WebXR Hit Test Manager: Implementando um Sistema de Ray Casting para Experiências Imersivas

O crescimento das tecnologias de Realidade Aumentada (AR) e Realidade Virtual (VR) abriu novas e empolgantes possibilidades para a criação de experiências digitais imersivas e interativas. WebXR, uma API JavaScript para acessar recursos de VR e AR em navegadores da web, permite que desenvolvedores em todo o mundo construam essas experiências em uma infinidade de dispositivos. Um componente fundamental na criação de experiências WebXR atraentes é a capacidade de interagir com o ambiente virtual. É aqui que o WebXR Hit Test Manager e o ray casting entram em jogo.

O que é Ray Casting e Por que é Importante?

Ray casting, no contexto de WebXR, é uma técnica usada para determinar se um raio virtual (uma linha reta) intersecta uma superfície do mundo real detectada pelo sistema AR ou um objeto virtual no ambiente VR. Pense nisso como apontar um ponteiro laser para seus arredores e ver onde ele atinge. O WebXR Hit Test Manager fornece as ferramentas para realizar esses ray casts e recuperar os resultados. Essas informações são cruciais para uma variedade de interações, incluindo:

• Posicionamento de Objetos: Permitir que os usuários coloquem objetos virtuais em superfícies do mundo real, como colocar uma cadeira virtual em sua sala de estar (AR). Considere um usuário em Tóquio decorando seu apartamento virtualmente antes de se comprometer com a compra de móveis.
• Direcionamento e Seleção: Permitir que os usuários selecionem objetos virtuais ou interajam com elementos da IU usando um ponteiro ou mão virtual (AR/VR). Imagine um cirurgião em Londres usando AR para sobrepor informações anatômicas a um paciente, selecionando áreas específicas para revisão.
• Navegação: Mover o avatar do usuário pelo mundo virtual apontando para um local e instruindo-o a se mover para lá (VR). Um museu em Paris pode usar VR para permitir que os visitantes naveguem por exposições históricas.
• Reconhecimento de Gestos: Combinar hit testing com rastreamento de mãos para interpretar gestos do usuário, como pinçar para ampliar ou deslizar para rolar (AR/VR). Isso pode ser usado em uma reunião de design colaborativa em Sydney, onde os participantes manipulam modelos virtuais juntos.

Entendendo o WebXR Hit Test Manager

O WebXR Hit Test Manager é uma parte essencial da API WebXR que facilita o ray casting. Ele fornece métodos para criar e gerenciar fontes de teste de acerto, que definem a origem e a direção do raio. O gerenciador então usa essas fontes para realizar testes de acerto no mundo real (em AR) ou no mundo virtual (em VR) e retorna informações sobre quaisquer interseções. Os principais conceitos incluem:

• XRFrame: O XRFrame representa um instantâneo no tempo da cena XR, incluindo a pose do visualizador e quaisquer planos ou recursos detectados. Os testes de acerto são realizados em relação ao XRFrame.
• XRHitTestSource: Representa a fonte do raio a ser lançado. Ele define a origem (onde o raio começa) e a direção (para onde o raio aponta). Normalmente, você criará um XRHitTestSource por método de entrada (por exemplo, um controlador, uma mão).
• XRHitTestResult: Contém informações sobre um acerto bem-sucedido, incluindo a pose (posição e orientação) do ponto de interseção e a distância da origem do raio.
• XRHitTestTrackable: Representa um recurso rastreado (como um plano) no mundo real.

Implementando um Sistema Básico de Hit Test

Vamos percorrer as etapas para implementar um sistema básico de teste de acerto WebXR usando JavaScript. Este exemplo se concentra no posicionamento de objetos AR, mas os princípios podem ser adaptados para outros cenários de interação.

