WebXR Hit Test Optimizavimo Variklis: Spindulių Metimo Patobulinimas

WebXR keičia mūsų sąveiką su internetu, įgalindamas įtraukią patirtį tiesiai naršyklėje. Pagrindinis daugelio WebXR programų, ypač tų, kurios apima papildytą realybę (AR), komponentas yra hit testas. Hit testas nustato, ar spindulys, paprastai atsirandantis iš vartotojo žvilgsnio arba valdiklio, kerta realaus pasaulio paviršių. Ši sąveika yra kritinė virtualių objektų vietai nustatyti, sąveikauti su skaitmeniniu turiniu, uždėtu ant fizinio pasaulio, ir suaktyvinti įvykius pagal vartotojo sąveiką. Tačiau hit testai gali būti skaičiavimo prasme brangūs, ypač sudėtingoje aplinkoje arba atliekami dažnai. Todėl hit testo proceso optimizavimas yra itin svarbus norint užtikrinti sklandų ir reaguojantį vartotojo patyrimą. Šis straipsnis gilinasi į spindulių metimo patobulinimo metodų WebXR hit testo optimizavimui sudėtingumą, pateikdamas įgyvendinamas strategijas, skirtas pagerinti jūsų WebXR programų našumą.

WebXR Hit Testų Supratimas

Prieš gilindamiesi į optimizavimo strategijas, būtina suprasti, kaip veikia WebXR hit testai. WebXR Device API pateikia metodus hit testams atlikti realaus pasaulio atžvilgiu. Šie metodai iš esmės meta spindulį iš vartotojo požiūrio taško (arba valdiklio padėties ir orientacijos) į sceną ir nustato, ar jis kerta kokias nors aptiktas plokštumas ar funkcijas. Šis susikirtimo taškas, jei jis randamas, pateikia informaciją apie paviršiaus vietą ir orientaciją, leidžiančią kūrėjams įdėti virtualius objektus arba inicijuoti sąveikas tame taške.

Pagrindiniai metodai, naudojami hit testavimui, yra:

• XRFrame.getHitTestResults(XRHitTestSource): Gauna hit testo rezultatus, grąžindamas XRHitTestResult objektų masyvą. Kiekvienas XRHitTestResult atspindi susikirtimo tašką.
• XRHitTestSource: Sąsaja, naudojama hit testų šaltiniams kurti ir valdyti, nurodanti spindulio kilmę ir kryptį.

Šių hit testų našumas gali būti reikšmingai paveiktas kelių veiksnių, įskaitant:

• Scenos sudėtingumas: Sudėtingesnės scenos su didesniu poligonų skaičiumi reikalauja daugiau apdorojimo galios, kad būtų nustatyti spindulių susikirtimai.
• Hit testų dažnumas: Hit testų atlikimas kiekviename kadre gali apkrauti įrenginio išteklius, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose.
• Funkcijų aptikimo tikslumas: Netikslus arba neišsamus funkcijų aptikimas gali sukelti neteisingus hit testo rezultatus ir švaistomą apdorojimo laiką.

Spindulių Metimo Optimizavimo Technikos

Spindulių metimo optimizavimas apima skaičiavimo sąnaudų, susijusių su spindulių susikirtimų nustatymu, mažinimą. Tam pasiekti galima naudoti kelias technikas:

1. Ribojančio Tūrio Hierarchijos (BVH)

Ribojančio Tūrio Hierarchija (BVH) yra medžio tipo duomenų struktūra, kuri organizuoja scenos geometriją į ribojančių tūrių hierarchiją. Šie ribojantys tūriai paprastai yra paprastos formos, tokios kaip dėžės ar sferos, apgaubiančios trikampių grupes. Atliekant spindulių metimą, algoritmas pirmiausia tikrina susikirtimus su ribojančiais tūriais. Jei spindulys nekerta ribojančio tūrio, visą pomedį, esantį tame tūryje, galima praleisti, o tai žymiai sumažina trikampio ir spindulio susikirtimo testų skaičių.

