WebXR Erdvės garso užtvara: realistiško garso užtvaros modeliavimas

Erdvinis garsas yra esminis elementas kuriant tikrai įtraukiančias virtualiosios ir papildytosios realybės (XR) patirtis. Tai leidžia vartotojams suvokti garsus kaip kylančius iš konkrečių vietų 3D aplinkoje, sustiprindamas jų buvimo ir realumo jausmą. Tačiau vien tik garso šaltinių pozicionavimas 3D erdvėje nėra pakankamas. Norint pasiekti tikrai patikimą klausos patirtį, būtina imituoti, kaip garsas sąveikauja su aplinka, ypač kaip objektai blokuoja arba slopina garso bangas – procesas, žinomas kaip uždengimas.

Kas yra erdvės garso užtvara?

Erdvės garso užtvara reiškia simuliaciją, kaip garso bangas blokuoja, sugeria arba difraguoja objektai virtualioje arba papildytoje realybės aplinkoje. Realus pasaulis, garsas nekeliauja tiesiomis linijomis. Jis lankstosi aplink kampus, yra prislopintas sienų ir atsispindi nuo paviršių. Uždengimo algoritmai bando pakartoti šiuos efektus, todėl klausos patirtis tampa realistiškesnė ir patikimesnė.

Be užtvaros garsai gali praeiti tiesiai per sienas ar objektus, o tai sugriauna buvimo fizinėje erdvėje iliuziją. Įsivaizduokite, kad girdite pokalbį, tarsi jis vyktų šalia jūsų, nors pranešėjai turėtų būti už storos betoninės sienos. Uždengimas sprendžia šią problemą, modifikuodamas garsą, atsižvelgiant į kliūtis tarp garso šaltinio ir klausytojo.

Kodėl užtvara yra svarbi WebXR?

WebXR užtvara atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį:

• Gilinant įtraukimą: Uždengimas sukuria patikimesnę ir įtraukianti patirtį, nes garsai virtualiame ar papildytame pasaulyje elgiasi realistiškai.
• Gerinant vartotojo buvimą: Kai garsai yra tiksliai nustatyti ir uždengti, vartotojai jaučia stipresnį buvimo jausmą – jausmą, kad jie iš tikrųjų yra virtualioje aplinkoje.
• Teikiant erdvinius signalus: Uždengimas gali suteikti esminius erdvinius signalus, padėdamas vartotojams suprasti aplinkos išdėstymą, medžiagas, iš kurių pagaminti objektai, ir garso šaltinių vietą jų atžvilgiu.
• Kuriant realistišką sąveiką: Kai vartotojai sąveikauja su objektais, užtvara gali prisidėti prie sąveikos realizmo. Pavyzdžiui, jei vartotojas paima metalinį daiktą ir numeta jį, garsas turėtų atspindėti objekto savybes ir paviršių, ant kurio jis nusileidžia, įskaitant bet kokius užtvaros efektus.

Erdvės garso užtvaros įgyvendinimo WebXR metodai

Erdvės garso užtvarai įgyvendinti WebXR programose galima naudoti kelis metodus. Šių metodų sudėtingumas ir skaičiavimo sąnaudos skiriasi, todėl labai svarbu pasirinkti metodą, kuris geriausiai atitiktų konkrečius jūsų projekto reikalavimus ir tikslinės techninės įrangos galimybes.

1. Raycasting pagrįsta užtvara

Aprašymas: Raycasting yra įprastas ir palyginti paprastas metodas, naudojamas užtvarai nustatyti. Jis apima spindulių metimą iš garso šaltinio link klausytojo padėties. Jei spindulys susikerta su objektu scenoje prieš pasiekdamas klausytoją, laikoma, kad garsas yra uždengtas.

Įgyvendinimas:

1. Kiekvienam garso šaltiniui mesti vieną ar daugiau spindulių link klausytojo galvos padėties.
2. Patikrinkite, ar kuris nors iš šių spindulių susikerta su objektais scenoje.
3. Jei spindulys susikerta su objektu, apskaičiuokite atstumą tarp garso šaltinio ir susikirtimo taško.
4. Atsižvelgiant į atstumą ir užtveriančio objekto medžiagos savybes, pritaikykite garso garsumo slopinimą ir (arba) filtrą.

