Обнаружение плоскостей в WebXR: Освоение распознавания поверхностей и размещения в AR для глобальной аудитории

WebXR предлагает мощный шлюз для создания захватывающих впечатлений в дополненной реальности (AR) непосредственно в веб-браузерах. Краеугольным камнем многих AR-приложений является обнаружение плоскостей, которое позволяет вашему приложению понимать реальную среду и бесшовно интегрировать виртуальный контент. Этот пост в блоге представляет собой исчерпывающее руководство по обнаружению плоскостей в WebXR, уделяя особое внимание распознаванию поверхностей, техникам размещения в AR и лучшим практикам для создания инклюзивных и производительных впечатлений, которые найдут отклик у глобальной аудитории.

Что такое обнаружение плоскостей в WebXR?

Обнаружение плоскостей — это процесс идентификации и понимания плоских поверхностей в физическом окружении пользователя с помощью датчиков устройства (обычно камеры и датчиков движения). WebXR использует эти данные с датчиков, а также алгоритмы компьютерного зрения, для нахождения и отслеживания горизонтальных и вертикальных плоскостей, таких как полы, столы, стены и даже потолки.

Как только плоскость обнаружена, приложение WebXR может использовать эту информацию для:

• Привязки виртуальных объектов к реальному миру, чтобы они выглядели так, будто действительно присутствуют в окружении.
• Создания интерактивных впечатлений, где пользователи могут манипулировать виртуальными объектами относительно реальных поверхностей.
• Обеспечения реалистичного освещения и теней на основе воспринимаемой среды.
• Реализации обнаружения столкновений между виртуальными объектами и реальными поверхностями.

Почему обнаружение плоскостей важно для WebXR?

Обнаружение плоскостей имеет решающее значение для создания убедительных и правдоподобных AR-впечатлений. Без него виртуальные объекты просто парили бы в пространстве, оторванные от окружения пользователя, что разрушало бы иллюзию дополненной реальности.

Точно обнаруживая и понимая поверхности, обнаружение плоскостей позволяет создавать AR-приложения, которые являются:

• Иммерсивными: Виртуальные объекты ощущаются как настоящая часть реального мира.
• Интерактивными: Пользователи могут взаимодействовать с виртуальными объектами естественным и интуитивно понятным способом.
• Полезными: AR-приложения могут предлагать практические решения для реальных проблем, таких как визуализация мебели в комнате или измерение расстояний между объектами.
• Доступными: WebXR и обнаружение плоскостей обеспечивают AR-впечатления, доступные на различных устройствах без необходимости загрузки специального приложения пользователями.

Как работает обнаружение плоскостей в WebXR

Обнаружение плоскостей в WebXR обычно включает следующие шаги:

1. Запрос отслеживания плоскостей: Приложение WebXR запрашивает доступ к возможностям AR устройства, включая отслеживание плоскостей.
2. Получение XRFrame: На каждом кадре приложение получает объект `XRFrame`, который предоставляет информацию о текущем состоянии AR-сессии, включая позу камеры и обнаруженные плоскости.
3. Запрос TrackedPlanes: Объект `XRFrame` содержит список объектов `XRPlane`, каждый из которых представляет обнаруженную плоскость в сцене.
4. Анализ данных XRPlane: Каждый объект `XRPlane` предоставляет информацию о плоскости:

• Ориентация: Является ли плоскость горизонтальной или вертикальной.
• Положение: Положение плоскости в 3D-мире.
• Размеры: Ширина и высота плоскости.
• Полигон: Граничный полигон, представляющий форму обнаруженной плоскости.
• Время последнего изменения: Временная метка, указывающая, когда свойства плоскости были обновлены в последний раз.