Pavyzdys: Įsivaizduokite, kad AR pagalba patalpoje dedate kelis virtualius baldus. BVH galėtų suskirstyti šiuos elementus į grupes pagal jų artumą. Kai vartotojas baksteli ant grindų, norėdamas padėti naują objektą, spindulio metimas pirmiausia patikrintų, ar jis kerta ribojantį tūrį, apimantį visus baldus. Jei ne, spindulių metimas gali greitai praleisti patikrinimą, ar nėra susikirtimų su atskirais baldais, kurie yra tolėliau.

BVH įgyvendinimas paprastai apima šiuos veiksmus:

1. Sukurkite BVH: Rekursyviai suskirstykite scenos geometriją į mažesnes grupes, sukurdami ribojančius tūrius kiekvienai grupei.
2. Peržiūrėkite BVH: Pradėkite nuo šaknies, peržiūrėkite BVH, tikrindami spindulio ir ribojančio tūrio susikirtimus.
3. Testiniai trikampiai: Testuokite tik trikampius ribojančiuose tūriuose, kurie kerta spindulį.

Bibliotekos, tokios kaip three-mesh-bvh, skirtos Three.js ir panašios bibliotekos kitiems WebGL rėmams, pateikia iš anksto sukurtus BVH įgyvendinimus, supaprastinančius procesą.

2. Erdvės Skirstymas

Erdvės skirstymo technikos padalija sceną į diskrečius regionus, pvz., oktree arba KD-medžius. Šios technikos leidžia greitai nustatyti, kurie scenos regionai greičiausiai bus kertami spindulio, sumažinant objektų, kuriuos reikia patikrinti dėl susikirtimo, skaičių.

Pavyzdys: Apsvarstykite AR programą, kuri leidžia vartotojams apžiūrėti virtualų muziejaus eksponatą, uždėtą ant jų fizinės aplinkos. Erdvės skirstymo metodas galėtų padalyti ekspozicijos erdvę į mažesnius langelius. Kai vartotojas pajudina savo įrenginį, programai reikia tik patikrinti spindulių susikirtimus su objektais, esančiais langeliuose, kurie šiuo metu yra vartotojo matymo lauke.

Įprastos erdvės skirstymo technikos apima:

• Octrees: Rekursyviai padalija erdvę į aštuonis oktantus.
• KD-medžiai: Rekursyviai padalija erdvę išilgai skirtingų ašių.
• Tinkleliu pagrįstas skirstymas: Padalija erdvę į vienodą langelių tinklelį.

Erdvės skirstymo technikos pasirinkimas priklauso nuo specifinių scenos charakteristikų. Octrees gerai tinka scenoms su nevienodu objektų paskirstymu, o KD-medžiai gali būti efektyvesni scenoms su santykinai vienodu objektų paskirstymu. Tinkleliu pagrįstą skirstymą lengva įgyvendinti, bet jis gali būti ne toks efektyvus scenoms su labai skirtingu objektų tankiu.

3. Stambus-į-smulkų Susikirtimo Testavimas

Ši technika apima kelių susikirtimo testų atlikimą su didėjančiu detalumo lygiu. Pradiniai testai atliekami su supaprastintais objektų atvaizdais, pvz., ribojančiais sferomis ar dėžėmis. Jei spindulys nekerta supaprastinto atvaizdo, objektas gali būti atmestas. Tik jei spindulys kerta supaprastintą atvaizdą, atliekamas išsamesnis susikirtimo testas su tikrąja objekto geometrija.

Pavyzdys: Dedant virtualų augalą į AR sodą, pradinis hit testas galėtų naudoti paprastą ribojančią dėžę aplink augalo modelį. Jei spindulys kerta ribojančią dėžę, tada galima atlikti tikslesnį hit testą, naudojant tikrąją augalo lapų ir stiebo geometriją. Jei spindulys nekerta ribojančios dėžės, sudėtingesnis hit testas praleidžiamas, taip taupant vertingą apdorojimo laiką.

