WebXR Hit Test Manager: Implementazione di un sistema di Ray Casting per esperienze immersive

L'ascesa delle tecnologie di Realtà Aumentata (AR) e Realtà Virtuale (VR) ha aperto nuove entusiasmanti possibilità per la creazione di esperienze digitali immersive e interattive. WebXR, un'API JavaScript per l'accesso alle funzionalità VR e AR nei browser web, consente agli sviluppatori di tutto il mondo di creare queste esperienze su una moltitudine di dispositivi. Un componente chiave nella creazione di esperienze WebXR coinvolgenti è la capacità di interagire con l'ambiente virtuale. È qui che entrano in gioco WebXR Hit Test Manager e il ray casting.

Cos'è il Ray Casting e perché è importante?

Il ray casting, nel contesto di WebXR, è una tecnica utilizzata per determinare se un raggio virtuale (una linea retta) interseca una superficie del mondo reale rilevata dal sistema AR o un oggetto virtuale nell'ambiente VR. Immagina di puntare un puntatore laser nel tuo ambiente e vedere dove colpisce. WebXR Hit Test Manager fornisce gli strumenti per eseguire questi ray cast e recuperare i risultati. Queste informazioni sono fondamentali per una varietà di interazioni, tra cui:

• Posizionamento di oggetti: Consentire agli utenti di posizionare oggetti virtuali su superfici del mondo reale, come mettere una sedia virtuale nel loro soggiorno (AR). Considera un utente a Tokyo che decora virtualmente il suo appartamento prima di impegnarsi negli acquisti di mobili.
• Targeting e selezione: Consentire agli utenti di selezionare oggetti virtuali o interagire con elementi dell'interfaccia utente utilizzando un puntatore o una mano virtuale (AR/VR). Immagina un chirurgo a Londra che utilizza l'AR per sovrapporre informazioni anatomiche su un paziente, selezionando aree specifiche per la revisione.
• Navigazione: Spostare l'avatar dell'utente attraverso il mondo virtuale puntando a una posizione e istruendolo a muoversi lì (VR). Un museo a Parigi potrebbe utilizzare la VR per consentire ai visitatori di navigare attraverso mostre storiche.
• Riconoscimento dei gesti: Combinare l'hit testing con il tracciamento delle mani per interpretare i gesti dell'utente, come pizzicare per ingrandire o scorrere per scorrere (AR/VR). Questo potrebbe essere utilizzato in una riunione di progettazione collaborativa a Sydney, dove i partecipanti manipolano insieme modelli virtuali.

Comprendere WebXR Hit Test Manager

WebXR Hit Test Manager è una parte essenziale dell'API WebXR che facilita il ray casting. Fornisce metodi per creare e gestire sorgenti di hit test, che definiscono l'origine e la direzione del raggio. Il gestore utilizza quindi queste sorgenti per eseguire hit test rispetto al mondo reale (in AR) o al mondo virtuale (in VR) e restituisce informazioni su eventuali intersezioni. I concetti chiave includono:

• XRFrame: XRFrame rappresenta un'istantanea nel tempo della scena XR, inclusa la posa dello spettatore e tutti i piani o le caratteristiche rilevate. Gli hit test vengono eseguiti rispetto a XRFrame.
• XRHitTestSource: Rappresenta la sorgente del raggio da proiettare. Definisce l'origine (dove inizia il raggio) e la direzione (dove punta il raggio). In genere, creerai un XRHitTestSource per metodo di input (ad esempio, un controller, una mano).
• XRHitTestResult: Contiene informazioni su un hit riuscito, inclusa la posa (posizione e orientamento) del punto di intersezione e la distanza dall'origine del raggio.
• XRHitTestTrackable: Rappresenta una caratteristica tracciata (come un piano) nel mondo reale.

Implementazione di un sistema di Hit Test di base

Esaminiamo i passaggi per implementare un sistema di hit test WebXR di base utilizzando JavaScript. Questo esempio si concentra sul posizionamento di oggetti AR, ma i principi possono essere adattati per altri scenari di interazione.

