Глибоке занурення у WebXR Depth Sensing: Опанування конфігурації буфера глибини

Веб еволюціонує з двовимірної площини інформації у тривимірний, імерсивний простір. На передньому краї цієї трансформації знаходиться WebXR — потужний API, що приносить віртуальну та доповнену реальність у браузер. Хоча ранні AR-досвіди в Інтернеті були вражаючими, вони часто відчувалися відірваними від реального світу. Віртуальні об'єкти непереконливо плавали у просторі, проходячи крізь реальні меблі та стіни без відчуття присутності.

І тут з'являється WebXR Depth Sensing API. Ця революційна функція є монументальним кроком уперед, що дозволяє веб-додаткам розуміти геометрію оточення користувача. Вона долає розрив між цифровим та фізичним, уможливлюючи по-справжньому імерсивні та інтерактивні досвіди, де віртуальний контент поважає закони та розташування реального світу. Ключ до розкриття цієї потужності лежить у розумінні та правильній конфігурації буфера глибини.

Цей вичерпний посібник призначений для глобальної аудиторії веб-розробників, ентузіастів XR та креативних технологів. Ми розглянемо основи визначення глибини, розберемо параметри конфігурації WebXR API та надамо практичні, покрокові інструкції для реалізації передових функцій AR, таких як реалістична оклюзія та фізика. Наприкінці ви отримаєте знання для опанування конфігурації буфера глибини та створення наступного покоління переконливих, контекстно-залежних WebXR-додатків.

Розуміння основних концепцій

Перш ніж занурюватися у специфіку API, вкрай важливо створити міцний фундамент. Давайте розвіємо міфи навколо основних концепцій, що лежать в основі доповненої реальності з урахуванням глибини.

Що таке карта глибини?

Уявіть, що ви дивитеся на кімнату. Ваш мозок без зусиль обробляє сцену, розуміючи, що стіл знаходиться ближче, ніж стіна, а стілець — перед столом. Карта глибини є цифровим представленням цього розуміння. По суті, карта глибини — це 2D-зображення, де значення кожного пікселя представляє не колір, а відстань цієї точки у фізичному світі від сенсора (камери вашого пристрою).

Думайте про це як про зображення у відтінках сірого: темніші пікселі можуть представляти об'єкти, що знаходяться дуже близько, тоді як світліші пікселі представляють об'єкти, що знаходяться далеко (або навпаки, залежно від домовленості). Ці дані зазвичай збираються спеціалізованим обладнанням, таким як:

• Сенсори Time-of-Flight (ToF): Ці сенсори випромінюють імпульс інфрачервоного світла і вимірюють час, необхідний для того, щоб світло відбилося від об'єкта і повернулося. Ця різниця в часі безпосередньо перетворюється на відстань.
• LiDAR (Light Detection and Ranging): Схожий на ToF, але часто більш точний, LiDAR використовує лазерні імпульси для створення хмари точок високої роздільної здатності оточення, яка потім перетворюється на карту глибини.
• Стереоскопічні камери: Використовуючи дві або більше камер, пристрій може імітувати бінокулярний зір людини. Він аналізує відмінності (диспаратність) між зображеннями з кожної камери для обчислення глибини.

WebXR API абстрагує базове обладнання, надаючи розробникам стандартизовану карту глибини для роботи, незалежно від пристрою.

Чому визначення глибини є вирішальним для AR?

Проста карта глибини відкриває світ можливостей, які фундаментально змінюють AR-досвід користувача, піднімаючи його з рівня новинки до справді правдоподібної взаємодії.

• Оклюзія: Це, мабуть, найважливіша перевага. Оклюзія — це здатність об'єктів реального світу затуляти віртуальні об'єкти. Завдяки карті глибини ваш додаток знає точну відстань до реальної поверхні для кожного пікселя. Якщо віртуальний об'єкт, який ви рендерите, знаходиться далі, ніж реальна поверхня в тому ж пікселі, ви можете просто не малювати його. Ця проста дія дозволяє віртуальному персонажу переконливо пройти за реальним диваном або цифровому м'ячу закотитися під реальний стіл, створюючи глибоке відчуття інтеграції.
• Фізика та взаємодії: Статичний віртуальний об'єкт цікавий, але інтерактивний — захоплюючий. Визначення глибини дозволяє реалістично симулювати фізику. Віртуальний м'яч може відбиватися від реальної підлоги, цифровий персонаж може пересуватися навколо справжніх меблів, а віртуальну фарбу можна розбризкувати на фізичну стіну. Це створює динамічний та чутливий досвід.
• Реконструкція сцени: Аналізуючи карту глибини з часом, додаток може побудувати спрощену 3D-сітку (меш) оточення. Це геометричне розуміння є життєво важливим для просунутого AR, уможливлюючи такі функції, як реалістичне освітлення (відкидання тіней на реальні поверхні) та інтелектуальне розміщення об'єктів (розміщення віртуальної вази на реальному столі).
• Покращений реалізм: Зрештою, всі ці функції сприяють більш реалістичному та імерсивному досвіду. Коли цифровий контент визнає фізичний простір користувача та взаємодіє з ним, він руйнує бар'єр між світами та посилює відчуття присутності.

