WebXR 히트 테스트 최적화 엔진: 레이 캐스팅 향상

WebXR은 우리가 웹과 상호 작용하는 방식을 혁신하여 브라우저 내에서 직접 몰입형 경험을 가능하게 합니다. 많은 WebXR 애플리케이션, 특히 증강 현실(AR)과 관련된 애플리케이션의 핵심 구성 요소는 히트 테스트입니다. 히트 테스트는 일반적으로 사용자의 시선이나 컨트롤러에서 시작되는 광선이 실제 표면과 교차하는지 여부를 결정합니다. 이 상호 작용은 가상 객체를 배치하고, 물리적 세계에 오버레이된 디지털 콘텐츠와 상호 작용하고, 사용자 상호 작용을 기반으로 이벤트를 트리거하는 데 매우 중요합니다. 그러나 히트 테스트는 특히 복잡한 환경에서 또는 자주 수행될 때 계산 비용이 많이 들 수 있습니다. 따라서 부드럽고 반응성이 뛰어난 사용자 경험을 제공하려면 히트 테스트 프로세스를 최적화하는 것이 가장 중요합니다. 이 기사에서는 WebXR 히트 테스트 최적화를 위한 레이 캐스팅 향상 기술의 복잡성을 자세히 살펴보고 WebXR 애플리케이션의 성능을 향상시키기 위한 실행 가능한 전략을 제공합니다.

WebXR 히트 테스트 이해

최적화 전략을 살펴보기 전에 WebXR 히트 테스트가 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 중요합니다. WebXR 장치 API는 기본 현실에 대한 히트 테스트를 수행하는 방법을 제공합니다. 이러한 방법은 기본적으로 사용자의 시점(또는 컨트롤러의 위치와 방향)에서 장면으로 광선을 투사하고 감지된 평면 또는 기능과 교차하는지 여부를 결정합니다. 이 교차점(발견된 경우)은 표면의 위치와 방향에 대한 정보를 제공하여 개발자가 해당 지점에 가상 객체를 배치하거나 상호 작용을 시작할 수 있도록 합니다.

히트 테스트에 사용되는 주요 방법은 다음과 같습니다.

• XRFrame.getHitTestResults(XRHitTestSource): 히트 테스트 결과를 검색하여 XRHitTestResult 객체의 배열을 반환합니다. 각 XRHitTestResult는 교차점을 나타냅니다.
• XRHitTestSource: 광선의 원점과 방향을 지정하여 히트 테스트 소스를 만들고 관리하는 데 사용되는 인터페이스입니다.

이러한 히트 테스트의 성능은 다음과 같은 여러 요인에 의해 크게 영향을 받을 수 있습니다.

• 장면의 복잡성: 폴리곤 수가 더 많은 복잡한 장면에서는 광선 교차점을 결정하는 데 더 많은 처리 능력이 필요합니다.
• 히트 테스트 빈도: 모든 프레임에서 히트 테스트를 수행하면 특히 모바일 장치에서 장치의 리소스에 부담을 줄 수 있습니다.
• 기능 감지의 정확성: 부정확하거나 불완전한 기능 감지는 잘못된 히트 테스트 결과와 낭비되는 처리 시간으로 이어질 수 있습니다.

레이 캐스팅 최적화 기술

레이 캐스팅 최적화에는 광선 교차점을 결정하는 계산 비용을 줄이는 것이 포함됩니다. 이를 달성하기 위해 여러 가지 기술을 사용할 수 있습니다.

1. 경계 볼륨 계층 구조(BVH)

경계 볼륨 계층 구조(BVH)는 장면의 형상을 경계 볼륨 계층 구조로 구성하는 트리와 유사한 데이터 구조입니다. 이러한 경계 볼륨은 일반적으로 삼각형 그룹을 둘러싸는 상자 또는 구와 같은 단순한 모양입니다. 레이 캐스팅을 수행할 때 알고리즘은 먼저 경계 볼륨과의 교차점을 확인합니다. 광선이 경계 볼륨과 교차하지 않으면 해당 볼륨 내에 포함된 전체 하위 트리를 건너뛸 수 있으므로 필요한 삼각형-광선 교차점 테스트 수가 크게 줄어듭니다.

