WebXR „Hit Test“ našumas: spindulių sekimo optimizavimas įtraukiančioms patirtims

WebXR keičia mūsų sąveikos su internetu būdus, leidžiant patirti įtraukiančią papildytąją (AR) ir virtualiąją (VR) realybę tiesiogiai naršyklėje. Svarbi daugelio WebXR programų sudedamoji dalis yra galimybė nustatyti, kur vartotojas žiūri ar rodo, ir ar tas spindulys susikerta su virtualiu objektu. Šis procesas vadinamas atitikties testavimu (angl. hit testing) ir jis labai priklauso nuo spindulių sekimo (angl. ray casting). Spindulių sekimo optimizavimas yra būtinas norint sukurti našias ir malonias įtraukiančias patirtis. Vėluojanti ar nereaguojanti AR/VR programa gali greitai sukelti vartotojo nusivylimą ir norą ją išjungti. Šiame straipsnyje gilinamasi į WebXR atitikties testavimo subtilybes ir pateikiamos praktinės spindulių sekimo optimizavimo strategijos, siekiant užtikrinti sklandžią ir jautrią vartotojo sąveiką.

Kas yra WebXR atitikties testavimas?

WebXR atitikties testavimas leidžia jūsų AR/VR programai nustatyti susikirtimo tašką tarp spindulio, sklindančio iš vartotojo perspektyvos, ir virtualios aplinkos. Šis spindulys paprastai sklinda iš vartotojo akių (VR) arba iš ekrano taško, kurį jis liečia (AR). Atitikties testo rezultatai suteikia informacijos apie atstumą iki susikirtimo, paviršiaus normalę susikirtimo taške ir pagrindinę 3D geometriją. Ši informacija naudojama įvairioms sąveikoms, įskaitant:

• Objektų išdėstymas: Leidžia vartotojams patalpinti virtualius objektus realiame pasaulyje (AR) arba virtualioje aplinkoje (VR).
• Sąveika su objektais: Leidžia vartotojams pasirinkti, valdyti ar kitaip sąveikauti su virtualiais objektais.
• Navigacija: Suteikia vartotojams būdą naršyti virtualioje aplinkoje rodant ir spustelint.
• Aplinkos supratimas: Aptinka paviršius ir ribas realiame pasaulyje (AR), siekiant sukurti realistiškas sąveikas.

WebXR Device API suteikia sąsajas atitikties testams atlikti. Supratimas, kaip šios sąsajos veikia, yra labai svarbus našumo optimizavimui. Pagrindiniai komponentai, susiję su atitikties testavimu, yra šie:

• XRFrame: Atspindi kadrą WebXR sesijoje ir suteikia prieigą prie žiūrovo pozos bei kitos svarbios informacijos.
• XRInputSource: Atspindi įvesties šaltinį, pvz., valdiklį ar jutiklinį ekraną.
• XRRay: Apibrėžia spindulį, naudojamą atitikties testavimui, sklindantį iš įvesties šaltinio.
• XRHitTestSource: Objektas, kuris atlieka atitikties testus scenoje pagal XRRay.
• XRHitTestResult: Sudėtyje yra atitikties testo rezultatai, įskaitant susikirtimo taško pozą.

Našumo kliūtis: spindulių sekimas

Spindulių sekimas, atitikties testavimo pagrindas, yra skaičiavimams imlus procesas, ypač sudėtingose scenose su daugybe objektų ir poligonų. Kiekviename kadre programa turi apskaičiuoti spindulio susikirtimą su potencialiai tūkstančiais trikampių. Blogai optimizuotas spindulių sekimas gali greitai tapti našumo kliūtimi, dėl kurios atsiranda:

• Žemas kadrų dažnis: Dėl to vartotojo patirtis tampa trūkinėjanti ir nepatogi.
• Padidėjusi delsa: Sukelia vėlavimus tarp vartotojo įvesties ir atitinkamo veiksmo virtualioje aplinkoje.
• Didelis CPU naudojimas: Greitai iškrauna bateriją ir gali perkaisti įrenginį.