Passaggio 1: Richiesta di sessione WebXR e supporto per Hit Test

Innanzitutto, devi richiedere una sessione WebXR e assicurarti che la funzionalità 'hit-test' sia abilitata. Questa funzionalità è necessaria per utilizzare Hit Test Manager.

            
async function initXR() {
  try {
    xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
      requiredFeatures: ['hit-test'],
    });

    xrSession.addEventListener('end', () => {
      console.log('Sessione XR terminata');
    });

    // Inizializza il tuo renderer WebGL e la scena qui
    initRenderer();

    xrSession.updateRenderState({
      baseLayer: new XRWebGLLayer(xrSession, renderer.getContext())
    });

    xrReferenceSpace = await xrSession.requestReferenceSpace('local');
    xrHitTestSource = await xrSession.requestHitTestSource({
      space: xrReferenceSpace
    });

    xrSession.requestAnimationFrame(renderLoop);

  } catch (e) {
    console.error('Inizializzazione di WebXR non riuscita', e);
  }
}

            

              
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Spiegazione:

• `navigator.xr.requestSession('immersive-ar', ...)`: Richiede una sessione AR immersiva. Il primo argomento specifica il tipo di sessione ('immersive-ar' per AR, 'immersive-vr' per VR).
• `requiredFeatures: ['hit-test']`: Richiede in modo cruciale la funzionalità 'hit-test', abilitando Hit Test Manager.
• `xrSession.requestHitTestSource(...)`: Crea un XRHitTestSource, definendo l'origine e la direzione del raggio. In questo esempio di base, utilizziamo lo spazio di riferimento 'viewer', che corrisponde al punto di vista dell'utente.

Passaggio 2: Creazione del ciclo di rendering

Il ciclo di rendering è il cuore della tua applicazione WebXR. È qui che aggiorni la scena ed esegui il rendering di ogni fotogramma. All'interno del ciclo di rendering, eseguirai l'hit test e aggiornerai la posizione del tuo oggetto virtuale.

            
function renderLoop(time, frame) {
  xrSession.requestAnimationFrame(renderLoop);

  const xrFrame = frame;
  const xrPose = xrFrame.getViewerPose(xrReferenceSpace);

  if (xrPose) {
    const hitTestResults = xrFrame.getHitTestResults(xrHitTestSource);

    if (hitTestResults.length > 0) {
      const hit = hitTestResults[0];
      const hitPose = hit.getPose(xrReferenceSpace);

      // Aggiorna la posizione e l'orientamento del tuo oggetto virtuale
      object3D.position.set(hitPose.transform.position.x, hitPose.transform.position.y, hitPose.transform.position.z);
      object3D.quaternion.set(hitPose.transform.orientation.x, hitPose.transform.orientation.y, hitPose.transform.orientation.z, hitPose.transform.orientation.w);
      object3D.visible = true; // Rendi visibile l'oggetto quando viene trovato un hit
    } else {
      object3D.visible = false; // Nascondi l'oggetto se non viene trovato alcun hit
    }
  }

  renderer.render(scene, camera);
}

            

              
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Spiegazione:

• `xrFrame.getHitTestResults(xrHitTestSource)`: Esegue l'hit test utilizzando l'XRHitTestSource creato in precedenza. Restituisce un array di oggetti XRHitTestResult, che rappresentano tutte le intersezioni trovate.
• `hitTestResults[0]`: Prendiamo il primo risultato dell'hit. In scenari più complessi, potresti voler scorrere tutti i risultati e scegliere quello più appropriato.
• `hit.getPose(xrReferenceSpace)`: Recupera la posa (posizione e orientamento) dell'hit nello spazio di riferimento specificato.
• `object3D.position.set(...)` e `object3D.quaternion.set(...)`: Aggiorna la posizione e l'orientamento del tuo oggetto virtuale (object3D) in modo che corrisponda alla posa dell'hit. Questo posiziona l'oggetto nel punto di intersezione.
• `object3D.visible = true/false`: Controlla la visibilità dell'oggetto virtuale, facendolo apparire solo quando viene trovato un hit.

Passaggio 3: Impostazione della scena 3D (Esempio con Three.js)

Questo esempio utilizza Three.js, una popolare libreria JavaScript 3D, per creare una semplice scena con un cubo. Puoi adattare questo per utilizzare altre librerie come Babylon.js o A-Frame.

            
let scene, camera, renderer, object3D;
let xrSession, xrReferenceSpace, xrHitTestSource;

function initRenderer() {
  scene = new THREE.Scene();
  camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
  renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true, alpha: true });
  renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
  renderer.xr.enabled = true; // Abilita WebXR
  document.body.appendChild(renderer.domElement);

  const geometry = new THREE.BoxGeometry(0.1, 0.1, 0.1); // Cubo da 10 cm
  const material = new THREE.MeshNormalMaterial();
  object3D = new THREE.Mesh(geometry, material);
  object3D.visible = false; // Inizialmente nascondi l'oggetto
  scene.add(object3D);

  renderer.setAnimationLoop(() => { /* Nessun ciclo di animazione qui. WebXR lo controlla.*/ });
  renderer.xr.setSession(xrSession);

  camera.position.z = 2; // Sposta la telecamera indietro
}

// Chiama initXR() per avviare l'esperienza WebXR
initXR();