예: AR을 사용하여 방에 여러 가상 가구를 배치한다고 상상해 보십시오. BVH는 이러한 가구를 근접성을 기반으로 그룹으로 구성할 수 있습니다. 사용자가 바닥을 탭하여 새 객체를 배치하면 레이 캐스트는 먼저 모든 가구를 포괄하는 경계 볼륨과 교차하는지 확인합니다. 그렇지 않으면 레이 캐스트는 더 멀리 떨어져 있는 개별 가구에 대한 확인을 빠르게 건너뛸 수 있습니다.

BVH 구현에는 일반적으로 다음 단계가 포함됩니다.

1. BVH 빌드: 장면의 형상을 더 작은 그룹으로 재귀적으로 분할하여 각 그룹에 대한 경계 볼륨을 만듭니다.
2. BVH 탐색: 루트에서 시작하여 BVH를 탐색하고 광선-경계 볼륨 교차점을 확인합니다.
3. 삼각형 테스트: 광선과 교차하는 경계 볼륨 내의 삼각형만 테스트합니다.

three-mesh-bvh(Three.js용)와 같은 라이브러리와 다른 WebGL 프레임워크용 유사한 라이브러리는 미리 빌드된 BVH 구현을 제공하여 프로세스를 단순화합니다.

2. 공간 분할

공간 분할 기술은 장면을 옥트리 또는 KD 트리와 같은 개별 영역으로 나눕니다. 이러한 기술을 사용하면 광선과 교차할 가능성이 있는 장면 영역을 빠르게 결정하여 교차점에 대해 테스트해야 하는 객체 수를 줄일 수 있습니다.

예: 사용자가 물리적 주변 환경에 오버레이된 가상 박물관 전시물을 탐색할 수 있는 AR 애플리케이션을 고려해 보십시오. 공간 분할 접근 방식은 전시 공간을 더 작은 셀로 나눌 수 있습니다. 사용자가 장치를 움직이면 애플리케이션은 현재 사용자의 시야에 있는 셀 내에 포함된 객체와의 광선 교차점만 확인하면 됩니다.

일반적인 공간 분할 기술은 다음과 같습니다.

• 옥트리: 공간을 8개의 옥탄트로 재귀적으로 나눕니다.
• KD 트리: 다른 축을 따라 공간을 재귀적으로 나눕니다.
• 그리드 기반 분할: 공간을 균일한 셀 그리드로 나눕니다.

공간 분할 기술의 선택은 장면의 특정 특성에 따라 다릅니다. 옥트리는 객체 분포가 고르지 않은 장면에 적합하고 KD 트리는 객체 분포가 비교적 균일한 장면에 더 효율적일 수 있습니다. 그리드 기반 분할은 구현하기 간단하지만 객체 밀도가 크게 다른 장면에 대해서는 효율적이지 않을 수 있습니다.

3. 거친-미세 교차점 테스트

이 기술은 디테일 수준이 증가하는 일련의 교차점 테스트를 수행하는 것을 포함합니다. 초기 테스트는 경계 구 또는 상자와 같은 객체의 단순화된 표현으로 수행됩니다. 광선이 단순화된 표현과 교차하지 않으면 객체를 삭제할 수 있습니다. 광선이 단순화된 표현과 교차하는 경우에만 실제 객체 형상으로 더 자세한 교차점 테스트가 수행됩니다.

예: AR 정원에 가상 식물을 배치할 때 초기 히트 테스트는 식물 모델 주위에 간단한 경계 상자를 사용할 수 있습니다. 광선이 경계 상자와 교차하면 실제 식물의 잎과 줄기 형상을 사용하는 더 정확한 히트 테스트를 수행할 수 있습니다. 광선이 경계 상자와 교차하지 않으면 더 복잡한 히트 테스트가 건너뛰어져 귀중한 처리 시간이 절약됩니다.

거친-미세 교차점 테스트의 핵심은 테스트가 빠르고 교차할 가능성이 없는 객체를 효과적으로 제거하는 적절한 단순화된 표현을 선택하는 것입니다.

4. 시추대 컬링

시추대 컬링은 카메라의 시야(시추대) 밖에 있는 객체를 삭제하는 데 사용되는 기술입니다. 히트 테스트를 수행하기 전에 사용자에게 보이지 않는 객체는 계산에서 제외하여 전반적인 계산 부하를 줄일 수 있습니다.

