Движок оптимизации тестирования попаданий WebXR: Улучшение трассировки лучей

WebXR совершает революцию в нашем взаимодействии с вебом, предоставляя иммерсивный опыт непосредственно в браузере. Ключевым компонентом многих приложений WebXR, особенно тех, что связаны с дополненной реальностью (AR), является тестирование попаданий. Тестирование попаданий определяет, пересекается ли луч, обычно исходящий от взгляда пользователя или контроллера, с поверхностью реального мира. Это взаимодействие критически важно для размещения виртуальных объектов, взаимодействия с цифровым контентом, наложенным на физический мир, и запуска событий на основе пользовательского взаимодействия. Однако тестирование попаданий может быть вычислительно затратным, особенно в сложных средах или при частом выполнении. Поэтому оптимизация процесса тестирования попаданий является первостепенной задачей для обеспечения плавного и отзывчивого пользовательского опыта. Эта статья углубляется в тонкости методов улучшения трассировки лучей для оптимизации тестирования попаданий в WebXR, предоставляя действенные стратегии для улучшения производительности ваших WebXR-приложений.

Понимание тестирования попаданий в WebXR

Прежде чем углубляться в стратегии оптимизации, крайне важно понять, как работает тестирование попаданий в WebXR. WebXR Device API предоставляет методы для выполнения тестирования попаданий относительно базовой реальности. Эти методы, по сути, выпускают луч из точки обзора пользователя (или положения и ориентации контроллера) в сцену и определяют, пересекается ли он с какими-либо обнаруженными плоскостями или функциями. Эта точка пересечения, если найдена, предоставляет информацию о местоположении и ориентации поверхности, позволяя разработчикам размещать виртуальные объекты или инициировать взаимодействия в этой точке.

Основными методами, используемыми для тестирования попаданий, являются:

• XRFrame.getHitTestResults(XRHitTestSource): Извлекает результаты тестирования попаданий, возвращая массив объектов XRHitTestResult. Каждый XRHitTestResult представляет собой точку пересечения.
• XRHitTestSource: Интерфейс, используемый для создания и управления источниками тестирования попаданий, определяющий начало и направление луча.

На производительность этих тестов попадания могут существенно влиять несколько факторов, в том числе:

• Сложность сцены: Более сложные сцены с большим количеством полигонов требуют большей вычислительной мощности для определения пересечений лучей.
• Частота тестирования попаданий: Выполнение тестирования попаданий в каждом кадре может нагружать ресурсы устройства, особенно на мобильных устройствах.
• Точность обнаружения объектов: Неточная или неполная функция обнаружения может привести к неверным результатам тестирования попаданий и потере времени обработки.

Методы оптимизации трассировки лучей

Оптимизация трассировки лучей предполагает снижение вычислительных затрат на определение пересечений лучей. Для достижения этой цели можно использовать несколько методов:

1. Иерархии ограничивающих объемов (BVH)

Иерархия ограничивающих объемов (BVH) — это древовидная структура данных, которая организует геометрию сцены в иерархию ограничивающих объемов. Эти ограничивающие объемы обычно представляют собой простые формы, такие как коробки или сферы, которые заключают группы треугольников. При выполнении трассировки лучей алгоритм сначала проверяет пересечения с ограничивающими объемами. Если луч не пересекает ограничивающий объем, все поддерево, содержащееся в этом объеме, может быть пропущено, что значительно сокращает количество необходимых тестов на пересечение треугольника и луча.

Пример: Представьте, что вы размещаете несколько виртуальных предметов мебели в комнате с помощью AR. BVH может организовать эти предметы в группы на основе их близости. Когда пользователь нажимает на пол, чтобы разместить новый объект, трассировка лучей сначала проверяет, пересекается ли она с ограничивающим объемом, охватывающим всю мебель. Если нет, трассировка лучей может быстро пропустить проверку отдельных предметов мебели, которые находятся дальше.

Реализация BVH обычно включает следующие шаги:

1. Построение BVH: Рекурсивно разбивайте геометрию сцены на более мелкие группы, создавая ограничивающие объемы для каждой группы.
2. Обход BVH: Начиная с корня, обходите BVH, проверяя пересечения луча и ограничивающего объема.
3. Тестирование треугольников: Тестируйте треугольники только в пределах ограничивающих объемов, которые пересекаются с лучом.