Etapa 1: Solicitando Sessão WebXR e Suporte a Hit Test

Primeiro, você precisa solicitar uma sessão WebXR e garantir que o recurso 'hit-test' esteja habilitado. Este recurso é necessário para usar o Hit Test Manager.

            
async function initXR() {
  try {
    xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
      requiredFeatures: ['hit-test'],
    });

    xrSession.addEventListener('end', () => {
      console.log('XR session ended');
    });

    // Initialize your WebGL renderer and scene here
    initRenderer();

    xrSession.updateRenderState({
      baseLayer: new XRWebGLLayer(xrSession, renderer.getContext())
    });

    xrReferenceSpace = await xrSession.requestReferenceSpace('local');
    xrHitTestSource = await xrSession.requestHitTestSource({
      space: xrReferenceSpace
    });

    xrSession.requestAnimationFrame(renderLoop);

  } catch (e) {
    console.error('WebXR failed to initialize', e);
  }
}

            

              
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Explicação:

• `navigator.xr.requestSession('immersive-ar', ...)`: Solicita uma sessão AR imersiva. O primeiro argumento especifica o tipo de sessão ('immersive-ar' para AR, 'immersive-vr' para VR).
• `requiredFeatures: ['hit-test']`: Crucialmente, solicita o recurso 'hit-test', habilitando o Hit Test Manager.
• `xrSession.requestHitTestSource(...)`: Cria um XRHitTestSource, definindo a origem e a direção do raio. Neste exemplo básico, usamos o espaço de referência 'viewer', que corresponde ao ponto de vista do usuário.

Etapa 2: Criando o Loop de Renderização

O loop de renderização é o coração do seu aplicativo WebXR. É onde você atualiza a cena e renderiza cada quadro. Dentro do loop de renderização, você realizará o teste de acerto e atualizará a posição do seu objeto virtual.

            
function renderLoop(time, frame) {
  xrSession.requestAnimationFrame(renderLoop);

  const xrFrame = frame;
  const xrPose = xrFrame.getViewerPose(xrReferenceSpace);

  if (xrPose) {
    const hitTestResults = xrFrame.getHitTestResults(xrHitTestSource);

    if (hitTestResults.length > 0) {
      const hit = hitTestResults[0];
      const hitPose = hit.getPose(xrReferenceSpace);

      // Update the position and orientation of your virtual object
      object3D.position.set(hitPose.transform.position.x, hitPose.transform.position.y, hitPose.transform.position.z);
      object3D.quaternion.set(hitPose.transform.orientation.x, hitPose.transform.orientation.y, hitPose.transform.orientation.z, hitPose.transform.orientation.w);
      object3D.visible = true; // Make the object visible when a hit is found
    } else {
      object3D.visible = false; // Hide the object if no hit is found
    }
  }

  renderer.render(scene, camera);
}

            

              
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Explicação:

• `xrFrame.getHitTestResults(xrHitTestSource)`: Realiza o teste de acerto usando o XRHitTestSource criado anteriormente. Ele retorna um array de objetos XRHitTestResult, representando todas as interseções encontradas.
• `hitTestResults[0]`: Pegamos o primeiro resultado de acerto. Em cenários mais complexos, você pode querer iterar por todos os resultados e escolher o mais apropriado.
• `hit.getPose(xrReferenceSpace)`: Recupera a pose (posição e orientação) do acerto no espaço de referência especificado.
• `object3D.position.set(...)` e `object3D.quaternion.set(...)`: Atualiza a posição e a orientação do seu objeto virtual (object3D) para corresponder à pose de acerto. Isso coloca o objeto no ponto de interseção.
• `object3D.visible = true/false`: Controla a visibilidade do objeto virtual, fazendo com que ele apareça apenas quando um acerto é encontrado.

Etapa 3: Configurando Sua Cena 3D (Exemplo com Three.js)

Este exemplo usa Three.js, uma biblioteca JavaScript 3D popular, para criar uma cena simples com um cubo. Você pode adaptar isso para usar outras bibliotecas como Babylon.js ou A-Frame.

            
let scene, camera, renderer, object3D;
let xrSession, xrReferenceSpace, xrHitTestSource;

function initRenderer() {
  scene = new THREE.Scene();
  camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
  renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true, alpha: true });
  renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
  renderer.xr.enabled = true; // Enable WebXR
  document.body.appendChild(renderer.domElement);

  const geometry = new THREE.BoxGeometry(0.1, 0.1, 0.1); // 10cm cube
  const material = new THREE.MeshNormalMaterial();
  object3D = new THREE.Mesh(geometry, material);
  object3D.visible = false; // Initially hide the object
  scene.add(object3D);

  renderer.setAnimationLoop(() => { /* No animation loop here. WebXR controls it.*/ });
  renderer.xr.setSession(xrSession);

  camera.position.z = 2; // Move the camera back
}

// Call initXR() to start the WebXR experience
initXR();