Pavyzdys: WebXR žaidime, jei žaidėjas stovi už sienos, o kitas personažas kalba kitoje pusėje, spindulys nuo kalbančio personažo burnos iki žaidėjo ausies susikirstų su siena. Tada garsas būtų susilpnintas (nutilintas) ir potencialiai filtruojamas (pašalinant aukštas dažnius), kad būtų imituotas sienos dusinimo efektas.

Privalumai:

• Palyginti paprasta įgyvendinti.
• Gali būti naudojamas su bet kuria 3D scena.
• Gerai pagrindiniams užtvaros efektams.

Trūkumai:

• Gali būti skaičiavimo prasme brangus, jei kiekvienam garso šaltiniui metami daug spindulių.
• Netiksliai imituoja difrakciją (garsas, lankstantis aplink kampus).
• Norint pasiekti realistiškus rezultatus, gali prireikti tikslaus slopinimo ir filtravimo parametrų derinimo.

2. Atstumu pagrįsta užtvara

Aprašymas: Tai paprasčiausia užtvaros forma ir remiasi tik atstumu tarp garso šaltinio ir klausytojo bei iš anksto apibrėžtu maksimaliu girdimu atstumu. Ji aiškiai neatsižvelgia į objektus scenoje.

Įgyvendinimas:

1. Apskaičiuokite atstumą tarp garso šaltinio ir klausytojo.
2. Jei atstumas viršija tam tikrą ribą, sumažinkite garso garsumą. Kuo didesnis atstumas, tuo tylesnis garsas.
3. Pasirinktinai pritaikykite žemo dažnio filtrą, kad imituotumėte aukštų dažnių praradimą per atstumą.

Pavyzdys: Tolimas automobilis, važiuojantis judria gatve. Automobiliui tolstant, jo garsas palaipsniui blėsta ir galiausiai tampa negirdimas.

Privalumai:

• Labai lengva įgyvendinti.
• Mažos skaičiavimo sąnaudos.

Trūkumai:

• Nėra labai realistiška, nes neatsižvelgiama į objektus, blokuojančius garsą.
• Tinka tik labai paprastoms scenoms arba kaip pagrindinis atspirties taškas.

3. Geometrija pagrįsta užtvara

Aprašymas: Šis metodas naudoja informaciją apie scenos geometriją užtvarai nustatyti. Tai gali apimti sudėtingesnius skaičiavimus nei spindulių metimas, pvz., objektų paviršiaus normaliųjų analizė, siekiant nustatyti, kaip garso bangos atsispindi ar difrakcija.

Įgyvendinimas: Geometrija pagrįstos užtvaros įgyvendinimas gali būti sudėtingas ir dažnai apima specializuotų garso variklių ar bibliotekų naudojimą. Apskritai, tai apima:

1. 3D scenos analizavimas, siekiant nustatyti galimus užtvarus.
2. Trumpiausio kelio tarp garso šaltinio ir klausytojo apskaičiavimas, atsižvelgiant į atspindžius ir difrakciją.
3. Medžiagų ir paviršių savybių išilgai garso kelio nustatymas.
4. Tinkamo slopinimo, filtravimo ir rezonanso efektų taikymas, atsižvelgiant į garso kelią ir paviršiaus savybes.

Pavyzdys: Muzikos instrumento garso modeliavimas koncertų salėje. Salės geometrija (sienos, lubos, grindys) turi didelę įtaką garsui, sukurdama atspindžius ir rezonansus, kurie prisideda prie bendro akustinio patyrimo. Geometrija pagrįsta užtvara gali tiksliai modeliuoti šiuos efektus.

Privalumai:

• Gali pasiekti labai realistiškus užtvaros efektus.
• Atsižvelgiama į atspindžius, difrakcijas ir rezonansą.

Trūkumai:

• Skaičiavimo prasme brangus.
• Reikalingas detalus 3D aplinkos modelis.
• Sudėtinga įgyvendinti.