Prie spindulių sekimo našumo kaštų prisideda keli veiksniai:

• Scenos sudėtingumas: Objektų ir poligonų skaičius scenoje tiesiogiai veikia reikalingų susikirtimo skaičiavimų kiekį.
• Spindulių sekimo algoritmas: Algoritmo, naudojamo spindulio ir trikampio susikirtimams apskaičiuoti, efektyvumas.
• Duomenų struktūros: Scenos duomenų organizavimas ir erdvinių skaidymo metodų naudojimas.
• Aparatinės įrangos galimybės: Įrenginio, kuriame veikia WebXR programa, apdorojimo galia.

Spindulių sekimo optimizavimo metodai

Spindulių sekimo optimizavimas apima algoritminių patobulinimų, duomenų struktūrų optimizavimo ir aparatinės įrangos spartinimo derinį. Štai keletas metodų, kurie gali žymiai pagerinti atitikties testavimo našumą WebXR programose:

1. Apgaubiančių tūrių hierarchija (BVH)

Apgaubiančių tūrių hierarchija (Bounding Volume Hierarchy, BVH) yra į medį panaši duomenų struktūra, kuri erdviškai padalija sceną į mažesnius, lengviau valdomus regionus. Kiekvienas mazgas medyje atspindi apgaubiantį tūrį (pvz., apgaubiančią dėžę ar sferą), kuris apima dalį scenos geometrijos. BVH leidžia greitai atmesti dideles scenos dalis, su kuriomis spindulys nesusikerta, taip žymiai sumažinant spindulio ir trikampio susikirtimo testų skaičių.

Kaip tai veikia:

1. Pirmiausia spindulys testuojamas su BVH šakniniu mazgu.
2. Jei spindulys susikerta su šakniniu mazgu, jis rekursyviai testuojamas su antriniais mazgais.
3. Jei spindulys nesusikerta su mazgu, visas pomedis, kurio šaknis yra tas mazgas, atmetamas.
4. Tik tie trikampiai, esantys lapų mazguose, su kuriais spindulys susikerta, yra testuojami dėl susikirtimo.

Privalumai:

• Žymiai sumažina spindulio ir trikampio susikirtimo testų skaičių.
• Pagerina našumą, ypač sudėtingose scenose.
• Gali būti įgyvendinta naudojant įvairių tipų apgaubiančius tūrius (pvz., AABB, sferas).

Pavyzdys (konceptualus): Įsivaizduokite, kad ieškote knygos bibliotekoje. Be katalogo (BVH), turėtumėte patikrinti kiekvieną knygą kiekvienoje lentynoje. BVH yra kaip bibliotekos katalogas: jis padeda greitai susiaurinti paiešką iki konkretaus skyriaus ar lentynos, sutaupant daug laiko.

2. Aštuonmedžiai (Octrees) ir K-d medžiai

Panašiai kaip BVH, aštuonmedžiai ir K-d medžiai yra erdvinio skaidymo duomenų struktūros, kurios padalija sceną į mažesnius regionus. Aštuonmedžiai rekursyviai padalija erdvę į aštuonis oktantus, o K-d medžiai dalija erdvę pagal skirtingas ašis. Šios struktūros gali būti ypač veiksmingos scenose su netolygiai paskirstyta geometrija.

Kaip jie veikia:

1. Scena rekursyviai padalijama į mažesnius regionus.
2. Kiekvienas regionas apima dalį scenos geometrijos.
3. Spindulys testuojamas su kiekvienu regionu, siekiant nustatyti, su kuriais regionais jis susikerta.
4. Tik tie trikampiai, esantys susikertančiuose regionuose, yra testuojami dėl susikirtimo.

Privalumai:

• Užtikrina efektyvų erdvinį skaidymą netolygiai paskirstytai geometrijai.
• Gali būti naudojami pagreitinti spindulių sekimą ir kitas erdvinės paieškos užklausas.
• Tinka dinamiškoms scenoms, kuriose objektai juda ar keičia formą.

