WebXR atskaitos erdvės našumas: koordinačių sistemos apdorojimo optimizavimas

WebXR keičia mūsų sąveikos su žiniatinkliu būdus, suteikdama įtraukiančias virtualios ir papildytos realybės patirtis tiesiogiai naršyklėse. Tačiau norint kurti našias XR programas, reikia giliai suprasti pagrindines technologijas, ypač atskaitos erdves ir su jomis susijusį koordinačių sistemos apdorojimą. Neefektyvus šių komponentų valdymas gali sukelti didelius našumo trūkumus, neigiamai veikiančius vartotojo patirtį. Šiame straipsnyje pateikiamas išsamus vadovas, kaip optimizuoti atskaitos erdvės našumą WebXR, apimantis pagrindines sąvokas, dažniausiai pasitaikančias problemas ir praktinius sprendimus.

WebXR atskaitos erdvių supratimas

WebXR pagrindas yra atskaitos erdvių koncepcija. Atskaitos erdvė apibrėžia koordinačių sistemą, kurioje virtualūs objektai yra išdėstomi ir sekami atsižvelgiant į vartotojo fizinę aplinką. Norint kurti efektyvias XR patirtis, būtina suprasti skirtingus atskaitos erdvių tipus ir jų poveikį našumui.

Atskaitos erdvių tipai

WebXR siūlo kelis atskaitos erdvių tipus, kurių kiekvienas turi savo ypatybes ir naudojimo atvejus:

• Žiūrovo erdvė (Viewer Space): Atspindi vartotojo galvos padėtį ir orientaciją. Ji yra santykinė ekrano atžvilgiu ir daugiausia naudojama prie galvos pririštam turiniui, pvz., HUD (angl. Heads-Up Display) ar paprastoms VR patirtims.
• Vietinė erdvė (Local Space): Suteikia stabilią koordinačių sistemą, kurios centras yra pradinėje vartotojo pozicijoje. Judėjimas sekamas atsižvelgiant į šį pradinį tašką. Tinka sėdimoms ar stacionarioms VR patirtims.
• Vietinė grindų erdvė (Local Floor Space): Panaši į vietinę erdvę, tačiau kaip Y ašies atskaitos tašką įtraukia numanomą vartotojo grindų lygį. Tai naudinga kuriant labiau įžemintas VR/AR patirtis, kuriose objektai turėtų stovėti ant grindų.
• Apribota grindų erdvė (Bounded Floor Space): Apibrėžia ribotą plotą, kuriame vartotojas gali judėti, paprastai remiantis XR įrenginio sekimo sistemos nustatytomis ribomis. Ji suteikia papildomą erdvinio suvokimo lygį ir leidžia kurti uždaras aplinkas.
• Neapribota erdvė (Unbounded Space): Seka vartotojo padėtį ir orientaciją be jokių dirbtinių apribojimų. Naudinga programoms, kuriose reikia didelio masto judėjimo ir tyrinėjimo, pvz., naršant virtualiame mieste ar patiriant papildytą realybę dideliame plote.

Tinkamos atskaitos erdvės pasirinkimas yra labai svarbus. Neapribota erdvė, nors ir suteikia maksimalią laisvę, yra skaičiavimo požiūriu brangesnė nei žiūrovo erdvė, kuri yra glaudžiai susijusi su šalmu. Kompromisas yra tarp reikiamo erdvinio sekimo lygio ir turimos apdorojimo galios. Pavyzdžiui, paprastam AR žaidimui, kuris rodo turinį ant vartotojo stalo, gali pakakti žiūrovo ar vietinės erdvės. Kita vertus, vaikščiojimo mastelio VR programai būtų naudinga apribota arba neapribota grindų erdvė, siekiant realistiško išlygiavimo su grindimis ir susidūrimų aptikimo.