API и примеры кода для обнаружения плоскостей в WebXR

Давайте рассмотрим несколько примеров кода с использованием JavaScript и популярной библиотеки WebXR, такой как Three.js:

Инициализация сессии WebXR и запрос отслеживания плоскостей

Сначала вам нужно запросить иммерсивную AR-сессию и указать, что вы хотите отслеживать обнаруженные плоскости:

            
async function initXR() {
  if (navigator.xr) {
    const supported = await navigator.xr.isSessionSupported('immersive-ar');
    if (supported) {
      try {
        session = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', { 
          requiredFeatures: ['plane-detection'] 
        });
        // Setup WebGL renderer and other scene elements
      } catch (error) {
        console.error("Error initializing XR session:", error);
      }
    } else {
      console.log('immersive-ar not supported');
    }
  } else {
    console.log('WebXR not supported');
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Обработка XRFrame и TrackedPlanes

Внутри вашего цикла анимации вам нужно будет получать доступ к `XRFrame` и перебирать обнаруженные плоскости:

            
function animate(time, frame) {
  if (frame) {
    const glLayer = session.renderState.baseLayer;
    renderer.render(scene, camera);

    const xrViewerPose = frame.getViewerPose(xrRefSpace);
    if (xrViewerPose) {
      // Update camera position/rotation based on xrViewerPose

      const planes = session.getWorldInformation().detectedPlanes;
      if (planes) {
        for (const plane of planes) {
          // Access plane data and update the corresponding mesh in your scene
          updatePlaneMesh(plane);
        }
      }
    }
  }
  session.requestAnimationFrame(animate);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Создание меша для каждой обнаруженной плоскости

Для визуализации обнаруженных плоскостей вы можете создать простой меш (например, `THREE.Mesh`) и обновлять его геометрию на основе размеров и полигона `XRPlane`. Вам может понадобиться вспомогательная функция, которая преобразует вершины полигона в соответствующий формат геометрии для вашего движка рендеринга.

            
function updatePlaneMesh(plane) {
  if (!planeMeshes.has(plane.id)) {
    // Create a new mesh if it doesn't exist
    const geometry = new THREE.PlaneGeometry(plane.width, plane.height);
    const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00, wireframe: true });
    const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material);
    mesh.userData.plane = plane;

    scene.add(mesh);
    planeMeshes.set(plane.id, mesh);
  } else {
    // Update the existing mesh's geometry based on plane extents.
    const mesh = planeMeshes.get(plane.id);
    const planeGeometry = mesh.geometry;
    planeGeometry.width = plane.width;
    planeGeometry.height = plane.height;
    planeGeometry.needsUpdate = true;

    //Position and orientation of the plane.
    const pose = frame.getPose(plane.planeSpace, xrRefSpace);
    mesh.position.set(pose.transform.position.x,pose.transform.position.y,pose.transform.position.z);
    mesh.quaternion.set(pose.transform.orientation.x,pose.transform.orientation.y,pose.transform.orientation.z,pose.transform.orientation.w);
  }


}

            

              
                Copy
              
            
          

Техники размещения в AR: Привязка виртуальных объектов

Как только вы обнаружили плоскости, вы можете привязать к ним виртуальные объекты. Это включает в себя размещение виртуальных объектов в правильном положении и ориентации относительно обнаруженной плоскости. Есть несколько способов достичь этого:

Raycasting (Трассировка лучей)

Трассировка лучей включает в себя испускание луча с устройства пользователя (обычно из центра экрана) в сцену. Если луч пересекает обнаруженную плоскость, вы можете использовать точку пересечения для позиционирования виртуального объекта. Это позволяет пользователю нажимать на экран, чтобы разместить объект на желаемой поверхности.

            
function placeObject(x, y) {
  const raycaster = new THREE.Raycaster();
  const mouse = new THREE.Vector2();

  mouse.x = (x / renderer.domElement.clientWidth) * 2 - 1;
  mouse.y = -(y / renderer.domElement.clientHeight) * 2 + 1;

  raycaster.setFromCamera(mouse, camera);

  const intersects = raycaster.intersectObjects(scene.children, true); //Recursively search for intersections.

  if (intersects.length > 0) {
    // Place the object at the intersection point
    const intersection = intersects[0];
    const newObject = createVirtualObject();
    newObject.position.copy(intersection.point);

    //Adjust orientation of the object as required
    newObject.quaternion.copy(camera.quaternion);
    scene.add(newObject);
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Использование Hit-Test API (при наличии)

API WebXR Hit-Test предоставляет более прямой способ нахождения пересечений между лучом и реальным миром. Он позволяет вам испускать луч из поля зрения пользователя и получать список объектов `XRHitResult`, каждый из которых представляет собой пересечение с реальной поверхностью. Это более эффективно и точно, чем полагаться исключительно на обнаруженные плоскости.