3. Atkirtimas pagal matymo piramidę (Frustum Culling)

Atkirtimas pagal matymo piramidę yra metodas, kuris atmeta objektus, esančius už kameros matymo lauko (piramidės). Tai neleidžia programai atlikti nereikalingų spindulio ir trikampio susikirtimo testų su objektais, kurie vartotojui nematomi. Šis metodas yra standartinis optimizavimo būdas 3D grafikoje ir gali būti lengvai integruotas į WebXR programas.

Kaip tai veikia:

1. Kameros matymo piramidė apibrėžiama jos matymo lauku, kraštinių santykiu ir artimosios bei tolimosios atkirtimo plokštumomis.
2. Kiekvienas scenos objektas testuojamas pagal matymo piramidę, siekiant nustatyti, ar jis matomas.
3. Objektai, esantys už matymo piramidės ribų, atmetami ir nėra atvaizduojami ar testuojami dėl susikirtimo.

Privalumai:

• Sumažina objektų, kuriuos reikia įtraukti į spindulių sekimą, skaičių.
• Pagerina našumą, ypač scenose su dideliu objektų skaičiumi.
• Lengva įgyvendinti ir integruoti į esamus 3D grafikos procesus.

4. Atkirtimas pagal atstumą

Panašiai kaip atkirtimas pagal matymo piramidę, atkirtimas pagal atstumą atmeta objektus, kurie yra per toli nuo vartotojo, kad būtų svarbūs. Tai gali būti ypač veiksminga didelio masto virtualiose aplinkose, kur tolimi objektai turi menką poveikį vartotojo patirčiai. Pavyzdžiui, VR programoje, simuliuojančioje miestą, toli esančių pastatų nereikia įtraukti į atitikties testavimą, jei vartotojas sutelkęs dėmesį į netoliese esančius objektus.

Kaip tai veikia:

1. Apibrėžiama maksimalaus atstumo riba.
2. Objektai, esantys toliau nei nustatyta riba nuo vartotojo, atmetami.
3. Riba gali būti koreguojama atsižvelgiant į sceną ir vartotojo sąveiką.

Privalumai:

• Sumažina objektų, kuriuos reikia įtraukti į spindulių sekimą, skaičių.
• Pagerina našumą didelio masto aplinkose.
• Galima lengvai koreguoti, siekiant subalansuoti našumą ir vaizdo kokybę.

5. Supaprastinta geometrija atitikties testavimui

Užuot naudojus didelės raiškos geometriją atitikties testavimui, apsvarstykite galimybę naudoti supaprastintą, mažesnės raiškos versiją. Tai gali žymiai sumažinti trikampių, kuriuos reikia testuoti dėl susikirtimo, skaičių, beveik nepaveikiant atitikties testo rezultatų tikslumo. Pavyzdžiui, atitikties testavimo metu galite naudoti apgaubiančias dėžes ar supaprastintus tinklus kaip sudėtingų objektų pakaitalus.

Kaip tai veikia:

1. Sukurkite supaprastintą objekto geometrijos versiją.
2. Naudokite supaprastintą geometriją atitikties testavimui.
3. Jei su supaprastinta geometrija aptinkamas susikirtimas, atlikite tikslesnį atitikties testą su originalia geometrija (nebūtina).

Privalumai:

• Sumažina trikampių, kuriuos reikia testuoti dėl susikirtimo, skaičių.
• Pagerina našumą, ypač sudėtingiems objektams.
• Gali būti naudojamas kartu su kitais optimizavimo metodais.

6. Spindulių sekimo algoritmai

Spindulių sekimo algoritmo pasirinkimas gali turėti didelės įtakos našumui. Kai kurie populiarūs spindulių sekimo algoritmai:

• Möller–Trumbore algoritmas: Greitas ir patikimas algoritmas spindulio ir trikampio susikirtimams apskaičiuoti.
• Plücker koordinatės: Metodas, skirtas vaizduoti linijas ir plokštumas 3D erdvėje, kuris gali būti naudojamas pagreitinti spindulių sekimą.
• Apgaubiančių tūrių hierarchijos perėjimo algoritmai: Algoritmai, skirti efektyviai pereiti per BVH, ieškant potencialių susikirtimo kandidatų.