예: 가상 쇼룸을 시뮬레이션하는 WebXR 애플리케이션에서 시추대 컬링을 사용하여 현재 사용자 뒤에 있거나 시야 밖에 있는 가구 및 기타 객체를 제외할 수 있습니다. 이렇게 하면 히트 테스트 중에 고려해야 하는 객체 수가 크게 줄어들어 성능이 향상됩니다.

시추대 컬링 구현에는 다음 단계가 포함됩니다.

1. 시추대 정의: 카메라의 시야를 정의하는 평면을 계산합니다.
2. 객체 경계 테스트: 각 객체의 경계 볼륨이 시추대 내에 있는지 확인합니다.
3. 객체 삭제: 히트 테스트 계산에서 시추대 밖에 있는 객체를 제외합니다.

5. 시간적 일관성

시간적 일관성은 사용자 및 장면 내 객체의 위치와 방향이 시간이 지남에 따라 점진적으로 변경된다는 사실을 활용합니다. 즉, 이전 프레임의 히트 테스트 결과를 사용하여 현재 프레임의 히트 테스트 결과를 예측할 수 있는 경우가 많습니다. 시간적 일관성을 활용하면 전체 히트 테스트 수행 빈도를 줄일 수 있습니다.

예: 사용자가 AR을 사용하여 테이블에 가상 마커를 배치하고 사용자가 약간 움직이면 마커가 여전히 테이블에 있을 가능성이 높습니다. 이를 확인하기 위해 전체 히트 테스트를 수행하는 대신 사용자의 움직임을 기반으로 마커의 위치를 추정하고 사용자의 움직임이 중요하거나 마커가 테이블에서 이동한 것으로 보이는 경우에만 전체 히트 테스트를 수행할 수 있습니다.

시간적 일관성을 활용하는 기술은 다음과 같습니다.

• 히트 테스트 결과 캐싱: 이전 프레임의 히트 테스트 결과를 저장하고 사용자의 위치와 방향이 크게 변경되지 않은 경우 재사용합니다.
• 객체 위치 추정: 이전 위치와 속도를 기반으로 객체의 위치를 예측합니다.
• 모션 예측 사용: 모션 예측 알고리즘을 사용하여 사용자의 움직임을 예측하고 그에 따라 히트 테스트 매개변수를 조정합니다.

6. 적응형 히트 테스트 빈도

고정된 빈도로 히트 테스트를 수행하는 대신 사용자의 활동과 애플리케이션의 성능에 따라 빈도를 동적으로 조정할 수 있습니다. 사용자가 장면과 적극적으로 상호 작용하거나 애플리케이션이 원활하게 실행되는 경우 히트 테스트 빈도를 늘려 보다 반응성이 뛰어난 피드백을 제공할 수 있습니다. 반대로 사용자가 유휴 상태이거나 애플리케이션에 성능 문제가 발생하는 경우 히트 테스트 빈도를 줄여 리소스를 절약할 수 있습니다.

예: 사용자가 가상 발사체를 발사하는 WebXR 게임에서 사용자가 조준하고 발사할 때 히트 테스트 빈도를 늘리고 사용자가 단순히 환경을 탐색할 때 줄일 수 있습니다.

히트 테스트 빈도를 조정할 때 고려해야 할 요소는 다음과 같습니다.

• 사용자 활동: 사용자가 장면과 적극적으로 상호 작용할 때 빈도를 늘립니다.
• 애플리케이션 성능: 애플리케이션에 성능 문제가 발생하는 경우 빈도를 줄입니다.
• 장치 기능: 사용자 장치의 기능을 기반으로 빈도를 조정합니다.

7. 레이 캐스팅 알고리즘 최적화

기본 레이 캐스팅 알고리즘 자체를 성능에 맞게 최적화할 수 있습니다. 여기에는 SIMD(단일 명령, 다중 데이터) 명령을 사용하여 여러 광선을 동시에 처리하거나 보다 효율적인 교차점 테스트 알고리즘을 사용하는 것이 포함될 수 있습니다.