Koordinačių sistemos apdorojimas WebXR

Koordinačių sistemos apdorojimas apima virtualių objektų pozicijų ir orientacijų transformavimą bei manipuliavimą pasirinktoje atskaitos erdvėje. Šis procesas yra būtinas norint tiksliai atvaizduoti vartotojo judėjimą ir sąveikas XR aplinkoje. Tačiau neefektyvus koordinačių sistemos apdorojimas gali sukelti našumo trūkumų ir vizualinių artefaktų.

Transformacijų supratimas

Transformacijos – tai matematinės operacijos, naudojamos manipuliuoti objektų padėtimi, pasukimu ir masteliu 3D erdvėje. WebXR šios transformacijos paprastai vaizduojamos 4x4 matricomis. Norint pasiekti gerą našumą, labai svarbu suprasti, kaip šios matricos veikia ir kaip optimizuoti jų naudojimą.

Dažniausios transformacijos:

• Transliacija: Objekto perkėlimas X, Y ir Z ašimis.
• Rotacija: Objekto sukimas aplink X, Y ir Z ašis.
• Mastelio keitimas: Objekto dydžio keitimas X, Y ir Z ašimis.

Kiekvieną iš šių transformacijų galima pavaizduoti matrica, o kelias transformacijas galima sujungti į vieną matricą, jas sudauginus. Šis procesas vadinamas matricų sujungimu. Tačiau per didelis matricų dauginimas gali reikalauti daug skaičiavimo resursų. Apsvarstykite galimybę optimizuoti daugybos tvarką arba išsaugoti tarpinius rezultatus talpykloje dažnai naudojamoms transformacijoms.

WebXR kadrų ciklas

WebXR programos veikia kadrų cikle, kuris yra nuolatinis scenos atvaizdavimo ir atnaujinimo procesas. Kiekviename kadre programa gauna naujausią vartotojo šalmo ir valdiklių pozą (padėtį ir orientaciją) iš WebXR API. Ši pozos informacija tada naudojama virtualių objektų padėtims scenoje atnaujinti.

Daugiausia koordinačių sistemos apdorojimo vyksta būtent kadrų cikle. Labai svarbu optimizuoti šį ciklą, kad būtų užtikrinta sklandi ir jautri XR patirtis. Bet kokie sulėtėjimai cikle tiesiogiai lemia mažesnį kadrų dažnį ir prastesnę vartotojo patirtį.

Dažniausios našumo problemos

Keletas veiksnių gali prisidėti prie našumo problemų, susijusių su atskaitos erdvėmis ir koordinačių sistemų apdorojimu WebXR. Panagrinėkime keletą dažniausiai pasitaikančių iššūkių:

Pertekliniai matricų skaičiavimai

Atliekant per daug matricų skaičiavimų per kadrą, galima greitai perkrauti CPU arba GPU. Tai ypač aktualu sudėtingoms scenoms su daugybe objektų ar įmantriomis animacijomis. Pavyzdžiui, įsivaizduokite judraus turgaus Marakeše simuliaciją. Kiekvieno prekystalio, kiekvieno žmogaus, kiekvieno gyvūno ir kiekvieno atskiro objekto tuose prekystaliuose padėtis turi būti apskaičiuota ir atvaizduota. Jei šie skaičiavimai nebus optimizuoti, scena greitai taps nežaidžiama.

Sprendimas: Sumažinkite matricų skaičiavimų skaičių per kadrą. Kai tik įmanoma, sujunkite kelias transformacijas į vieną matricą. Išsaugokite tarpinius matricų rezultatus talpykloje, kad išvengtumėte pasikartojančių skaičiavimų. Naudokite efektyvias matricų bibliotekas, optimizuotas jūsų tikslinei platformai. Apsvarstykite galimybę naudoti skeleto animacijos technikas personažams ir kitiems sudėtingiems animuotiems objektams, nes tai gali žymiai sumažinti reikalingų matricų skaičiavimų skaičių.