Pagrindinis stambaus-į-smulkų susikirtimo testavimo elementas yra pasirinkti atitinkamus supaprastintus atvaizdus, kuriuos greitai galima patikrinti ir efektyviai atmesti objektus, kurie greičiausiai nesusikirs.

4. Frustum Culling

Frustum culling yra technika, naudojama atmetant objektus, kurie yra už fotoaparato matymo lauko (frustum). Prieš atliekant hit testus, objektai, kurių vartotojas nemato, gali būti pašalinti iš skaičiavimų, sumažinant bendrą skaičiavimo krūvį.

Pavyzdys: WebXR programoje, kuri imituoja virtualų saloną, frustum culling gali būti naudojamas baldams ir kitiems objektams, kurie šiuo metu yra už vartotojo arba už jo matymo lauko, atmesti. Tai žymiai sumažina objektų, į kuriuos reikia atsižvelgti atliekant hit testus, skaičių, pagerindama našumą.

Frustum culling įgyvendinimas apima šiuos veiksmus:

1. Apibrėžkite frustum: Apskaičiuokite plokštumas, kurios apibrėžia fotoaparato matymo lauką.
2. Testiniai objektų ribojimai: Nustatykite, ar kiekvieno objekto ribojantis tūris yra frustume.
3. Atmeskite objektus: Išskirkite objektus, kurie yra už frustumo, iš hit testo skaičiavimų.

5. Laikinis Nuoseklumas

Laikinis nuoseklumas išnaudoja tai, kad vartotojo ir scenos objektų padėtis ir orientacija paprastai keičiasi palaipsniui laikui bėgant. Tai reiškia, kad hit testų rezultatai iš ankstesnių kadrų dažnai gali būti naudojami norint numatyti hit testų rezultatus dabartiniame kadre. Pasinaudojus laikiniu nuoseklumu, galima sumažinti pilnų hit testų atlikimo dažnumą.

Pavyzdys: Jei vartotojas AR pagalba padeda virtualų žymeklį ant stalo ir vartotojas šiek tiek juda, labai tikėtina, kad žymeklis vis dar yra ant stalo. Užuot atlikus pilną hit testą, norint tai patvirtinti, galite ekstrapoliuoti žymeklio padėtį pagal vartotojo judėjimą ir atlikti pilną hit testą tik tuo atveju, jei vartotojo judėjimas yra reikšmingas arba jei atrodo, kad žymeklis pajudėjo nuo stalo.

Technikos, leidžiančios pasinaudoti laikiniu nuoseklumu, apima:

• Hit testų rezultatų talpinimas: Išsaugokite hit testų rezultatus iš ankstesnių kadrų ir pakartotinai juos naudokite, jei vartotojo padėtis ir orientacija nepasikeitė žymiai.
• Objektų padėties ekstrapoliavimas: Numatyti objektų padėtis pagal jų ankstesnes padėtis ir greitį.
• Judėjimo prognozės naudojimas: Naudokite judėjimo prognozavimo algoritmus, kad numatytumėte vartotojo judesius ir atitinkamai pakoreguotumėte hit testo parametrus.

6. Adaptyvus Hit Test Dažnis

Užuot atlikę hit testus fiksuotu dažniu, galite dinamiškai reguliuoti dažnį pagal vartotojo veiklą ir programos našumą. Kai vartotojas aktyviai sąveikauja su scena arba kai programa veikia sklandžiai, hit testo dažnį galima padidinti, kad būtų pateiktas jautresnis atsiliepimas. Ir atvirkščiai, kai vartotojas yra neveiklus arba kai programai kyla problemų dėl našumo, hit testo dažnį galima sumažinti, kad būtų taupomi ištekliai.

Pavyzdys: WebXR žaidime, kuriame vartotojas šaudo virtualius sviedinius, hit testo dažnį galima padidinti, kai vartotojas taikosi ir šaudo, ir sumažinti, kai vartotojas tiesiog naršo aplinką.