Огляд WebXR Depth Sensing API

Модуль Depth Sensing є розширенням основного WebXR Device API. Як і багато передових веб-технологій, він може бути не ввімкнений за замовчуванням у всіх браузерах і може вимагати спеціальних прапорців або бути частиною Origin Trial. Важливо створювати ваш додаток захищено, завжди перевіряючи наявність підтримки перед спробою використання цієї функції.

Перевірка підтримки

Перш ніж ви зможете запитати сесію, ви повинні спочатку запитати у браузера, чи підтримує він режим 'immersive-ar' з функцією 'depth-sensing'. Це робиться за допомогою методу `navigator.xr.isSessionSupported()`.

async function checkDepthSensingSupport() {
  if (!navigator.xr) {
    console.log("WebXR недоступний.");
    return false;
  }

  try {
    const supported = await navigator.xr.isSessionSupported('immersive-ar');
    if (supported) {
        // Тепер перевіряємо наявність конкретної функції
        const session = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
            requiredFeatures: ['depth-sensing']
        });
        // Якщо це вдалося, функція підтримується. Можна завершити тестову сесію.
        await session.end();
        console.log("WebXR AR з Depth Sensing підтримується!");
        return true;
    } else {
        console.log("WebXR AR не підтримується на цьому пристрої.");
        return false;
    }
  } catch (error) {
    console.log("Помилка під час перевірки підтримки Depth Sensing:", error);
    return false;
  }
}

Більш прямий, хоча й менш повний, спосіб — це спробувати запитати сесію напряму і перехопити помилку, але вищевказаний метод є більш надійним для попередньої перевірки можливостей.

Запит сесії

Після підтвердження підтримки ви запитуєте XR-сесію, включаючи 'depth-sensing' у масив `requiredFeatures` або `optionalFeatures`. Ключовим моментом є передача об'єкта конфігурації разом з назвою функції, де ми визначаємо наші уподобання.

async function startXRSession() {
  const session = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
    requiredFeatures: ['local-floor', 'dom-overlay'], // інші поширені функції
    optionalFeatures: [
      {
        name: 'depth-sensing',
        usagePreference: ['cpu-optimized', 'gpu-optimized'],
        dataFormatPreference: ['float32', 'luminance-alpha']
      }
    ]
  });
  // ... продовжити налаштування сесії
}

Зверніть увагу, що 'depth-sensing' тепер є об'єктом. Саме тут ми надаємо браузеру наші підказки щодо конфігурації. Давайте розберемо ці критичні опції.

Конфігурація буфера глибини: Серце питання

Сила Depth Sensing API полягає в його гнучкості. Ви можете повідомити браузеру, як ви збираєтеся використовувати дані глибини, дозволяючи йому надати інформацію в найефективнішому форматі для вашого випадку використання. Ця конфігурація відбувається в об'єкті-дескрипторі функції, переважно через дві властивості: `usagePreference` та `dataFormatPreference`.

`usagePreference`: CPU чи GPU?

Властивість `usagePreference` — це масив рядків, який сигналізує про ваш основний випадок використання для User Agent (UA), тобто браузера. Це дозволяє системі оптимізувати продуктивність, точність та енергоспоживання. Ви можете запросити кілька варіантів використання, впорядкованих за перевагою.

'gpu-optimized'

• Що це означає: Ви повідомляєте браузеру, що ваша основна мета — використовувати дані глибини безпосередньо на GPU, найімовірніше, в шейдерах для цілей рендерингу.
• Як надаються дані: Карта глибини буде доступна як `WebGLTexture`. Це неймовірно ефективно, оскільки даним не потрібно залишати пам'ять GPU для використання в рендерингу.
• Основний випадок використання: Оклюзія. Вибираючи цю текстуру у вашому фрагментному шейдері, ви можете порівняти глибину реального світу з глибиною вашого віртуального об'єкта і відкинути фрагменти, які мають бути приховані. Це також корисно для інших ефектів на базі GPU, таких як частинки, що враховують глибину, або реалістичні тіні.
• Продуктивність: Це найпродуктивніший варіант для завдань рендерингу. Він уникає величезного вузького місця передачі великих обсягів даних з GPU на CPU кожного кадру.