Ištirkite ir eksperimentuokite su skirtingais spindulių sekimo algoritmais, kad rastumėte geriausiai tinkantį jūsų konkrečiai programai ir scenos sudėtingumui. Apsvarstykite galimybę naudoti optimizuotas bibliotekas ar įgyvendinimus, kurie išnaudoja aparatinės įrangos spartinimą.

7. „Web Workers“ skaičiavimų perkėlimui

„Web Workers“ leidžia perkelti skaičiavimams imlias užduotis, tokias kaip spindulių sekimas, į atskirą giją, taip išvengiant pagrindinės gijos blokavimo ir užtikrinant sklandžią vartotojo patirtį. Tai ypač svarbu WebXR programoms, kuriose būtina išlaikyti pastovų kadrų dažnį.

Kaip tai veikia:

1. Sukurkite „Web Worker“ ir įkelkite į jį spindulių sekimo kodą.
2. Nusiųskite scenos duomenis ir spindulio informaciją į „Web Worker“.
3. „Web Worker“ atlieka spindulių sekimo skaičiavimus ir siunčia rezultatus atgal į pagrindinę giją.
4. Pagrindinė gija atnaujina sceną pagal atitikties testo rezultatus.

Privalumai:

• Neleidžia blokuoti pagrindinės gijos.
• Užtikrina sklandžią ir jautrią vartotojo patirtį.
• Išnaudoja daugiabranduolius procesorius geresniam našumui.

Svarstymai: Didelių duomenų kiekių perdavimas tarp pagrindinės gijos ir „Web Worker“ gali sukelti papildomų išlaidų. Sumažinkite duomenų perdavimą naudodami efektyvias duomenų struktūras ir siųsdami tik būtiną informaciją.

8. GPU spartinimas

Išnaudokite GPU galią spindulių sekimo skaičiavimams. WebGL suteikia prieigą prie GPU lygiagretaus apdorojimo galimybių, kurios gali žymiai pagreitinti spindulio ir trikampio susikirtimo testus. Įgyvendinkite spindulių sekimo algoritmus naudodami šešėliavimo programas (shaders) ir perkelkite skaičiavimus į GPU.

Kaip tai veikia:

1. Įkelkite scenos geometriją ir spindulio informaciją į GPU.
2. Naudokite šešėliavimo programą spindulio ir trikampio susikirtimo testams atlikti GPU.
3. Nuskaitykite atitikties testo rezultatus iš GPU.

Privalumai:

• Išnaudoja GPU lygiagretaus apdorojimo galimybes.
• Žymiai pagreitina spindulių sekimo skaičiavimus.
• Leidžia atlikti atitikties testavimą realiu laiku sudėtingose scenose.

Svarstymai: GPU pagrįstas spindulių sekimas gali būti sudėtingesnis įgyvendinti nei CPU pagrįstas. Reikia gerai išmanyti šešėliavimo programavimą ir WebGL.

9. Atitikties testų grupavimas

Jei viename kadre reikia atlikti kelis atitikties testus, apsvarstykite galimybę juos sugrupuoti į vieną iškvietimą. Tai gali sumažinti pridėtines išlaidas, susijusias su atitikties testo operacijos paruošimu ir vykdymu. Pavyzdžiui, jei reikia nustatyti kelių spindulių, sklindančių iš skirtingų įvesties šaltinių, susikirtimo taškus, sugrupuokite juos į vieną užklausą.

Kaip tai veikia:

1. Surinkite visą spindulių informaciją atitikties testams, kuriuos reikia atlikti.
2. Supakuokite spindulių informaciją į vieną duomenų struktūrą.
3. Nusiųskite duomenų struktūrą atitikties testavimo funkcijai.
4. Atitikties testavimo funkcija atlieka visus testus viena operacija.

Privalumai:

• Sumažina pridėtines išlaidas, susijusias su atitikties testo operacijų paruošimu ir vykdymu.
• Pagerina našumą atliekant kelis atitikties testus viename kadre.