Veiksniai, į kuriuos reikia atsižvelgti reguliuojant hit testo dažnį, yra šie:

• Vartotojo veikla: Padidinkite dažnį, kai vartotojas aktyviai sąveikauja su scena.
• Programos našumas: Sumažinkite dažnį, kai programai kyla problemų dėl našumo.
• Įrenginio galimybės: Sureguliuokite dažnį pagal vartotojo įrenginio galimybes.

7. Spindulių Metimo Algoritmų Optimizavimas

Pagrindiniai spindulių metimo algoritmai patys gali būti optimizuoti našumui. Tai gali apimti SIMD (Single Instruction, Multiple Data) instrukcijų naudojimą, kad būtų galima vienu metu apdoroti kelis spindulius, arba efektyvesnių susikirtimo testavimo algoritmų naudojimą.

Pavyzdys: Optimizuotų spindulių-trikampių susikirtimo algoritmų, tokių kaip Möller–Trumbore algoritmas, kuris yra plačiai žinomas dėl savo greičio ir efektyvumo, naudojimas gali užtikrinti reikšmingą našumo padidėjimą. SIMD instrukcijos leidžia lygiagrečiai apdoroti vektorines operacijas, kurios yra įprastos spindulių metime, dar labiau paspartinant procesą.

8. Profiliavimas ir Stebėjimas

Labai svarbu profiliuoti ir stebėti savo WebXR programos našumą, kad būtų galima nustatyti kliūtis ir optimizavimo sritis. Naudokite naršyklės kūrėjo įrankius arba specializuotus profiliavimo įrankius, kad išmatuotumėte laiką, praleistą atliekant hit testus ir kitas našumui svarbias operacijas. Šie duomenys gali padėti nustatyti didžiausią įtaką turinčias sritis, į kurias reikia sutelkti savo optimizavimo pastangas.

Pavyzdys: Chrome DevTools Performance skirtukas gali būti naudojamas WebXR seanso įrašymui. Tada laiko juostos rodinį galima analizuoti norint nustatyti didelio CPU naudojimo laikotarpius, susijusius su hit testavimu. Tai leidžia tikslingai optimizuoti konkrečias kodo dalis, sukeliančias našumo kliūtis.

Pagrindiniai stebimi metrikos yra:

• Kadrų dažnis: Išmatuokite per sekundę atvaizduojamų kadrų skaičių.
• Hit testo trukmė: Išmatuokite laiką, praleistą atliekant hit testus.
• CPU naudojimas: Stebėkite programos CPU naudojimą.
• Atminties naudojimas: Stebėkite programos atminties suvartojimą.

Kodo Pavyzdžiai

Žemiau pateikiamas supaprastintas kodo pavyzdys, naudojant Three.js, iliustruojantis pagrindinį spindulių metimą:

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 );

Šis pavyzdys nustato raycaster, kuris atnaujinamas pagal pelės judėjimą ir kerta visus scenos objektus. Nors tai paprasta, tai greitai gali tapti našumu intensyvu. BVH struktūros su `three-mesh-bvh` įgyvendinimas ir objektų, kuriuos reikia išbandyti, skaičiaus apribojimas parodytas žemiau:

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 );

Šis pavyzdys rodo, kaip integruoti BVH su spindulių metimu naudojant three-mesh-bvh. Jis sukuria BVH medį mesh geometrijai ir tada naudoja `bvh.raycast` greitesniems susikirtimų patikrinimams. Tai leidžia išvengti papildomų išlaidų tikrinant spindulį su kiekvienu trikampiu scenoje.