4. Esamų garso variklių ir bibliotekų naudojimas

Aprašymas: Keli garso varikliai ir bibliotekos teikia įtaisytą erdvės garso ir užtvaros palaikymą. Šie sprendimai dažnai siūlo iš anksto sukurtus algoritmus ir įrankius, kurie supaprastina realistiškų garso peizažų įgyvendinimo WebXR programose procesą.

Pavyzdžiai:

• Web Audio API: Nors ir nėra specialus žaidimų variklis, Web Audio API suteikia galingas garso apdorojimo galimybes naršyklėje, įskaitant spatializaciją ir pagrindinį filtravimą. Jis gali būti naudojamas kaip pagrindas kuriant pasirinktinius užtvaros algoritmus. Pavyzdžiui, galite sukurti pasirinktinius filtrus, kurie slopina garsą pagal raycast rezultatus.
• Three.js su PositionalAudio: „Three.js“, populiari „JavaScript“ 3D biblioteka, apima objektą PositionalAudio, kuris leidžia pozicionuoti garso šaltinius 3D erdvėje. Nors joje nėra įmontuotos užtvaros, galite ją sujungti su raycastingu ar kitais užtvaros metodais, kad sukurtumėte realistiškesnį garso patyrimą.
• Unity su WebGL ir WebXR eksportu: „Unity“ yra galingas žaidimų variklis, palaikantis WebGL eksportą, leidžiantis kurti sudėtingas 3D scenas ir garso patirtis, kurios gali būti paleistos interneto naršyklėje. „Unity“ garso variklis turi pažangias erdvės garso funkcijas, įskaitant užtvarą ir kliūtis.
• Babylon.js: Kitas patikimas „JavaScript“ karkasas, siūlantis pilną scenos grafiko valdymą ir pažangias funkcijas, įskaitant „WebXR“ palaikymą. Jame yra galingas garso variklis, kuris gali būti naudojamas erdviniam garsui ir užtvarai.

Privalumai:

• Supaprastina kūrimo procesą.
• Teikia iš anksto sukurtas funkcijas ir įrankius.
• Dažnai optimizuota veikimui.

Trūkumai:

• Gali turėti apribojimų pritaikymo prasme.
• Gali įvesti priklausomybę nuo išorinių bibliotekų.
• Gali prireikti mokymosi kreivės, kad būtų galima efektyviai naudoti.

Veikimo optimizavimas WebXR užtvarai

Erdvės garso užtvaros įgyvendinimas gali būti skaičiavimo prasme brangus, ypač sudėtingose ​​scenose su daugybe garso šaltinių ir užtveriančių objektų. Labai svarbu optimizuoti našumą, kad būtų užtikrintas sklandus ir reaguojantis WebXR patyrimas.

Optimizavimo būdai:

• Sumažinkite Raycastų skaičių: Jei naudojate spindulių metimą, apsvarstykite galimybę sumažinti spindulių, numestų vienam garso šaltiniui, skaičių. Eksperimentuokite su skirtingais spindulių metimo modeliais, kad rastumėte pusiausvyrą tarp tikslumo ir našumo. Užuot metę spindulius kiekviename kadre, apsvarstykite galimybę juos mesti rečiau arba tik tada, kai klausytojas arba garso šaltinis juda žymiai.
• Optimizuokite susidūrimų aptikimą: Įsitikinkite, kad jūsų susidūrimų aptikimo algoritmai yra optimizuoti veikimui. Naudokite erdvės skaidymo metodus, pvz., octrees arba bounding volume hierarchies (BVH), kad paspartintumėte susikirtimo testus.
• Užtvarai naudokite supaprastintą geometriją: Vietoj to, kad naudotumėte viso didelio formato 3D modelius užtvaros skaičiavimams, apsvarstykite galimybę naudoti supaprastintas versijas su mažiau daugiakampių. Tai gali žymiai sumažinti skaičiavimo sąnaudas.
• Užtvaros rezultatus talpykite: Jei scena yra santykinai statiška, apsvarstykite galimybę talpyti užtvaros skaičiavimų rezultatus. Tai gali išvengti perteklinių skaičiavimų ir pagerinti našumą.
• Naudokite garso detalumo lygį (LOD): Kaip ir vizualiniame LOD, galite naudoti skirtingus garso apdorojimo detalumo lygius, atsižvelgdami į atstumą iki klausytojo. Pavyzdžiui, galite naudoti paprastesnį užtvaros algoritmą tolimesniems garso šaltiniams.
• Perkelkite garso apdorojimą į Web Worker: Perkelkite garso apdorojimo logiką į atskirą Web Worker giją, kad išvengtumėte pagrindinės gijos blokavimo ir išlaikytumėte sklandų kadrų dažnį.
• Profiliuokite ir optimizuokite: Naudokite naršyklės kūrėjo įrankius, kad profiliuotumėte savo WebXR programą ir nustatytumėte našumo kliūtis, susijusias su garso apdorojimu. Atitinkamai optimizuokite kodą.