            
async function createHitTestSource() {
  hitTestSource = await session.requestHitTestSource({
    space: xrRefSpace
  });
}

function placeObjectAtHit() {
  if (hitTestSource) {
    const hitTestResults = frame.getHitTestResults(hitTestSource);
    if (hitTestResults.length > 0) {
      const hit = hitTestResults[0];
      const pose = hit.getPose(xrRefSpace);

      // Create or update the virtual object
      const newObject = createVirtualObject();
      newObject.position.set(pose.transform.position.x,pose.transform.position.y,pose.transform.position.z);
      newObject.quaternion.set(pose.transform.orientation.x,pose.transform.orientation.y,pose.transform.orientation.z,pose.transform.orientation.w);
      scene.add(newObject);
    }
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Привязка к границам плоскости

Вы также можете использовать полигон, представляющий границу плоскости, для позиционирования объектов вдоль краев или внутри обнаруженной плоскости. Это может быть полезно для размещения виртуальных объектов в определенной конфигурации относительно плоскости.

Оптимизация обнаружения плоскостей в WebXR для глобальных устройств

Приложения WebXR должны работать плавно на широком спектре устройств, от высокопроизводительных смартфонов до менее мощных мобильных устройств. Оптимизация вашей реализации обнаружения плоскостей имеет решающее значение для обеспечения хорошего пользовательского опыта на различных аппаратных конфигурациях.

Соображения производительности

• Ограничьте количество плоскостей: Отслеживание слишком большого количества плоскостей может быть вычислительно затратным. Рассмотрите возможность ограничения количества плоскостей, которые ваше приложение активно отслеживает, или отдайте приоритет плоскостям, находящимся ближе всего к пользователю.
• Оптимизируйте геометрию мешей плоскостей: Используйте эффективные представления геометрии для мешей плоскостей. Избегайте излишней детализации или ненужных вершин.
• Используйте WebAssembly: Рассмотрите возможность использования WebAssembly (WASM) для реализации вычислительно интенсивных задач, таких как алгоритмы обнаружения плоскостей или пользовательские процедуры компьютерного зрения. WASM может обеспечить значительное улучшение производительности по сравнению с JavaScript.
• Снизьте нагрузку на рендеринг: Оптимизация рендеринга всей вашей сцены, включая виртуальные объекты и меши плоскостей, критически важна. Используйте такие методы, как уровень детализации (LOD), отсечение невидимых объектов (occlusion culling) и сжатие текстур, чтобы уменьшить нагрузку на рендеринг.
• Профилируйте и оптимизируйте: Регулярно профилируйте ваше приложение с помощью инструментов разработчика в браузере для выявления узких мест в производительности. Оптимизируйте ваш код на основе результатов профилирования.

Кроссплатформенная совместимость

• Обнаружение функций: Используйте обнаружение функций, чтобы проверить, поддерживает ли устройство обнаружение плоскостей, прежде чем пытаться его использовать. Предусмотрите резервные механизмы или альтернативные впечатления для устройств, которые не поддерживают обнаружение плоскостей.
• ARCore и ARKit: Реализации WebXR обычно полагаются на базовые AR-фреймворки, такие как ARCore (для Android) и ARKit (для iOS). Помните о различиях в возможностях обнаружения плоскостей и производительности между этими фреймворками.
• Оптимизации для конкретных устройств: Рассмотрите возможность реализации оптимизаций для конкретных устройств, чтобы использовать уникальные возможности различных устройств.

Соображения доступности

Важно сделать AR-впечатления в WebXR доступными для пользователей с ограниченными возможностями. Для обнаружения плоскостей учтите следующее:

• Визуальная обратная связь: Предоставляйте четкую визуальную обратную связь при обнаружении плоскости, например, подсвечивая плоскость отчетливым цветом или узором. Это может помочь пользователям с плохим зрением понять окружающую среду.
• Аудиальная обратная связь: Предоставляйте аудиальную обратную связь, чтобы указать, когда плоскость обнаружена, например, звуковой эффект или словесное описание ориентации и размера плоскости.
• Альтернативные методы ввода: Предоставляйте альтернативные методы ввода для размещения виртуальных объектов, такие как голосовые команды или ввод с клавиатуры, в дополнение к сенсорным жестам.
• Регулируемое размещение: Позвольте пользователям настраивать положение и ориентацию виртуальных объектов для удовлетворения их индивидуальных потребностей и предпочтений.