Geriausia WebXR Hit Test Optimizavimo Praktika

Štai geriausios WebXR hit testų optimizavimo praktikos santrauka:

• Naudokite ribojančio tūrio hierarchiją (BVH) arba kitą erdvės skirstymo techniką.
• Įgyvendinkite stambų-į-smulkų susikirtimo testavimą.
• Naudokite frustum culling norėdami atmesti objektus už ekrano ribų.
• Pasinaudokite laikiniu nuoseklumu, kad sumažintumėte hit testo dažnį.
• Priderinkite hit testo dažnį pagal vartotojo veiklą ir programos našumą.
• Optimizuokite spindulių metimo algoritmus, naudodami tokias technikas kaip SIMD.
• Profiluokite ir stebėkite savo programą, kad nustatytumėte kliūtis.
• Apsvarstykite galimybę naudoti asinchroninius hit testus, jei reikia, kad išvengtumėte pagrindinio gijos blokavimo.
• Sumažinkite objektų skaičių scenoje arba supaprastinkite jų geometriją.
• Naudokite optimizuotas WebGL atvaizdavimo technikas, kad pagerintumėte bendrą našumą.

Globalūs Apsvarstymai dėl WebXR Kūrimo

Kurdami WebXR programas pasaulinei auditorijai, svarbu atsižvelgti į šiuos dalykus:

• Įrenginių įvairovė: WebXR programos turėtų būti sukurtos taip, kad sklandžiai veiktų įvairiuose įrenginiuose, nuo aukščiausios klasės kompiuterių iki žemos klasės mobiliųjų telefonų. Tai gali apimti adaptyvaus atvaizdavimo technikų naudojimą arba skirtingo detalumo lygio pateikimą, atsižvelgiant į įrenginio galimybes.
• Tinklo ryšys: Kai kuriuose regionuose tinklo ryšys gali būti ribotas arba nepatikimas. WebXR programos turėtų būti sukurtos taip, kad atlaikytų tinklo sutrikimus ir sumažintų duomenų, kuriuos reikia perduoti per tinklą, kiekį.
• Lokalizacija: WebXR programos turėtų būti lokalizuotos skirtingoms kalboms ir kultūroms. Tai apima teksto vertimą, UI elementų pritaikymą ir atitinkamų kultūrinių nuorodų naudojimą.
• Prieinamumas: WebXR programos turėtų būti prieinamos vartotojams su negalia. Tai gali apimti alternatyvių įvesties metodų, pvz., balso valdymo ar akių sekimo, teikimą ir užtikrinimą, kad programa būtų suderinama su pagalbinėmis technologijomis.
• Duomenų privatumas: Atsižvelkite į duomenų privatumo reglamentus skirtingose šalyse ir regionuose. Gaukite vartotojo sutikimą prieš rinkdami ar saugodami bet kokius asmens duomenis.

Pavyzdys: AR programa, kurioje rodomi istoriniai paminklai, turėtų atsižvelgti į įrenginių įvairovę, siūlydama mažesnės raiškos tekstūras ir supaprastintus 3D modelius žemos klasės mobiliuosiuose įrenginiuose, kad išlaikytų sklandų kadrų dažnį. Ji taip pat turėtų būti lokalizuota, kad palaikytų skirtingas kalbas, rodydama paminklų aprašymus vartotojo pageidaujama kalba ir prireikus pritaikydama vartotojo sąsają dešinėn į kairę kalboms.

Išvada

WebXR hit testų optimizavimas yra labai svarbus norint užtikrinti sklandų, reaguojantį ir malonų vartotojo patyrimą. Suprasdami pagrindinius spindulių metimo principus ir įgyvendindami šiame straipsnyje aprašytas technikas, galite žymiai pagerinti savo WebXR programų našumą ir sukurti įtraukią patirtį, kuri būtų prieinama platesnei auditorijai. Nepamirškite profiliuoti savo programą, stebėti jos našumą ir pritaikyti savo optimizavimo strategijas konkrečioms savo scenos ir tiksliniams įrenginiams. WebXR ekosistemai toliau vystantis, atsiras naujų ir novatoriškų optimizavimo technikų. Būti informuotiems apie naujausius laimėjimus ir geriausią praktiką bus būtina kuriant didelio našumo WebXR programas, kurios peržengia įtraukiančios žiniatinklio patirties ribas.