예: 속도와 효율성으로 널리 알려진 Möller–Trumbore 알고리즘과 같은 최적화된 광선-삼각형 교차점 알고리즘을 활용하면 상당한 성능 향상을 얻을 수 있습니다. SIMD 명령을 사용하면 레이 캐스팅에서 일반적인 벡터 연산을 병렬 처리하여 프로세스를 더욱 가속화할 수 있습니다.

8. 프로파일링 및 모니터링

WebXR 애플리케이션의 성능을 프로파일링하고 모니터링하여 병목 현상과 최적화 영역을 식별하는 것이 중요합니다. 브라우저 개발자 도구 또는 특수 프로파일링 도구를 사용하여 히트 테스트 및 기타 성능에 중요한 작업을 수행하는 데 소요되는 시간을 측정합니다. 이 데이터는 최적화 노력을 집중할 가장 영향력 있는 영역을 정확히 찾아내는 데 도움이 될 수 있습니다.

예: Chrome DevTools 성능 탭을 사용하여 WebXR 세션을 기록할 수 있습니다. 그런 다음 타임라인 뷰를 분석하여 히트 테스트와 관련된 높은 CPU 사용 기간을 식별할 수 있습니다. 이를 통해 성능 병목 현상을 일으키는 특정 코드 섹션을 대상으로 최적화할 수 있습니다.

모니터링할 주요 지표는 다음과 같습니다.

• 프레임 속도: 초당 렌더링되는 프레임 수를 측정합니다.
• 히트 테스트 기간: 히트 테스트를 수행하는 데 소요되는 시간을 측정합니다.
• CPU 사용량: 애플리케이션의 CPU 사용률을 모니터링합니다.
• 메모리 사용량: 애플리케이션의 메모리 소비량을 추적합니다.

코드 예제

다음은 기본 레이 캐스팅을 보여주는 Three.js를 사용하는 단순화된 코드 예제입니다.

const raycaster = new THREE.Raycaster(); const mouse = new THREE.Vector2(); function onMouseMove( event ) { mouse.x = ( event.clientX / window.innerWidth ) * 2 - 1; mouse.y = - ( event.clientY / window.innerHeight ) * 2 + 1; raycaster.setFromCamera( mouse, camera ); const intersects = raycaster.intersectObjects( scene.children ); if ( intersects.length > 0 ) { // Handle intersection console.log("Intersection found:", intersects[0].object); } } window.addEventListener( 'mousemove', onMouseMove, false );

이 예제에서는 마우스 움직임을 기반으로 업데이트되고 장면의 모든 객체와 교차하는 레이캐스터를 설정합니다. 간단하지만 성능 집약적이 될 수 있습니다. `three-mesh-bvh`를 사용하여 BVH 구조를 구현하고 테스트할 객체 수를 제한하는 방법은 다음과 같습니다.

import { MeshBVH, Ray } from 'three-mesh-bvh'; // Assume `mesh` is your Three.js Mesh const bvh = new MeshBVH( mesh.geometry ); mesh.geometry.boundsTree = bvh; const raycaster = new THREE.Raycaster(); const mouse = new THREE.Vector2(); const ray = new Ray(); // BVH expects a Ray object function onMouseMove( event ) { mouse.x = ( event.clientX / window.innerWidth ) * 2 - 1; mouse.y = - ( event.clientY / window.innerHeight ) * 2 + 1; raycaster.setFromCamera( mouse, camera ); ray.copy(raycaster.ray); const intersects = bvh.raycast( ray, mesh.matrixWorld ); //Using raycast directly on the BVH if ( intersects ) { // Handle intersection console.log("Intersection found:", mesh); } } window.addEventListener( 'mousemove', onMouseMove, false );

이 예제에서는 three-mesh-bvh를 사용하여 BVH를 레이캐스팅과 통합하는 방법을 보여줍니다. 메쉬 형상에 대한 BVH 트리를 구성한 다음 `bvh.raycast`를 사용하여 더 빠른 교차점 검사를 수행합니다. 이렇게 하면 장면의 모든 삼각형에 대해 광선을 테스트하는 오버헤드를 피할 수 있습니다.

WebXR 히트 테스트 최적화를 위한 모범 사례

WebXR 히트 테스트 최적화를 위한 모범 사례 요약은 다음과 같습니다.

