WebXR Hit Test Manager: Реализация системы трассировки лучей для иммерсивных впечатлений

Появление технологий дополненной реальности (AR) и виртуальной реальности (VR) открыло захватывающие новые возможности для создания иммерсивных и интерактивных цифровых впечатлений. WebXR, JavaScript API для доступа к возможностям VR и AR в веб-браузерах, позволяет разработчикам по всему миру создавать такие впечатления на множестве устройств. Ключевым компонентом в создании привлекательных WebXR впечатлений является способность взаимодействовать с виртуальной средой. Именно здесь вступают в игру WebXR Hit Test Manager и трассировка лучей.

Что такое трассировка лучей и почему это важно?

Трассировка лучей в контексте WebXR — это метод, используемый для определения того, пересекается ли виртуальный луч (прямая линия) с реальной поверхностью, обнаруженной системой AR, или с виртуальным объектом в среде VR. Представьте, что вы светите лазерной указкой вокруг себя и видите, куда она попадает. WebXR Hit Test Manager предоставляет инструменты для выполнения этих трассировок лучей и получения результатов. Эта информация имеет решающее значение для различных видов взаимодействия, включая:

• Размещение объектов: Позволяет пользователям размещать виртуальные объекты на реальных поверхностях, например, ставить виртуальный стул в своей гостиной (AR). Представьте пользователя в Токио, виртуально декорирующего свою квартиру, прежде чем покупать мебель.
• Выбор цели и объектов: Позволяет пользователям выбирать виртуальные объекты или взаимодействовать с элементами пользовательского интерфейса с помощью виртуального указателя или руки (AR/VR). Представьте хирурга в Лондоне, использующего AR для наложения анатомической информации на пациента, выбирая определенные области для обзора.
• Навигация: Перемещение аватара пользователя по виртуальному миру путем указания на местоположение и инструкции для перемещения туда (VR). Музей в Париже может использовать VR, чтобы посетители могли перемещаться по историческим экспонатам.
• Распознавание жестов: Сочетание тестирования попаданий с отслеживанием рук для интерпретации жестов пользователя, таких как щипок для увеличения или свайп для прокрутки (AR/VR). Это может быть использовано на совместной встрече по дизайну в Сиднее, где участники вместе манипулируют виртуальными моделями.

Понимание WebXR Hit Test Manager

WebXR Hit Test Manager является неотъемлемой частью WebXR API, который облегчает трассировку лучей. Он предоставляет методы для создания и управления источниками проверки попаданий (hit test sources), которые определяют начало и направление луча. Затем менеджер использует эти источники для выполнения проверок попаданий в реальном мире (в AR) или в виртуальном мире (в VR) и возвращает информацию о любых пересечениях. Ключевые понятия включают:

• XRFrame: XRFrame представляет собой снимок XR-сцены во времени, включая позу наблюдателя и любые обнаруженные плоскости или особенности. Проверки попаданий выполняются относительно XRFrame.
• XRHitTestSource: Представляет источник трассируемого луча. Он определяет начало (где начинается луч) и направление (куда указывает луч). Вы обычно будете создавать один XRHitTestSource для каждого метода ввода (например, контроллер, рука).
• XRHitTestResult: Содержит информацию об успешном попадании, включая позу (положение и ориентацию) точки пересечения и расстояние от начала луча.
• XRHitTestTrackable: Представляет отслеживаемый объект (например, плоскость) в реальном мире.

Реализация базовой системы проверки попаданий

Давайте рассмотрим шаги по реализации базовой системы проверки попаданий WebXR с использованием JavaScript. Этот пример фокусируется на размещении объектов в AR, но принципы могут быть адаптированы для других сценариев взаимодействия.