Neteisingas atskaitos erdvės pasirinkimas

Pasirinkus netinkamą atskaitos erdvę, gali atsirasti nereikalingų skaičiavimo sąnaudų. Pavyzdžiui, naudojant neapribotą erdvę, kai pakaktų vietinės erdvės, švaistoma apdorojimo galia. Tinkamos atskaitos erdvės pasirinkimas priklauso nuo programos reikalavimų. Paprastai prie galvos pririštai sąsajai naudinga žiūrovo erdvė, taip sumažinant apdorojimą. Programai, reikalaujančiai, kad vartotojas vaikščiotų po kambarį, reikės apribotos arba neapribotos grindų erdvės.

Sprendimas: Atidžiai įvertinkite savo programos poreikius ir pasirinkite tinkamiausią atskaitos erdvę. Venkite naudoti neapribotą erdvę, nebent tai yra absoliučiai būtina. Apsvarstykite galimybę leisti vartotojams pasirinkti pageidaujamą atskaitos erdvę, atsižvelgiant į jų turimas sekimo galimybes.

Šiukšlių surinkimo (Garbage Collection) problemos

Dažnas atminties priskyrimas ir atlaisvinimas gali suaktyvinti šiukšlių surinkimą, o tai gali sukelti pastebimus trūkčiojimus ir kadrų kritimus. Tai ypač problemiška JavaScript pagrindu veikiančiose WebXR programose. Pavyzdžiui, jei kiekviename kadre kuriami nauji `THREE.Vector3` ar `THREE.Matrix4` objektai, šiukšlių surinkėjas nuolat dirbs valydamas senus objektus. Tai gali lemti didelį našumo sumažėjimą.

Sprendimas: Sumažinkite atminties priskyrimą kadrų cikle. Vietoj naujų objektų kūrimo, pakartotinai naudokite esamus. Naudokite objektų telkimą (angl. object pooling), kad iš anksto priskirtumėte objektų grupę, kurią galima pakartotinai naudoti pagal poreikį. Apsvarstykite galimybę naudoti tipizuotus masyvus (angl. typed arrays) efektyviam skaitinių duomenų saugojimui. Be to, atkreipkite dėmesį į numanomą objektų kūrimą JavaScript kalboje. Pavyzdžiui, eilučių sujungimas kadrų cikle gali sukurti nereikalingus laikinus eilutės objektus.

Neefektyvus duomenų perdavimas

Didelių duomenų kiekių perdavimas tarp CPU ir GPU gali tapti kliūtimi. Tai ypač aktualu aukštos raiškos tekstūroms ir sudėtingiems 3D modeliams. Šiuolaikiniai GPU yra neįtikėtinai galingi atliekant lygiagrečius skaičiavimus, tačiau jiems reikia duomenų, su kuriais dirbti. Duomenų pralaidumas tarp CPU ir GPU yra lemiamas veiksnys bendram našumui.

Sprendimas: Sumažinkite perduodamų duomenų kiekį tarp CPU ir GPU. Naudokite optimizuotus tekstūrų formatus ir glaudinimo technikas. Naudokite viršūnių buferio objektus (VBO) viršūnių duomenims saugoti GPU. Apsvarstykite galimybę naudoti srautines tekstūras (angl. streaming textures), kad palaipsniui įkeltumėte aukštos raiškos tekstūras. Grupuokite atvaizdavimo iškvietimus (angl. batch draw calls), kad sumažintumėte į GPU siunčiamų individualių atvaizdavimo komandų skaičių.

Optimizavimo mobiliesiems įrenginiams trūkumas

Mobilieji XR įrenginiai turi žymiai mažiau apdorojimo galios nei staliniai kompiuteriai. Jei neoptimizuosite savo programos mobiliesiems, tai gali lemti prastą našumą ir varginančią vartotojo patirtį. Mobiliųjų XR rinka sparčiai plečiasi, o vartotojai tikisi sklandžios ir jautrios patirties net ir su žemesnės klasės įrenginiais.