Лучшие практики для разработки обнаружения плоскостей в WebXR для глобальной аудитории

Разработка приложений с обнаружением плоскостей в WebXR для глобальной аудитории требует тщательного учета культурных различий, языковой поддержки и различных возможностей устройств. Вот некоторые лучшие практики:

• Локализация: Локализуйте текстовый и аудиоконтент вашего приложения для поддержки разных языков. Используйте соответствующие форматы дат и чисел для разных регионов.
• Культурная чувствительность: Помните о культурных различиях в том, как пользователи воспринимают и взаимодействуют с AR-впечатлениями. Избегайте использования культурно чувствительных символов или изображений.
• Доступность: Следуйте рекомендациям по доступности, чтобы ваше приложение было удобным для использования людьми с ограниченными возможностями.
• Оптимизация производительности: Оптимизируйте производительность вашего приложения, чтобы оно плавно работало на широком спектре устройств.
• Тестирование: Тщательно тестируйте ваше приложение на разных устройствах и в разных средах, чтобы выявить и устранить любые проблемы. Рассмотрите возможность включения в процесс тестирования пользователей из разных регионов и культур.
• Конфиденциальность: Четко сообщайте пользователям, как используются их данные, и убедитесь, что вы соблюдаете соответствующие правила конфиденциальности.
• Предоставляйте четкие инструкции: Предоставляйте четкие и краткие инструкции по использованию приложения, учитывая различные уровни технической подготовки.

Примеры приложений с обнаружением плоскостей в WebXR

Обнаружение плоскостей в WebXR можно использовать для создания широкого спектра AR-приложений, включая:

• Визуализация мебели: Позволяет пользователям увидеть, как мебель будет выглядеть в их домах, прежде чем совершить покупку. IKEA Place — известный пример.
• Игры: Создает иммерсивные AR-игры, в которых виртуальные персонажи и объекты взаимодействуют с реальным миром.
• Образование: Предоставляет интерактивные образовательные впечатления, где студенты могут исследовать 3D-модели и симуляции в своей собственной среде. Например, визуализация солнечной системы на столе.
• Промышленные приложения: Позволяет работникам визуализировать инструкции, чертежи и другую информацию непосредственно в их поле зрения, повышая эффективность и точность.
• Розничная торговля: Позволяет клиентам примерять виртуальную одежду или аксессуары перед покупкой. Sephora Virtual Artist — хороший пример.
• Инструменты для измерений: Позволяет пользователям измерять расстояния и площади в реальном мире с помощью своих мобильных устройств.

Будущее обнаружения плоскостей в WebXR

Обнаружение плоскостей в WebXR — это быстро развивающаяся область. По мере того как устройства становятся более мощными, а алгоритмы компьютерного зрения совершенствуются, мы можем ожидать еще более точных и надежных возможностей обнаружения плоскостей в будущем. Некоторые потенциальные будущие разработки включают:

• Улучшенная точность обнаружения плоскостей: Более точное и надежное обнаружение плоскостей даже в сложных условиях.
• Семантическое понимание: Способность понимать семантическое значение обнаруженных плоскостей, например, различать разные типы поверхностей (например, дерево, металл, стекло).
• Реконструкция сцены: Способность создавать 3D-модель всей среды, а не только плоских поверхностей.
• Обнаружение плоскостей на основе ИИ: Использование ИИ и машинного обучения для улучшения производительности и точности обнаружения плоскостей.
• Интеграция с облачными сервисами: Интеграция с облачными сервисами для обеспечения совместных AR-впечатлений и общих виртуальных пространств.

Заключение

Обнаружение плоскостей в WebXR — это мощная технология, которая позволяет создавать иммерсивные и интерактивные AR-впечатления непосредственно в веб-браузерах. Освоив техники распознавания поверхностей и размещения в AR, разработчики могут создавать убедительные приложения, которые найдут отклик у глобальной аудитории. Учитывая оптимизацию производительности, доступность и культурную чувствительность, вы можете гарантировать, что ваши приложения WebXR будут удобны и приятны для людей со всего мира.

По мере того как технология WebXR продолжает развиваться, обнаружение плоскостей будет играть все более важную роль в формировании будущего дополненной реальности. Продолжайте экспериментировать, оставайтесь любопытными и продолжайте расширять границы возможного с WebXR!