            

              
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Importante: Certifique-se de incluir a biblioteca Three.js em seu arquivo HTML:

            


            

              
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Técnicas Avançadas e Otimizações

A implementação básica acima fornece uma base para o teste de acerto WebXR. Aqui estão algumas técnicas avançadas e otimizações a serem consideradas ao construir experiências mais complexas:

1. Filtrando Resultados de Hit Test

Em alguns casos, você pode querer filtrar os resultados do teste de acerto para considerar apenas tipos específicos de superfícies. Por exemplo, você pode querer permitir apenas a colocação de objetos em superfícies horizontais (pisos ou mesas). Você pode conseguir isso examinando o vetor normal da pose de acerto e comparando-o com o vetor para cima.

            
if (hitTestResults.length > 0) {
  const hit = hitTestResults[0];
  const hitPose = hit.getPose(xrReferenceSpace);

  // Check if the surface is approximately horizontal
  const upVector = new THREE.Vector3(0, 1, 0); // World up vector
  const hitNormal = new THREE.Vector3();
  hitNormal.set(hitPose.transform.orientation.x, hitPose.transform.orientation.y, hitPose.transform.orientation.z);
  hitNormal.applyQuaternion(camera.quaternion); // Rotate the normal to world space

  const dotProduct = upVector.dot(hitNormal);

  if (dotProduct > 0.9) { // Adjust the threshold (0.9) as needed
    // Surface is approximately horizontal
    object3D.position.set(hitPose.transform.position.x, hitPose.transform.position.y, hitPose.transform.position.z);
    object3D.quaternion.set(hitPose.transform.orientation.x, hitPose.transform.orientation.y, hitPose.transform.orientation.z, hitPose.transform.orientation.w);
    object3D.visible = true;
  } else {
    object3D.visible = false;
  }
}

            

              
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2. Usando Fontes de Entrada Transitórias

Para métodos de entrada mais avançados, como rastreamento de mãos, você normalmente usará fontes de entrada transitórias. Fontes de entrada transitórias representam eventos de entrada temporários, como um toque de dedo ou um gesto de mão. A API WebXR Input permite que você acesse esses eventos e crie fontes de teste de acerto com base na posição da mão do usuário.

            
xrSession.addEventListener('selectstart', (event) => {
  const inputSource = event.inputSource;
  const targetRayPose = event.frame.getPose(inputSource.targetRaySpace, xrReferenceSpace);

  if (targetRayPose) {
    // Create a hit test source from the target ray pose
    xrSession.requestHitTestSourceForTransientInput({ targetRaySpace: inputSource.targetRaySpace, profile: inputSource.profiles }).then((hitTestSource) => {
       const hitTestResults = event.frame.getHitTestResults(hitTestSource);
       if (hitTestResults.length > 0) {
         const hit = hitTestResults[0];
         const hitPose = hit.getPose(xrReferenceSpace);

         // Place an object at the hit location
         const newObject = new THREE.Mesh(new THREE.SphereGeometry(0.05, 32, 32), new THREE.MeshNormalMaterial());
         newObject.position.set(hitPose.transform.position.x, hitPose.transform.position.y, hitPose.transform.position.z);
         scene.add(newObject);
       }
       hitTestSource.cancel(); // Cleanup the hit test source
    });
  }
});

            

              
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3. Otimizando o Desempenho

As experiências WebXR podem ser computacionalmente intensivas, especialmente em dispositivos móveis. Aqui estão algumas dicas para otimizar o desempenho:

• Reduza a Frequência dos Testes de Acerto: Realizar testes de acerto a cada quadro pode ser caro. Considere reduzir a frequência, especialmente se o movimento do usuário for lento. Você pode usar um temporizador ou realizar testes de acerto apenas quando o usuário iniciar uma ação.
• Use uma Hierarquia de Volume Delimitador (BVH): Se você tiver uma cena complexa com muitos objetos, usar um BVH pode acelerar significativamente a detecção de colisão. Three.js e Babylon.js oferecem implementações BVH.
• LOD (Nível de Detalhe): Use diferentes níveis de detalhe para seus modelos 3D dependendo de sua distância da câmera. Isso reduz o número de polígonos que precisam ser renderizados para objetos distantes.
• Culling de Oclusão: Não renderize objetos que estão escondidos atrás de outros objetos. Isso pode melhorar significativamente o desempenho em cenas complexas.