            

              
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Importante: Assicurati di includere la libreria Three.js nel tuo file HTML:

            


            

              
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Tecniche avanzate e ottimizzazioni

L'implementazione di base di cui sopra fornisce una base per l'hit testing WebXR. Ecco alcune tecniche avanzate e ottimizzazioni da considerare man mano che crei esperienze più complesse:

1. Filtraggio dei risultati dell'Hit Test

In alcuni casi, potresti voler filtrare i risultati dell'hit test per considerare solo tipi specifici di superfici. Ad esempio, potresti voler consentire il posizionamento di oggetti solo su superfici orizzontali (pavimenti o tavoli). Puoi ottenerlo esaminando il vettore normale della posa dell'hit e confrontandolo con il vettore verso l'alto.

            
if (hitTestResults.length > 0) {
  const hit = hitTestResults[0];
  const hitPose = hit.getPose(xrReferenceSpace);

  // Controlla se la superficie è approssimativamente orizzontale
  const upVector = new THREE.Vector3(0, 1, 0); // Vettore verso l'alto del mondo
  const hitNormal = new THREE.Vector3();
  hitNormal.set(hitPose.transform.orientation.x, hitPose.transform.orientation.y, hitPose.transform.orientation.z);
  hitNormal.applyQuaternion(camera.quaternion); // Ruota la normale nello spazio del mondo

  const dotProduct = upVector.dot(hitNormal);

  if (dotProduct > 0.9) { // Regola la soglia (0.9) come necessario
    // La superficie è approssimativamente orizzontale
    object3D.position.set(hitPose.transform.position.x, hitPose.transform.position.y, hitPose.transform.position.z);
    object3D.quaternion.set(hitPose.transform.orientation.x, hitPose.transform.orientation.y, hitPose.transform.orientation.z, hitPose.transform.orientation.w);
    object3D.visible = true;
  } else {
    object3D.visible = false;
  }
}

            

              
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2. Utilizzo di sorgenti di input transitorie

Per metodi di input più avanzati come il tracciamento delle mani, in genere utilizzerai sorgenti di input transitorie. Le sorgenti di input transitorie rappresentano eventi di input temporanei, come un tocco del dito o un gesto della mano. L'API WebXR Input ti consente di accedere a questi eventi e creare sorgenti di hit test in base alla posizione della mano dell'utente.

            
xrSession.addEventListener('selectstart', (event) => {
  const inputSource = event.inputSource;
  const targetRayPose = event.frame.getPose(inputSource.targetRaySpace, xrReferenceSpace);

  if (targetRayPose) {
    // Crea una sorgente di hit test dalla posa del raggio target
    xrSession.requestHitTestSourceForTransientInput({ targetRaySpace: inputSource.targetRaySpace, profile: inputSource.profiles }).then((hitTestSource) => {
       const hitTestResults = event.frame.getHitTestResults(hitTestSource);
       if (hitTestResults.length > 0) {
         const hit = hitTestResults[0];
         const hitPose = hit.getPose(xrReferenceSpace);

         // Posiziona un oggetto nella posizione dell'hit
         const newObject = new THREE.Mesh(new THREE.SphereGeometry(0.05, 32, 32), new THREE.MeshNormalMaterial());
         newObject.position.set(hitPose.transform.position.x, hitPose.transform.position.y, hitPose.transform.position.z);
         scene.add(newObject);
       }
       hitTestSource.cancel(); // Pulisci la sorgente di hit test
    });
  }
});

            

              
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3. Ottimizzazione delle prestazioni

Le esperienze WebXR possono essere ad alta intensità di calcolo, soprattutto sui dispositivi mobili. Ecco alcuni suggerimenti per ottimizzare le prestazioni:

• Riduci la frequenza degli Hit Test: L'esecuzione di hit test ogni fotogramma può essere costosa. Considera la possibilità di ridurre la frequenza, soprattutto se il movimento dell'utente è lento. Puoi utilizzare un timer o eseguire hit test solo quando l'utente avvia un'azione.
• Utilizza una gerarchia di volumi di delimitazione (BVH): Se hai una scena complessa con molti oggetti, l'utilizzo di un BVH può accelerare significativamente il rilevamento delle collisioni. Three.js e Babylon.js offrono implementazioni BVH.
• LOD (Level of Detail): Utilizza diversi livelli di dettaglio per i tuoi modelli 3D a seconda della loro distanza dalla telecamera. Ciò riduce il numero di poligoni che devono essere sottoposti a rendering per oggetti distanti.
• Occlusion Culling: Non eseguire il rendering di oggetti nascosti dietro altri oggetti. Ciò può migliorare significativamente le prestazioni in scene complesse.