Библиотеки, такие как three-mesh-bvh для Three.js и аналогичные библиотеки для других фреймворков WebGL, предоставляют готовые реализации BVH, упрощая процесс.

2. Пространственное разбиение

Методы пространственного разбиения делят сцену на дискретные области, такие как октодеревья или KD-деревья. Эти методы позволяют быстро определить, какие области сцены, вероятно, будут пересечены лучом, уменьшая количество объектов, которые необходимо проверить на пересечение.

Пример: Рассмотрим AR-приложение, которое позволяет пользователям исследовать виртуальную музейную выставку, наложенную на их физическое окружение. Подход пространственного разбиения мог бы разделить выставочное пространство на более мелкие ячейки. Когда пользователь перемещает свое устройство, приложению нужно проверять пересечения лучей только с объектами, содержащимися в ячейках, которые в данный момент находятся в поле зрения пользователя.

Распространенные методы пространственного разбиения включают:

• Октодеревья: Рекурсивно делят пространство на восемь октантов.
• KD-деревья: Рекурсивно делят пространство вдоль различных осей.
• Разбиение на основе сетки: Делят пространство на однородную сетку ячеек.

Выбор метода пространственного разбиения зависит от специфических характеристик сцены. Октодеревья хорошо подходят для сцен с неравномерным распределением объектов, в то время как KD-деревья могут быть более эффективными для сцен с относительно равномерным распределением объектов. Разбиение на основе сетки просто в реализации, но может быть не столь эффективно для сцен с сильно варьирующейся плотностью объектов.

3. Тестирование пересечений от грубого к детальному

Этот метод предполагает выполнение серии тестов пересечений с возрастающими уровнями детализации. Первоначальные тесты выполняются с упрощенными представлениями объектов, такими как ограничивающие сферы или коробки. Если луч не пересекает упрощенное представление, объект может быть отброшен. Только если луч пересекает упрощенное представление, выполняется более детальный тест пересечения с фактической геометрией объекта.

Пример: При размещении виртуального растения в AR-саду первоначальный тест попадания может использовать простой ограничивающий параллелепипед вокруг модели растения. Если луч пересекает ограничивающий параллелепипед, то может быть выполнен более точный тест попадания с использованием фактической геометрии листьев и стебля растения. Если луч не пересекает ограничивающий параллелепипед, более сложный тест попадания пропускается, экономя ценное время обработки.

Ключ к тестированию пересечений от грубого к детальному заключается в выборе подходящих упрощенных представлений, которые быстро проверяются и эффективно отсеивают объекты, которые вряд ли будут пересечены.

4. Отсечение по усеченной пирамиде (Frustum Culling)

Отсечение по усеченной пирамиде (Frustum culling) — это метод, используемый для отбрасывания объектов, находящихся за пределами поля зрения камеры (усеченной пирамиды обзора). Перед выполнением тестов попадания объекты, которые не видны пользователю, могут быть исключены из расчетов, что снижает общую вычислительную нагрузку.

Пример: В приложении WebXR, которое имитирует виртуальный выставочный зал, отсечение по усеченной пирамиде может быть использовано для исключения мебели и других объектов, которые в данный момент находятся за спиной пользователя или вне его поля зрения. Это значительно сокращает количество объектов, которые необходимо учитывать при тестировании попаданий, улучшая производительность.

Реализация отсечения по усеченной пирамиде включает следующие шаги:

1. Определите усеченную пирамиду: Вычислите плоскости, определяющие поле зрения камеры.
2. Проверьте границы объектов: Определите, находится ли ограничивающий объем каждого объекта внутри усеченной пирамиды.
3. Отбросьте объекты: Исключите объекты, находящиеся за пределами усеченной пирамиды, из расчетов тестирования попаданий.

5. Временная когерентность

Временная когерентность использует тот факт, что положение и ориентация пользователя и объектов в сцене обычно постепенно меняются со временем. Это означает, что результаты тестов попаданий из предыдущих кадров часто могут быть использованы для прогнозирования результатов тестов попаданий в текущем кадре. Используя временную когерентность, вы можете уменьшить частоту выполнения полных тестов попаданий.