Sprendimas: Profiluokite savo programą tiksliniuose mobiliuosiuose įrenginiuose. Sumažinkite 3D modelių poligonų skaičių. Naudokite žemesnės raiškos tekstūras. Optimizuokite šešėliavimo programas (angl. shaders) mobiliesiems GPU. Apsvarstykite galimybę naudoti technikas, tokias kaip detalumo lygis (LOD), kad sumažintumėte scenos sudėtingumą objektams tolstant. Testuokite su įvairiais įrenginiais, kad užtikrintumėte platų suderinamumą.

Praktinės optimizavimo technikos

Dabar panagrinėkime keletą praktinių technikų, skirtų atskaitos erdvės našumui optimizuoti WebXR:

Matricų talpykloje laikymas ir išankstinis apskaičiavimas

Jei turite transformacijų, kurios išlieka pastovios kelis kadrus, iš anksto apskaičiuokite gautą matricą ir išsaugokite ją talpykloje. Tai leidžia išvengti pasikartojančių skaičiavimų kadrų cikle.

Pavyzdys (JavaScript su Three.js):

let cachedMatrix = new THREE.Matrix4();
let needsUpdate = true;

function updateCachedMatrix() {
  if (needsUpdate) {
    // Apskaičiuoti matricą remiantis tam tikromis pastoviomis reikšmėmis
    cachedMatrix.makeRotationY(Math.PI / 4);
    cachedMatrix.setPosition(1, 2, 3);
    needsUpdate = false;
  }
}

function render() {
  updateCachedMatrix();
  // Naudoti talpykloje esančią matricą objektui transformuoti
  object.matrix.copy(cachedMatrix);
  object.matrixAutoUpdate = false; // Svarbu talpykloje laikomoms matricoms
  renderer.render(scene, camera);
}

Objektų telkimas (Object Pooling)

Objektų telkimas apima išankstinį objektų grupės priskyrimą, kurią galima pakartotinai naudoti, užuot kaskart kūrus naujus objektus kiekviename kadre. Tai sumažina šiukšlių surinkimo sąnaudas ir pagerina našumą.

Pavyzdys (JavaScript):

class Vector3Pool {
  constructor(size) {
    this.pool = [];
    this.poolSize = size;
    for (let i = 0; i < size; i++) {
      this.pool.push(new THREE.Vector3());
    }
    this.currentIndex = 0;
  }

  get() {
    if (this.currentIndex >= this.poolSize) {
      console.warn("Vector3Pool telkinys išnaudotas, apsvarstykite galimybę padidinti jo dydį");
      return new THREE.Vector3(); // Grąžinti naują, jei telkinys tuščias (kad išvengti strigimo)
    }
    return this.pool[this.currentIndex++];
  }

  reset() {
    this.currentIndex = 0;
  }
}

const vectorPool = new Vector3Pool(100); // Sukurti 100 Vector3 objektų telkinį

function updatePositions() {
  vectorPool.reset(); // Nustatyti telkinį iš naujo kiekvieno kadro pradžioje
  for (let i = 0; i < numberOfObjects; i++) {
    const position = vectorPool.get(); // Gauti Vector3 iš telkinio
    // ... naudoti poziciją ...
    object.position.copy(position);
  }
}

Erdvinis skaidymas

Scenose su dideliu objektų skaičiumi erdvinio skaidymo technikos, tokios kaip aštuonmedžiai (angl. octrees) arba apgaubiančių tūrių hierarchijos (BVH), gali žymiai pagerinti našumą, sumažindamos objektų, kuriuos reikia apdoroti kiekviename kadre, skaičių. Šios technikos padalija sceną į mažesnius regionus, leidžiančias programai greitai nustatyti objektus, kurie yra potencialiai matomi arba sąveikauja su vartotoju.