4. Gestione di diversi spazi di riferimento

WebXR supporta diversi spazi di riferimento, che definiscono il sistema di coordinate utilizzato per tracciare la posizione e l'orientamento dell'utente. Gli spazi di riferimento più comuni sono:

• Locale: L'origine del sistema di coordinate è fissa rispetto alla posizione iniziale dell'utente. Questo è adatto per le esperienze in cui l'utente rimane in una piccola area.
• Piano delimitato: L'origine è a livello del pavimento e il piano XZ rappresenta il pavimento. Questo è adatto per le esperienze in cui l'utente può muoversi in una stanza.
• Illimitato: L'origine non è fissa e l'utente può muoversi liberamente. Questo è adatto per esperienze AR su larga scala.

La scelta dello spazio di riferimento appropriato è importante per garantire che la tua esperienza WebXR funzioni correttamente in ambienti diversi. Puoi richiedere uno spazio di riferimento specifico quando crei la sessione XR.

            
xrReferenceSpace = await xrSession.requestReferenceSpace('bounded-floor');

            

              
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5. Gestione della compatibilità dei dispositivi

WebXR è una tecnologia relativamente nuova e non tutti i browser e i dispositivi la supportano allo stesso modo. È importante verificare il supporto di WebXR prima di tentare di inizializzare una sessione WebXR.

            
if (navigator.xr) {
  // WebXR è supportato
  initXR();
} else {
  // WebXR non è supportato
  console.error('WebXR non è supportato in questo browser.');
}

            

              
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Dovresti anche testare la tua esperienza WebXR su una varietà di dispositivi per assicurarti che funzioni correttamente.

Considerazioni sull'internazionalizzazione

Quando sviluppi applicazioni WebXR per un pubblico globale, è importante considerare l'internazionalizzazione (i18n) e la localizzazione (l10n).

• Testo ed elementi dell'interfaccia utente: Utilizza una libreria di localizzazione per tradurre testo ed elementi dell'interfaccia utente in lingue diverse. Assicurati che il layout dell'interfaccia utente possa adattarsi a diverse lunghezze di testo. Ad esempio, le parole tedesche tendono ad essere più lunghe delle parole inglesi.
• Unità di misura: Utilizza unità di misura appropriate per diverse regioni. Ad esempio, utilizza metri e chilometri nella maggior parte dei paesi, ma utilizza piedi e miglia negli Stati Uniti e nel Regno Unito. Consenti agli utenti di scegliere le unità di misura preferite.
• Formati di data e ora: Utilizza formati di data e ora appropriati per diverse regioni. Ad esempio, utilizza il formato AAAA-MM-GG in alcuni paesi e il formato MM/GG/AAAA in altri.
• Valute: Visualizza le valute nel formato appropriato per diverse regioni. Utilizza una libreria per gestire le conversioni di valuta.
• Sensibilità culturale: Sii consapevole delle differenze culturali ed evita di utilizzare immagini, simboli o linguaggio che potrebbero essere offensivi per alcune culture. Ad esempio, alcuni gesti delle mani possono avere significati diversi in culture diverse.

Strumenti e risorse di sviluppo WebXR

Diversi strumenti e risorse possono aiutarti con lo sviluppo WebXR:

• Three.js: Una popolare libreria JavaScript 3D per la creazione di esperienze basate su WebGL.
• Babylon.js: Un altro potente motore JavaScript 3D con particolare attenzione al supporto WebXR.
• A-Frame: Un framework web per la creazione di esperienze VR utilizzando HTML.
• WebXR Emulator: Un'estensione del browser che ti consente di testare le esperienze WebXR senza bisogno di un dispositivo VR o AR fisico.
• WebXR Device API Specification: La specifica WebXR ufficiale del W3C.
• Mozilla Mixed Reality Blog: Una grande risorsa per conoscere WebXR e tecnologie correlate.

Conclusione

WebXR Hit Test Manager è un potente strumento per la creazione di esperienze AR/VR interattive e coinvolgenti. Comprendendo i concetti di ray casting e l'API Hit Test, puoi creare applicazioni interessanti che consentono agli utenti di interagire con il mondo virtuale in modo naturale e intuitivo. Man mano che la tecnologia WebXR continua ad evolversi, le possibilità di creare esperienze innovative e coinvolgenti sono infinite. Ricorda di ottimizzare il tuo codice per le prestazioni e di considerare l'internazionalizzazione quando sviluppi per un pubblico globale. Accetta le sfide e le ricompense della costruzione della prossima generazione di esperienze web immersive.