Шаг 1: Запрос WebXR-сессии и поддержка проверки попаданий

Сначала вам нужно запросить WebXR-сессию и убедиться, что функция "hit-test" включена. Эта функция необходима для использования 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);
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Пояснение:

• `navigator.xr.requestSession('immersive-ar', ...)`: Запрашивает иммерсивную AR-сессию. Первый аргумент указывает тип сессии ('immersive-ar' для AR, 'immersive-vr' для VR).
• `requiredFeatures: ['hit-test']`: Критически важно, запрашивает функцию 'hit-test', включая Hit Test Manager.
• `xrSession.requestHitTestSource(...)`: Создает XRHitTestSource, определяя начало и направление луча. В этом базовом примере мы используем пространство отсчета 'viewer', которое соответствует точке зрения пользователя.

Шаг 2: Создание цикла рендеринга

Цикл рендеринга — это сердце вашего WebXR-приложения. Именно здесь вы обновляете сцену и рендерите каждый кадр. Внутри цикла рендеринга вы будете выполнять проверку попаданий и обновлять положение вашего виртуального объекта.

            
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);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Пояснение:

• `xrFrame.getHitTestResults(xrHitTestSource)`: Выполняет проверку попаданий с использованием ранее созданного XRHitTestSource. Возвращает массив объектов XRHitTestResult, представляющих все найденные пересечения.
• `hitTestResults[0]`: Мы берем первый результат попадания. В более сложных сценариях вы можете захотеть перебрать все результаты и выбрать наиболее подходящий.
• `hit.getPose(xrReferenceSpace)`: Получает позу (положение и ориентацию) попадания в указанном пространстве отсчета.
• `object3D.position.set(...)` и `object3D.quaternion.set(...)`: Обновляет положение и ориентацию вашего виртуального объекта (object3D) в соответствии с позой попадания. Это размещает объект в точке пересечения.
• `object3D.visible = true/false`: Управляет видимостью виртуального объекта, делая его видимым только при обнаружении попадания.

Шаг 3: Настройка вашей 3D-сцены (пример с Three.js)

В этом примере используется Three.js, популярная JavaScript-библиотека для 3D-графики, для создания простой сцены с кубом. Вы можете адаптировать это для использования других библиотек, таких как Babylon.js или 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();

            

              
                Copy
              
            
          

Важно: Убедитесь, что вы включили библиотеку Three.js в свой HTML-файл:

            


            

              
                Copy
              
            
          

Продвинутые техники и оптимизации

Базовая реализация выше предоставляет основу для проверки попаданий в WebXR. Вот некоторые продвинутые техники и оптимизации, которые следует учитывать при создании более сложных впечатлений:

1. Фильтрация результатов проверки попаданий

В некоторых случаях вам может понадобиться отфильтровать результаты проверки попаданий, чтобы учитывать только определенные типы поверхностей. Например, вы можете разрешить размещение объектов только на горизонтальных поверхностях (полах или столах). Этого можно добиться, изучив вектор нормали позы попадания и сравнив его с вектором "вверх".

            
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;
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

2. Использование временных источников ввода

Для более продвинутых методов ввода, таких как отслеживание рук, вы обычно будете использовать временные источники ввода. Временные источники ввода представляют собой временные события ввода, такие как касание пальца или жест рукой. WebXR Input API позволяет вам получить доступ к этим событиям и создавать источники проверки попаданий на основе положения руки пользователя.

            
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
    });
  }
});

            

              
                Copy
              
            
          

3. Оптимизация производительности

WebXR-впечатления могут быть ресурсоемкими, особенно на мобильных устройствах. Вот несколько советов по оптимизации производительности:

• Уменьшите частоту проверок попаданий: Выполнение проверок попаданий в каждом кадре может быть дорогостоящим. Рассмотрите возможность уменьшения частоты, особенно если движение пользователя медленное. Вы можете использовать таймер или выполнять проверки попаданий только тогда, когда пользователь инициирует действие.
• Используйте иерархию ограничивающих объемов (BVH): Если у вас сложная сцена со множеством объектов, использование BVH может значительно ускорить обнаружение столкновений. Three.js и Babylon.js предлагают реализации BVH.
• LOD (Уровень детализации): Используйте разные уровни детализации для ваших 3D-моделей в зависимости от их расстояния до камеры. Это уменьшает количество полигонов, которые нужно рендерить для удаленных объектов.
• Отсечение скрытых поверхностей (Occlusion Culling): Не рендерите объекты, которые скрыты за другими объектами. Это может значительно улучшить производительность в сложных сценах.