Kodo pavyzdys (Raycasting su Three.js)

Šiame pavyzdyje parodytas pagrindinis raycasting pagrįstos užtvaros įgyvendinimas naudojant Three.js. Jis slopina garso garsumą, atsižvelgiant į tai, ar spindulys iš garso šaltinio į klausytoją susikerta su objektu.

Pastaba: Tai yra supaprastintas pavyzdys ir gali prireikti tolesnio patobulinimo gamybos aplinkoje.

```javascript // Daroma prielaida, kad turite Three.js sceną, garso šaltinį (audio) ir klausytoją (camera) function updateOcclusion(audio, listener, scene) { const origin = audio.position; // Garso šaltinio padėtis const direction = new THREE.Vector3(); direction.subVectors(listener.position, origin).normalize(); const raycaster = new THREE.Raycaster(origin, direction); const intersects = raycaster.intersectObjects(scene.children, true); // Patikrinkite visus objektus, įskaitant vaikus let occlusionFactor = 1.0; // Pagal nutylėjimą nėra užtvaros if (intersects.length > 0) { // Spindulys kažką pataikė! Tarkime, kad pirmas susikirtimas yra reikšmingiausias. const intersectionDistance = intersects[0].distance; const sourceToListenerDistance = origin.distanceTo(listener.position); // Jei susikirtimas yra arčiau nei klausytojas, yra užtvara if (intersectionDistance < sourceToListenerDistance) { // Pritaikykite slopinimą pagal atstumą. Pakoreguokite šias reikšmes! occlusionFactor = Math.max(0, 1 - (intersectionDistance / sourceToListenerDistance)); //Apriboti tarp 0 ir 1 } } // Pritaikykite užtvaros faktorių garso garsumui audio.setVolume(occlusionFactor); // Reikalingas audio.setVolume() metodas Three.js } // Šią funkciją iškvieskite savo animacijos cikle function animate() { requestAnimationFrame(animate); updateOcclusion(myAudioSource, camera, scene); // Pakeiskite myAudioSource ir camera renderer.render(scene, camera); } animate(); ```

Paaiškinimas:

1. Funkcija `updateOcclusion` gauna garso šaltinį, klausytoją (paprastai kamerą) ir sceną kaip įvestį.
2. Ji apskaičiuoja krypties vektorių nuo garso šaltinio iki klausytojo.
3. Sukurtas `Raycaster`, kad spindulys būtų metamas iš garso šaltinio klausytojo kryptimi.
4. Metodas `intersectObjects` tikrina spindulio ir scenos objektų susikirtimus. Argumentas `true` daro jį rekursyvų, kad būtų galima patikrinti visus scenos vaikus.
5. Jei randamas susikirtimas, atstumas iki susikirtimo taško lyginamas su atstumu tarp garso šaltinio ir klausytojo.
6. Jei susikirtimo taškas yra arčiau nei klausytojas, tai reiškia, kad objektas uždengia garsą.
7. Apskaičiuojamas `occlusionFactor`, atsižvelgiant į atstumą iki susikirtimo. Šis faktorius naudojamas garso garsumui slopinti.
8. Galiausiai, iškviečiamas garso šaltinio metodas `setVolume`, kad būtų pakoreguotas garsas pagal užtvaros faktorių.

Geriausia praktika erdvės garso užtvarai

• Prioritetas vartotojo patirtis: Pagrindinis erdvės garso ir užtvaros tikslas yra pagerinti vartotojo patirtį. Visada teikite pirmenybę kokybei ir realizmui, o ne techniniam sudėtingumui.
• Išsamiai išbandykite: Kruopščiai išbandykite savo užtvaros įgyvendinimą skirtinguose įrenginiuose ir platformose, kad užtikrintumėte nuoseklų veikimą ir garso kokybę.
