיק חדשני למדיום אימרסיבי ומשכנע באמת.

היא סוגרת את הפער התפיסתי שלעיתים קרובות גורם לחוויות AR להרגיש לא קשורות. עבור מסחר אלקטרוני, זה אומר שלקוח יכול לראות כיצד מנורה מתכתית באמת תשקף את האור בביתו. עבור גיימינג, זה אומר שדמויות מרגישות נוכחות ומשולבות יותר בעולמו של השחקן. עבור חינוך, זה אומר שניתן לצפות בחפצים היסטוריים ברמת ריאליזם שבעבר הייתה בלתי אפשרית בדפדפן אינטרנט.

בעוד שנותרו אתגרים בביצועים ובתמיכה בין-פלטפורמתית, הכלים הזמינים כיום, במיוחד בשילוב עם ספריות חזקות כמו Three.js ו-Babylon.js, הפכו טכנולוגיה זו, שהייתה פעם מורכבת, לנגישה להפליא. אנו מעודדים את כל מפתחי הווב והיוצרים המתעניינים בווב האימרסיבי לחקור את ה-WebXR Lighting Estimation API. התחילו להתנסות, לדחוף את הגבולות, ולעזור להאיר את הדרך לדור הבא של חוויות AR ריאליסטיות עבור קהל עולמי.