Pavyzdys: Įsivaizduokite, kad atvaizduojate mišką. Be erdvinio skaidymo, kiekvieno miško medžio matomumą reikėtų patikrinti, net jei dauguma jų yra toli ir paslėpti už kitų medžių. Aštuonmedis padalija mišką į mažesnius kubus. Reikia apdoroti tik tuos medžius, kurie yra potencialiai matomuose kubuose, o tai dramatiškai sumažina skaičiavimo apkrovą.

Detalumo lygis (LOD)

Detalumo lygis (LOD) apima skirtingų 3D modelio versijų su įvairiais detalumo lygiais naudojimą, priklausomai nuo atstumo iki kameros. Tolimi objektai gali būti atvaizduojami su mažesnio poligonų skaičiaus modeliais, taip sumažinant atvaizdavimo sąnaudas. Kai objektai priartėja, galima naudoti detalesnius modelius.

Pavyzdys: Pastatas virtualiame mieste gali būti atvaizduojamas su žemo poligonų skaičiaus modeliu, kai žiūrima iš toli. Kai vartotojas priartėja prie pastato, modelis gali būti pakeistas į aukštesnio poligonų skaičiaus versiją su daugiau detalių, pavyzdžiui, langais ir durimis.

Šešėliavimo programų (Shader) optimizavimas

Šešėliavimo programos (angl. shaders) yra programos, veikiančios GPU ir atsakingos už scenos atvaizdavimą. Šių programų optimizavimas gali žymiai pagerinti našumą. Štai keletas patarimų:

• Mažinkite šešėliavimo programų sudėtingumą: Supaprastinkite kodą ir venkite nereikalingų skaičiavimų.
• Naudokite efektyvius duomenų tipus: Naudokite mažiausius duomenų tipus, kurie atitinka jūsų poreikius. Pavyzdžiui, jei įmanoma, naudokite `float` vietoj `double`.
• Minimizuokite tekstūrų paieškas: Tekstūrų paieškos gali būti brangios. Sumažinkite tekstūrų paieškų skaičių vienam fragmentui.
• Naudokite išankstinį šešėliavimo programų kompiliavimą: Iš anksto sukompiliuokite šešėliavimo programas, kad išvengtumėte kompiliavimo vykdymo metu sąnaudų.

WebAssembly (Wasm)

WebAssembly yra žemo lygio dvejetainis formatas, leidžiantis vykdyti kodą naršyklėje beveik natūraliu greičiu. Naudojant WebAssembly intensyviems skaičiavimams, tokiems kaip fizikos simuliacijos ar sudėtingos transformacijos, galima žymiai pagerinti našumą. Kalbas, tokias kaip C++ ar Rust, galima sukompiliuoti į WebAssembly ir integruoti į jūsų WebXR programą.

Pavyzdys: Fizikos variklis, simuliuojantis šimtų objektų sąveiką, gali būti įgyvendintas WebAssembly, kad būtų pasiektas žymus našumo padidėjimas, palyginti su JavaScript.

Profiliavimas ir derinimas

Profiliavimas yra būtinas norint nustatyti našumo trūkumus jūsų WebXR programoje. Naudokite naršyklės kūrėjų įrankius, kad profiliuotumėte savo kodą ir nustatytumėte sritis, kurios sunaudoja daugiausiai CPU ar GPU laiko.

Įrankiai:

• Chrome DevTools: Suteikia galingus profiliavimo ir derinimo įrankius JavaScript ir WebGL.
• Firefox Developer Tools: Siūlo panašias funkcijas kaip ir Chrome DevTools.
• WebXR Emulator: Leidžia testuoti jūsų WebXR programą be fizinio XR įrenginio.

Derinimo patarimai:

• Naudokite console.time() ir console.timeEnd(): Išmatuokite konkrečių kodo blokų vykdymo laiką.
• Naudokite performance.now(): Gaukite didelės raiškos laiko žymes tiksliems našumo matavimams.
• Analizuokite kadrų dažnį: Stebėkite savo programos kadrų dažnį ir nustatykite bet kokius kritimus ar trūkčiojimus.