• Atsižvelkite į tikslinę auditoriją: Kurdami savo garso patirtį, atsižvelkite į tikslinės auditorijos poreikius ir pageidavimus.
• Naudokite atitinkamą garso turtą: Pasirinkite aukštos kokybės garso turtą, kuris yra tinkamas virtualiai arba papildytai aplinkai.
• Atkreipkite dėmesį į detales: Net ir mažos detalės, pvz., užtveriančių objektų medžiagos savybės, gali turėti didelį poveikį garso patirties realizmui.
• Pusiausvyra realizmas ir našumas: Siekite pusiausvyros tarp realizmo ir našumo. Neaukokite našumo, kad pasiektumėte tobulą garso tikslumą.
• Kartokite ir tobulinkite: Erdvinio garso dizainas yra pasikartojantis procesas. Eksperimentuokite su skirtingais metodais ir parametrais, kad rastumėte optimalų sprendimą savo WebXR programai.

WebXR erdvės garso užtvaros ateitis

Erdvinio garso ir užtvaros sritis nuolat tobulėja. Tobulėjant WebXR technologijoms, galime tikėtis, kad atsiras sudėtingesnių ir skaičiavimo prasme efektyvių metodų, skirtų realistiškiems garso peizažams imituoti. Būsimi pokyčiai gali apimti:

• AI valdoma užtvara: Mašininio mokymosi algoritmai galėtų būti naudojami norint išmokti, kaip garsas sąveikauja su skirtingomis aplinkomis, ir automatiškai generuoti realius užtvaros efektus.
• Realaus laiko akustinis modeliavimas: Pažangūs akustinio modeliavimo metodai galėtų būti naudojami garso bangų sklidimui modeliuoti realiuoju laiku, atsižvelgiant į sudėtingus aplinkos veiksnius, tokius kaip oro tankis ir temperatūra.
• Individualizuota garso patirtis: Erdvės garsas galėtų būti pritaikytas individualiems vartotojams, atsižvelgiant į jų klausos profilius ir pageidavimus.
• Integracija su aplinkos jutikliais: WebXR programos galėtų integruotis su aplinkos jutikliais, kad būtų galima rinkti duomenis apie realaus pasaulio aplinką ir naudoti ją realistiškesnei garso patirčiai papildytoje realybėje. Pavyzdžiui, mikrofonai galėtų būti naudojami aplinkos garsams užfiksuoti ir įtraukti juos į virtualų garso peizažą.

Išvada

Erdvės garso užtvara yra esminis komponentas kuriant įtraukiančias ir realistiškas WebXR patirtis. Simuliuodami, kaip garsas sąveikauja su aplinka, kūrėjai gali pagerinti vartotojo buvimą, pateikti erdvinius signalus ir sukurti patikimesnį klausos pasaulį. Nors užtvaros įgyvendinimas gali būti sudėtingas, ypač nuo našumo priklausomose WebXR programose, šiame vadove aprašyti metodai ir geriausia praktika gali padėti sukurti tikrai kerinčias garso patirtis.

Tobulėjant WebXR technologijai, galime tikėtis, kad atsiras dar sudėtingesnių ir prieinamesnių įrankių erdvės garso aplinkai kurti. Pasinaudodami šiais patobulinimais, kūrėjai gali išlaisvinti visą WebXR potencialą ir sukurti patirtis, kurios yra vizualiai ir girdimai stulbinančios.

Nepamirškite atsižvelgti į konkrečius savo projekto reikalavimus ir tikslinės aparatinės įrangos galimybes pasirinkdami užtvaros metodą. Eksperimentuokite su skirtingais metodais, profiliuokite savo kodą ir kartokite savo dizainą, kad pasiektumėte geriausius įmanomus rezultatus. Kruopščiai planuodami ir įgyvendindami galite sukurti WebXR programas, kurios skamba taip pat gerai, kaip atrodo.