4. Работа с различными пространствами отсчета

WebXR поддерживает различные пространства отсчета, которые определяют систему координат, используемую для отслеживания положения и ориентации пользователя. Наиболее распространенные пространства отсчета:

• Local (локальное): Начало системы координат фиксировано относительно начального положения пользователя. Это подходит для впечатлений, где пользователь остается в небольшой области.
• Bounded-floor (ограниченное-пол): Начало находится на уровне пола, а плоскость XZ представляет собой пол. Это подходит для впечатлений, где пользователь может перемещаться по комнате.
• Unbounded (неограниченное): Начало не фиксировано, и пользователь может свободно перемещаться. Это подходит для крупномасштабных AR-впечатлений.

Выбор подходящего пространства отсчета важен для обеспечения правильной работы вашего WebXR-впечатления в различных средах. Вы можете запросить конкретное пространство отсчета при создании XR-сессии.

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

            

              
                Copy
              
            
          

5. Работа с совместимостью устройств

WebXR — относительно новая технология, и не все браузеры и устройства поддерживают ее одинаково. Важно проверять поддержку WebXR перед попыткой инициализации WebXR-сессии.

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

            

              
                Copy
              
            
          

Вы также должны протестировать свое WebXR-впечатление на различных устройствах, чтобы убедиться, что оно работает правильно.

Соображения по интернационализации

При разработке WebXR-приложений для глобальной аудитории важно учитывать интернационализацию (i18n) и локализацию (l10n).

• Текст и элементы пользовательского интерфейса: Используйте библиотеку локализации для перевода текста и элементов пользовательского интерфейса на разные языки. Убедитесь, что макет вашего пользовательского интерфейса может вместить текст разной длины. Например, немецкие слова, как правило, длиннее английских.
• Единицы измерения: Используйте соответствующие единицы измерения для разных регионов. Например, используйте метры и километры в большинстве стран, но футы и мили в США и Великобритании. Позвольте пользователям выбирать предпочитаемые единицы измерения.
• Форматы даты и времени: Используйте соответствующие форматы даты и времени для разных регионов. Например, используйте формат ГГГГ-ММ-ДД в некоторых странах и формат ММ/ДД/ГГГГ в других.
• Валюты: Отображайте валюты в соответствующем формате для разных регионов. Используйте библиотеку для обработки конвертации валют.
• Культурная чувствительность: Помните о культурных различиях и избегайте использования изображений, символов или языка, которые могут быть оскорбительными для некоторых культур. Например, определенные жесты рук могут иметь разные значения в разных культурах.

Инструменты и ресурсы для разработки WebXR

Несколько инструментов и ресурсов могут помочь вам в разработке WebXR:

• Three.js: Популярная JavaScript-библиотека для 3D-графики для создания впечатлений на основе WebGL.
• Babylon.js: Ещё один мощный JavaScript-движок для 3D-графики с акцентом на поддержку WebXR.
• A-Frame: Веб-фреймворк для создания VR-впечатлений с использованием HTML.
• WebXR Emulator: Расширение для браузера, которое позволяет тестировать WebXR-впечатления без физического VR- или AR-устройства.
• WebXR Device API Specification: Официальная спецификация WebXR от W3C.
• Mozilla Mixed Reality Blog: Отличный ресурс для изучения WebXR и связанных технологий.

Заключение

WebXR Hit Test Manager — это мощный инструмент для создания интерактивных и иммерсивных AR/VR-впечатлений. Понимая концепции трассировки лучей и API проверки попаданий, вы можете создавать убедительные приложения, которые позволяют пользователям взаимодействовать с виртуальным миром естественным и интуитивно понятным способом. Поскольку технология WebXR продолжает развиваться, возможности для создания инновационных и увлекательных впечатлений безграничны. Не забудьте оптимизировать свой код для повышения производительности и учитывать интернационализацию при разработке для глобальной аудитории. Примите вызовы и награды создания следующего поколения иммерсивных веб-впечатлений.