Пример: Если пользователь размещает виртуальный маркер на столе с помощью AR, и пользователь немного перемещается, весьма вероятно, что маркер все еще находится на столе. Вместо выполнения полного теста попадания для подтверждения этого, вы можете экстраполировать положение маркера на основе движения пользователя и выполнять полный тест попадания только в том случае, если движение пользователя значительно или если маркер, по-видимому, переместился со стола.

Методы использования временной когерентности включают:

• Кэширование результатов тестирования попаданий: Храните результаты тестирования попаданий из предыдущих кадров и повторно используйте их, если положение и ориентация пользователя существенно не изменились.
• Экстраполяция положений объектов: Прогнозируйте положения объектов на основе их предыдущих положений и скоростей.
• Использование предсказания движения: Применяйте алгоритмы предсказания движения для предвидения движений пользователя и соответствующей корректировки параметров тестирования попаданий.

6. Адаптивная частота тестирования попаданий

Вместо выполнения тестов попаданий с фиксированной частотой вы можете динамически регулировать частоту в зависимости от активности пользователя и производительности приложения. Когда пользователь активно взаимодействует со сценой или когда приложение работает плавно, частота тестов попаданий может быть увеличена для обеспечения более отзывчивой обратной связи. И наоборот, когда пользователь бездействует или когда приложение испытывает проблемы с производительностью, частота тестов попаданий может быть уменьшена для экономии ресурсов.

Пример: В игре WebXR, где пользователь стреляет виртуальными снарядами, частота тестирования попаданий может быть увеличена, когда пользователь целится и стреляет, и уменьшена, когда пользователь просто перемещается по окружению.

Факторы, которые следует учитывать при регулировке частоты тестирования попаданий, включают:

• Активность пользователя: Увеличивайте частоту, когда пользователь активно взаимодействует со сценой.
• Производительность приложения: Уменьшайте частоту, когда приложение испытывает проблемы с производительностью.
• Возможности устройства: Регулируйте частоту в зависимости от возможностей устройства пользователя.

7. Оптимизация алгоритмов трассировки лучей

Сами базовые алгоритмы трассировки лучей могут быть оптимизированы для повышения производительности. Это может включать использование инструкций SIMD (Single Instruction, Multiple Data) для одновременной обработки нескольких лучей или применение более эффективных алгоритмов тестирования пересечений.

Пример: Использование оптимизированных алгоритмов пересечения луча и треугольника, таких как алгоритм Мёллера-Трумбора, широко известный своей скоростью и эффективностью, может обеспечить значительный прирост производительности. Инструкции SIMD позволяют параллельно обрабатывать векторные операции, которые часто встречаются в трассировке лучей, еще больше ускоряя процесс.

8. Профилирование и мониторинг

Крайне важно профилировать и отслеживать производительность вашего WebXR-приложения для выявления узких мест и областей для оптимизации. Используйте инструменты разработчика браузера или специализированные инструменты профилирования для измерения времени, затрачиваемого на выполнение тестов попаданий и других критически важных для производительности операций. Эти данные помогут вам определить наиболее эффективные области для сосредоточения усилий по оптимизации.

Пример: Вкладка "Performance" в Chrome DevTools может использоваться для записи сеанса WebXR. Затем можно проанализировать представление временной шкалы, чтобы определить периоды высокой загрузки ЦП, связанные с тестированием попаданий. Это позволяет целенаправленно оптимизировать конкретные разделы кода, вызывающие узкое место в производительности.

Основные метрики для мониторинга включают:

• Частота кадров: Измеряйте количество кадров, отображаемых в секунду.
• Длительность теста попаданий: Измеряйте время, затрачиваемое на выполнение тестов попаданий.
• Использование ЦП: Мониторьте загрузку ЦП приложением.
• Использование памяти: Отслеживайте потребление памяти приложением.