10. Laipsniškas tikslinimas

Scenarijuose, kur greiti atitikties testo rezultatai nėra kritiškai svarbūs, apsvarstykite laipsniško tikslinimo metodą. Pradėkite nuo grubaus atitikties testo, naudojant supaprastintą geometriją ar ribotą paieškos diapazoną, o tada tikslinkite rezultatus per kelis kadrus. Tai leidžia greitai suteikti pradinį atsaką vartotojui ir palaipsniui gerinti atitikties testo rezultatų tikslumą.

Kaip tai veikia:

1. Atlikite grubų atitikties testą su supaprastinta geometrija.
2. Parodykite pradinius atitikties testo rezultatus vartotojui.
3. Tikslinkite atitikties testo rezultatus per kelis kadrus, naudodami detalesnę geometriją ar platesnį paieškos diapazoną.
4. Atnaujinkite vaizdą, kai atitikties testo rezultatai tikslinami.

Privalumai:

• Greitai suteikia pradinį atsaką vartotojui.
• Sumažina atitikties testavimo poveikį našumui viename kadre.
• Pagerina vartotojo patirtį, suteikiant jautresnę sąveiką.

Profiliavimas ir derinimas

Efektyviam optimizavimui reikalingas kruopštus profiliavimas ir derinimas. Naudokite naršyklės kūrėjų įrankius ir našumo analizės įrankius, kad nustatytumėte kliūtis savo WebXR programoje. Ypatingą dėmesį atkreipkite į:

• Kadrų dažnis: Stebėkite kadrų dažnį, kad nustatytumėte našumo kritimus.
• CPU naudojimas: Analizuokite CPU naudojimą, kad nustatytumėte skaičiavimams imlias užduotis.
• GPU naudojimas: Stebėkite GPU naudojimą, kad nustatytumėte su grafika susijusias kliūtis.
• Atminties naudojimas: Sekite atminties paskirstymą ir atlaisvinimą, kad nustatytumėte galimus atminties nutekėjimus.
• Spindulių sekimo laikas: Matuokite laiką, praleistą atliekant spindulių sekimo skaičiavimus.

Naudokite profiliavimo įrankius, kad nustatytumėte konkrečias kodo eilutes, kurios labiausiai prisideda prie našumo kliūties. Eksperimentuokite su skirtingais optimizavimo metodais ir matuokite jų poveikį našumui. Kartokite ir tobulinkite savo optimizavimus, kol pasieksite norimą našumo lygį.

Geriausios praktikos WebXR atitikties testavimui

Štai keletas geriausių praktikų, kurių reikėtų laikytis įgyvendinant atitikties testavimą WebXR programose:

• Naudokite apgaubiančių tūrių hierarchijas: Įgyvendinkite BVH ar kitą erdvinio skaidymo duomenų struktūrą, kad paspartintumėte spindulių sekimą.
• Supaprastinkite geometriją: Naudokite supaprastintą geometriją atitikties testavimui, kad sumažintumėte trikampių, kuriuos reikia testuoti, skaičių.
• Atmeskite nematomus objektus: Įgyvendinkite atkirtimą pagal matymo piramidę ir atstumą, kad atmestumėte objektus, kurie nėra matomi ar svarbūs vartotojui.
• Perkelkite skaičiavimus: Naudokite „Web Workers“, kad perkeltumėte skaičiavimams imlias užduotis, tokias kaip spindulių sekimas, į atskirą giją.
• Išnaudokite GPU spartinimą: Įgyvendinkite spindulių sekimo algoritmus naudodami šešėliavimo programas ir perkelkite skaičiavimus į GPU.
• Grupuokite atitikties testus: Grupuokite kelis atitikties testus į vieną iškvietimą, kad sumažintumėte pridėtines išlaidas.
• Naudokite laipsnišką tikslinimą: Naudokite laipsniško tikslinimo metodą, kad greitai suteiktumėte pradinį atsaką vartotojui, palaipsniui gerindami rezultatų tikslumą.
• Profiliuokite ir derinkite: Profiliuokite ir derinkite savo kodą, kad nustatytumėte našumo kliūtis ir tobulintumėte optimizavimus.
• Optimizuokite tiksliniams įrenginiams: Optimizuodami WebXR programą, atsižvelkite į tikslinių įrenginių galimybes. Skirtingi įrenginiai gali turėti skirtingas našumo charakteristikas.
• Testuokite tikruose įrenginiuose: Visada testuokite savo WebXR programą tikruose įrenginiuose, kad gautumėte tikslų supratimą apie jos našumą. Emuliatoriai ir simuliatoriai gali netiksliai atspindėti realios aparatinės įrangos našumą.