• 경계 볼륨 계층 구조(BVH) 또는 기타 공간 분할 기술을 사용합니다.
• 거친-미세 교차점 테스트를 구현합니다.
• 시추대 컬링을 사용하여 화면 밖 객체를 삭제합니다.
• 시간적 일관성을 활용하여 히트 테스트 빈도를 줄입니다.
• 사용자 활동 및 애플리케이션 성능에 따라 히트 테스트 빈도를 조정합니다.
• SIMD와 같은 기술을 사용하여 레이 캐스팅 알고리즘을 최적화합니다.
• 애플리케이션을 프로파일링하고 모니터링하여 병목 현상을 식별합니다.
• 메인 스레드를 차단하지 않도록 필요한 경우 비동기 히트 테스트를 사용하는 것을 고려하십시오.
• 장면의 객체 수를 최소화하거나 형상을 단순화합니다.
• 최적화된 WebGL 렌더링 기술을 사용하여 전반적인 성능을 향상시킵니다.

WebXR 개발을 위한 글로벌 고려 사항

글로벌 청중을 위한 WebXR 애플리케이션을 개발할 때는 다음 사항을 고려하는 것이 중요합니다.

• 장치 다양성: WebXR 애플리케이션은 고급 PC에서 저가형 휴대폰에 이르기까지 광범위한 장치에서 원활하게 실행되도록 설계해야 합니다. 여기에는 적응형 렌더링 기술을 사용하거나 장치의 기능을 기반으로 다양한 디테일 수준을 제공하는 것이 포함될 수 있습니다.
• 네트워크 연결: 일부 지역에서는 네트워크 연결이 제한적이거나 신뢰할 수 없을 수 있습니다. WebXR 애플리케이션은 네트워크 중단에 탄력적으로 대처할 수 있도록 설계해야 하며 네트워크를 통해 전송해야 하는 데이터 양을 최소화해야 합니다.
• 현지화: WebXR 애플리케이션은 다양한 언어와 문화에 맞게 현지화해야 합니다. 여기에는 텍스트 번역, UI 요소 조정 및 적절한 문화적 참조 사용이 포함됩니다.
• 접근성: WebXR 애플리케이션은 장애가 있는 사용자가 접근할 수 있어야 합니다. 여기에는 음성 제어 또는 시선 추적과 같은 대체 입력 방법을 제공하고 애플리케이션이 보조 기술과 호환되도록 하는 것이 포함될 수 있습니다.
• 데이터 개인 정보 보호: 다양한 국가 및 지역의 데이터 개인 정보 보호 규정을 염두에 두십시오. 개인 데이터를 수집하거나 저장하기 전에 사용자 동의를 얻으십시오.

예: 역사적인 랜드마크를 보여주는 AR 애플리케이션은 부드러운 프레임 속도를 유지하기 위해 저가형 모바일 장치에서 더 낮은 해상도 텍스처와 단순화된 3D 모델을 제공하여 장치 다양성을 고려해야 합니다. 또한 랜드마크에 대한 설명을 사용자가 선호하는 언어로 표시하고 필요한 경우 오른쪽에서 왼쪽으로 쓰는 언어에 맞게 사용자 인터페이스를 조정하여 다양한 언어를 지원하도록 현지화해야 합니다.

결론

WebXR 히트 테스트를 최적화하는 것은 부드럽고 반응성이 뛰어나며 즐거운 사용자 경험을 제공하는 데 매우 중요합니다. 레이 캐스팅의 기본 원리를 이해하고 이 기사에 설명된 기술을 구현함으로써 WebXR 애플리케이션의 성능을 크게 향상시키고 더 많은 청중이 접근할 수 있는 몰입형 경험을 만들 수 있습니다. 애플리케이션을 프로파일링하고 성능을 모니터링하며 장면과 대상 장치의 특정 특성에 맞게 최적화 전략을 조정하십시오. WebXR 생태계가 계속 진화함에 따라 새롭고 혁신적인 최적화 기술이 등장할 것입니다. 최신 발전 사항과 모범 사례를 파악하는 것은 몰입형 웹 경험의 경계를 넓히는 고성능 WebXR 애플리케이션을 개발하는 데 필수적입니다.