Примеры кода

Ниже приведен упрощенный пример кода с использованием Three.js, демонстрирующий базовую трассировку лучей:

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 ) { // Обработка пересечения console.log("Пересечение найдено:", intersects[0].object); } } window.addEventListener( 'mousemove', onMouseMove, false );

Этот пример настраивает рейкастер, который обновляется на основе движения мыши и пересекается со всеми объектами на сцене. Хотя это просто, такая реализация может быстро стать интенсивной по производительности. Ниже показано, как реализовать структуру BVH с помощью `three-mesh-bvh` и ограничить количество объектов для тестирования:

import { MeshBVH, Ray } from 'three-mesh-bvh'; // Предположим, что `mesh` — это ваш Mesh из Three.js 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 ожидает объект Ray 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 ); //Использование raycast непосредственно на BVH if ( intersects ) { // Обработка пересечения console.log("Пересечение найдено:", mesh); } } window.addEventListener( 'mousemove', onMouseMove, false );

Этот пример демонстрирует, как интегрировать BVH с трассировкой лучей, используя three-mesh-bvh. Он строит дерево BVH для геометрии меша, а затем использует `bvh.raycast` для более быстрых проверок пересечений. Это позволяет избежать накладных расходов на проверку луча с каждым треугольником в сцене.

Лучшие практики для оптимизации тестирования попаданий в WebXR

Вот краткий обзор лучших практик по оптимизации тестирования попаданий в WebXR:

• Используйте иерархию ограничивающих объемов (BVH) или другую технику пространственного разбиения.
• Реализуйте тестирование пересечений от грубого к детальному.
• Применяйте отсечение по усеченной пирамиде для отбрасывания объектов за пределами экрана.
• Используйте временную когерентность для уменьшения частоты тестов попаданий.
• Адаптируйте частоту тестов попаданий в зависимости от активности пользователя и производительности приложения.
• Оптимизируйте алгоритмы трассировки лучей, используя такие методы, как SIMD.
• Профилируйте и отслеживайте ваше приложение для выявления узких мест.
• Рассмотрите использование асинхронных тестов попаданий, где это уместно, чтобы избежать блокировки основного потока.
• Минимизируйте количество объектов в сцене или упростите их геометрию.
• Используйте оптимизированные методы рендеринга WebGL для улучшения общей производительности.

Глобальные аспекты разработки WebXR

При разработке WebXR-приложений для глобальной аудитории важно учитывать следующее:

• Разнообразие устройств: Приложения WebXR должны быть разработаны для бесперебойной работы на широком спектре устройств, от высокопроизводительных ПК до бюджетных мобильных телефонов. Это может включать использование адаптивных методов рендеринга или предоставление различных уровней детализации в зависимости от возможностей устройства.
• Подключение к сети: В некоторых регионах сетевое подключение может быть ограничено или ненадежно. Приложения WebXR должны быть устойчивы к сбоям сети и минимизировать объем данных, которые необходимо передавать по сети.
• Локализация: Приложения WebXR должны быть локализованы для разных языков и культур. Это включает перевод текста, адаптацию элементов пользовательского интерфейса и использование соответствующих культурных отсылок.
• Доступность: Приложения WebXR должны быть доступны для пользователей с ограниченными возможностями. Это может включать предоставление альтернативных методов ввода, таких как голосовое управление или отслеживание взгляда, и обеспечение совместимости приложения со вспомогательными технологиями.
• Конфиденциальность данных: Помните о правилах конфиденциальности данных в разных странах и регионах. Получите согласие пользователя перед сбором или хранением каких-либо персональных данных.

Пример: AR-приложение, демонстрирующее исторические достопримечательности, должно учитывать разнообразие устройств, предлагая текстуры более низкого разрешения и упрощенные 3D-модели на мобильных устройствах низшего ценового сегмента для поддержания плавной частоты кадров. Оно также должно быть локализовано для поддержки разных языков, отображая описания достопримечательностей на предпочитаемом пользователем языке и адаптируя пользовательский интерфейс для языков с письмом справа налево, если это необходимо.

Заключение

Оптимизация тестирования попаданий в WebXR критически важна для обеспечения плавного, отзывчивого и приятного пользовательского опыта. Понимая основные принципы трассировки лучей и применяя методы, изложенные в этой статье, вы сможете значительно улучшить производительность своих WebXR-приложений и создавать иммерсивные впечатления, доступные более широкой аудитории. Не забывайте профилировать свое приложение, отслеживать его производительность и адаптировать стратегии оптимизации к конкретным характеристикам вашей сцены и целевых устройств. По мере развития экосистемы WebXR будут появляться новые и инновационные методы оптимизации. Следить за последними достижениями и лучшими практиками будет необходимо для разработки высокопроизводительных WebXR-приложений, которые расширяют границы иммерсивного веб-опыта.