Pavyzdžiai pasaulinėse pramonės šakose

WebXR atitikties testavimo optimizavimas turi didelę reikšmę įvairiose pramonės šakose visame pasaulyje. Štai keletas pavyzdžių:

• Elektroninė prekyba (pasaulinė): Optimizuotas atitikties testavimas leidžia vartotojams tiksliai patalpinti virtualius baldus savo namuose naudojant AR, gerinant apsipirkimo internetu patirtį. Greitesnis atitikties testas reiškia jautresnį ir realistiškesnį išdėstymą, o tai yra labai svarbu vartotojų pasitikėjimui ir sprendimams pirkti, nepriklausomai nuo jų buvimo vietos.
• Žaidimai (tarptautiniai): AR/VR žaidimai labai priklauso nuo atitikties testavimo sąveikai su objektais ir pasaulio tyrinėjimui. Optimizuotas spindulių sekimas yra būtinas sklandžiam žaidimui ir įtraukiančiai vartotojo patirčiai. Atsižvelgiant į tai, kad žaidimai žaidžiami įvairiose platformose ir tinklo sąlygomis, efektyvus atitikties testavimas tampa dar svarbesnis nuosekliai patirčiai užtikrinti.
• Švietimas (pasaulinis): Interaktyvios edukacinės patirtys VR/AR, tokios kaip virtualūs anatomijos modeliai ar istorinės rekonstrukcijos, gauna naudos iš optimizuoto atitikties testavimo tiksliai sąveikai su 3D objektais. Studentai visame pasaulyje gali naudotis prieinamais ir našiais edukaciniais įrankiais.
• Mokymai ir simuliacijos (įvairios pramonės šakos): Pramonės šakos, tokios kaip aviacija, gamyba ir sveikatos apsauga, naudoja VR/AR mokymams ir simuliacijoms. Optimizuotas atitikties testavimas leidžia realistiškai sąveikauti su virtualia įranga ir aplinka, gerinant mokymo programų efektyvumą. Pavyzdžiui, chirurginėje simuliacijoje Indijoje tiksli ir jautri sąveika su virtualiais instrumentais yra svarbiausia.
• Architektūra ir dizainas (tarptautiniai): Architektai ir dizaineriai naudoja AR/VR, kad vizualizuotų ir sąveikautų su pastatų modeliais realaus pasaulio kontekste. Optimizuotas atitikties testavimas leidžia jiems tiksliai patalpinti virtualius modelius vietoje ir realistiškai tyrinėti dizaino galimybes, nepriklausomai nuo projekto vietos.

Išvados

Spindulių sekimo optimizavimas WebXR atitikties testavimui yra labai svarbus norint sukurti našias ir malonias papildytosios ir virtualiosios realybės patirtis. Įgyvendindami šiame straipsnyje aprašytus metodus ir geriausias praktikas, galite žymiai pagerinti savo WebXR programų reakcijos greitį ir suteikti labiau įtraukiančią bei patrauklią vartotojo patirtį. Nepamirškite profiliuoti ir derinti savo kodo, kad nustatytumėte našumo kliūtis ir tobulintumėte optimizavimus, kol pasieksite norimą našumo lygį. WebXR technologijai toliau tobulėjant, efektyvus atitikties testavimas išliks vienu iš pagrindinių veiksnių kuriant įtikinamas ir interaktyvias įtraukiančias patirtis.