4. Lidando com Diferentes Espaços de Referência

WebXR suporta diferentes espaços de referência, que definem o sistema de coordenadas usado para rastrear a posição e orientação do usuário. Os espaços de referência mais comuns são:

• Local: A origem do sistema de coordenadas é fixa em relação à posição inicial do usuário. Isso é adequado para experiências onde o usuário permanece em uma pequena área.
• Chão Delimitado: A origem está no nível do chão, e o plano XZ representa o chão. Isso é adequado para experiências onde o usuário pode se mover em uma sala.
• Ilimitado: A origem não é fixa e o usuário pode se mover livremente. Isso é adequado para experiências AR em larga escala.

Escolher o espaço de referência apropriado é importante para garantir que sua experiência WebXR funcione corretamente em diferentes ambientes. Você pode solicitar um espaço de referência específico ao criar a sessão XR.

            
xrReferenceSpace = await xrSession.requestReferenceSpace('bounded-floor');

            

              
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5. Lidando com a Compatibilidade de Dispositivos

WebXR é uma tecnologia relativamente nova e nem todos os navegadores e dispositivos a suportam igualmente. É importante verificar o suporte WebXR antes de tentar inicializar uma sessão WebXR.

            
if (navigator.xr) {
  // WebXR is supported
  initXR();
} else {
  // WebXR is not supported
  console.error('WebXR is not supported in this browser.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

Você também deve testar sua experiência WebXR em uma variedade de dispositivos para garantir que ela funcione corretamente.

Considerações de Internacionalização

Ao desenvolver aplicativos WebXR para um público global, é importante considerar a internacionalização (i18n) e a localização (l10n).

• Texto e Elementos da IU: Use uma biblioteca de localização para traduzir texto e elementos da IU para diferentes idiomas. Certifique-se de que seu layout da IU possa acomodar diferentes comprimentos de texto. Por exemplo, as palavras alemãs tendem a ser mais longas do que as palavras inglesas.
• Unidades de Medida: Use unidades de medida apropriadas para diferentes regiões. Por exemplo, use metros e quilômetros na maioria dos países, mas use pés e milhas nos Estados Unidos e no Reino Unido. Permita que os usuários escolham suas unidades de medida preferidas.
• Formatos de Data e Hora: Use formatos de data e hora apropriados para diferentes regiões. Por exemplo, use o formato AAAA-MM-DD em alguns países e o formato MM/DD/AAAA em outros.
• Moedas: Exiba moedas no formato apropriado para diferentes regiões. Use uma biblioteca para lidar com conversões de moeda.
• Sensibilidade Cultural: Esteja ciente das diferenças culturais e evite usar imagens, símbolos ou linguagem que possam ser ofensivos para algumas culturas. Por exemplo, certos gestos com as mãos podem ter significados diferentes em diferentes culturas.

Ferramentas e Recursos de Desenvolvimento WebXR

• Three.js: Uma biblioteca JavaScript 3D popular para criar experiências baseadas em WebGL.
• Babylon.js: Outro mecanismo JavaScript 3D poderoso com foco no suporte WebXR.
• A-Frame: Uma estrutura da web para construir experiências VR usando HTML.
• WebXR Emulator: Uma extensão do navegador que permite testar experiências WebXR sem precisar de um dispositivo VR ou AR físico.
• WebXR Device API Specification: A especificação oficial WebXR do W3C.
• Mozilla Mixed Reality Blog: Um ótimo recurso para aprender sobre WebXR e tecnologias relacionadas.

Conclusão

O WebXR Hit Test Manager é uma ferramenta poderosa para criar experiências AR/VR interativas e imersivas. Ao entender os conceitos de ray casting e a API Hit Test, você pode criar aplicativos atraentes que permitem que os usuários interajam com o mundo virtual de uma forma natural e intuitiva. À medida que a tecnologia WebXR continua a evoluir, as possibilidades de criação de experiências inovadoras e envolventes são infinitas. Lembre-se de otimizar seu código para desempenho e considerar a internacionalização ao desenvolver para um público global. Abrace os desafios e recompensas de construir a próxima geração de experiências web imersivas.