Atvejų analizės

Pažvelkime į keletą realių pavyzdžių, kaip šios optimizavimo technikos gali būti pritaikytos:

1 atvejo analizė: didelio masto AR programos optimizavimas mobiliesiems įrenginiams

Įmonė sukūrė papildytos realybės programą, kuri leido vartotojams tyrinėti virtualų muziejų savo mobiliuosiuose įrenginiuose. Iš pradžių programa pasižymėjo prastu našumu, ypač žemesnės klasės įrenginiuose. Įdiegę šias optimizacijas, jie sugebėjo žymiai pagerinti našumą:

• Sumažino 3D modelių poligonų skaičių.
• Naudojo žemesnės raiškos tekstūras.
• Optimizavo šešėliavimo programas mobiliesiems GPU.
• Įdiegė detalumo lygį (LOD).
• Naudojo objektų telkimą dažnai kuriamiems objektams.

Rezultatas buvo daug sklandesnė ir malonesnė vartotojo patirtis, net ir su mažiau galingais mobiliaisiais įrenginiais.

2 atvejo analizė: sudėtingos VR simuliacijos našumo gerinimas

Mokslininkų komanda sukūrė sudėtingo mokslinio reiškinio virtualios realybės simuliaciją. Simuliacija apėmė daugybę tarpusavyje sąveikaujančių dalelių. Pradinė implementacija JavaScript buvo per lėta, kad būtų pasiektas realaus laiko našumas. Perrašę pagrindinę simuliacijos logiką į WebAssembly, jie sugebėjo pasiekti žymų našumo padidėjimą:

• Perrašė fizikos variklį Rust kalba ir sukompiliavo jį į WebAssembly.
• Naudojo tipizuotus masyvus efektyviam dalelių duomenų saugojimui.
• Optimizavo susidūrimų aptikimo algoritmą.

Rezultatas buvo sklandžiai veikianti VR simuliacija, leidusi mokslininkams sąveikauti su duomenimis realiuoju laiku.

Išvados

Atskaitos erdvės našumo optimizavimas yra labai svarbus kuriant aukštos kokybės WebXR patirtis. Suprasdami skirtingus atskaitos erdvių tipus, įvaldę koordinačių sistemos apdorojimą ir taikydami šiame straipsnyje aptartas optimizavimo technikas, kūrėjai gali sukurti įtraukiančias ir patrauklias XR programas, kurios sklandžiai veikia įvairiuose įrenginiuose. Nepamirškite profiliuoti savo programos, nustatyti kliūčių ir nuolat tobulinti savo kodą, kad pasiektumėte optimalų našumą. WebXR vis dar vystosi, o nuolatinis mokymasis ir eksperimentavimas yra raktas į sėkmę. Priimkite iššūkį ir kurkite nuostabias XR patirtis, kurios formuos žiniatinklio ateitį.

WebXR ekosistemai bręstant, ir toliau atsiras naujų įrankių ir technikų. Sekite naujausius XR kūrimo pasiekimus ir dalinkitės savo žiniomis su bendruomene. Kartu galime sukurti gyvybingą ir našią WebXR ekosistemą, kuri suteiks vartotojams visame pasaulyje galimybę tyrinėti beribes virtualios ir papildytos realybės galimybes.

Sutelkdami dėmesį į efektyvias kodavimo praktikas, strateginį išteklių valdymą ir nuolatinį testavimą, kūrėjai gali užtikrinti, kad jų WebXR programos suteiks išskirtinę vartotojo patirtį, nepriklausomai nuo platformos ar įrenginio apribojimų. Svarbiausia yra laikyti našumo optimizavimą neatsiejama kūrimo proceso dalimi, o ne vėlesniu pataisymu. Kruopščiai planuodami ir vykdydami, galite sukurti WebXR patirtis, kurios praplečia žiniatinklio galimybių ribas.