'cpu-optimized'

• Що це означає: Вам потрібно отримати доступ до необроблених значень глибини безпосередньо у вашому коді JavaScript на CPU.
• Як надаються дані: Карта глибини буде доступна як `ArrayBuffer`, доступний з JavaScript. Ви можете читати, розбирати та аналізувати кожне окреме значення глибини.
• Основні випадки використання: Фізика, виявлення зіткнень та аналіз сцени. Наприклад, ви можете виконати рейкастинг, щоб знайти 3D-координати точки, на яку торкнувся користувач, або ви можете проаналізувати дані для пошуку плоских поверхонь, таких як столи або підлоги, для розміщення об'єктів.
• Продуктивність: Цей варіант має значну вартість для продуктивності. Дані глибини повинні бути скопійовані з сенсора/GPU пристрою в основну пам'ять системи для доступу CPU. Виконання складних обчислень на цьому великому масиві даних кожного кадру в JavaScript може легко призвести до проблем з продуктивністю та низької частоти кадрів. Його слід використовувати свідомо та економно.

Рекомендація: Завжди запитуйте 'gpu-optimized', якщо плануєте реалізувати оклюзію. Ви можете запитати обидва, наприклад: `['gpu-optimized', 'cpu-optimized']`. Браузер спробує виконати ваше перше уподобання. Ваш код повинен бути достатньо надійним, щоб перевірити, яка модель використання була фактично надана системою, і обробляти обидва випадки.

`dataFormatPreference`: Точність проти сумісності

Властивість `dataFormatPreference` — це масив рядків, який вказує на бажаний формат даних та точність значень глибини. Цей вибір впливає як на точність, так і на апаратну сумісність.

'float32'

• Що це означає: Кожне значення глибини — це повноцінне 32-бітне число з плаваючою комою.
• Як це працює: Значення безпосередньо представляє відстань у метрах. Немає потреби в декодуванні; ви можете використовувати його як є. Наприклад, значення 1.5 у буфері означає, що точка знаходиться на відстані 1.5 метра.
• Переваги: Висока точність і надзвичайно просте використання як у шейдерах, так і в JavaScript. Це ідеальний формат для точності.
• Недоліки: Вимагає WebGL 2 та апаратного забезпечення, що підтримує текстури з плаваючою комою (як розширення `OES_texture_float`). Цей формат може бути недоступний на всіх, особливо на старих, мобільних пристроях.

'luminance-alpha'

• Що це означає: Це формат, розроблений для сумісності з WebGL 1 та апаратним забезпеченням, яке не підтримує float-текстури. Він використовує два 8-бітних канали (яскравість та альфа) для зберігання 16-бітного значення глибини.
• Як це працює: Необроблене 16-бітне значення глибини розбивається на дві 8-бітні частини. Щоб отримати фактичну глибину, ви повинні рекомбінувати ці частини у своєму коді. Формула зазвичай така: `decodedValue = luminanceValue + alphaValue / 255.0`. Результатом є нормалізоване значення між 0.0 і 1.0, яке потім потрібно масштабувати за допомогою окремого коефіцієнта, щоб отримати відстань у метрах.
• Переваги: Набагато ширша апаратна сумісність. Це надійний запасний варіант, коли 'float32' не підтримується.
• Недоліки: Вимагає додаткового кроку декодування у вашому шейдері або JavaScript, що додає незначну складність. Він також пропонує нижчу точність (16-біт) порівняно з 'float32'.

Рекомендація: Запитуйте обидва, з найбільш бажаним форматом на першому місці: `['float32', 'luminance-alpha']`. Це повідомляє браузеру, що ви віддаєте перевагу високоточному формату, але можете впоратися з більш сумісним, якщо це необхідно. Знову ж таки, ваш додаток повинен перевірити, який формат був наданий, і застосувати правильну логіку для обробки даних.

Практична реалізація: Покроковий посібник

Тепер давайте об'єднаємо ці концепції в практичну реалізацію. Ми зосередимося на найпоширенішому випадку використання: реалістичній оклюзії з використанням оптимізованого для GPU буфера глибини.

Крок 1: Налаштування надійного запиту XR-сесії

Ми запитаємо сесію з нашими ідеальними уподобаннями, але спроєктуємо наш додаток так, щоб він міг обробляти альтернативи.

let xrSession = null;
let xrDepthInfo = null;

async function onXRButtonClick() {
  try {
    xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', {
      requiredFeatures: ['local-floor'],
      domOverlay: { root: document.body }, // Приклад іншої функції
      depthSensing: {
        usagePreference: ['gpu-optimized'],
        dataFormatPreference: ['float32', 'luminance-alpha']
      }
    });

    // ... Логіка запуску сесії, налаштування canvas, контексту WebGL тощо.
    // У вашій логіці запуску сесії отримайте конфігурацію датчика глибини
    const depthSensing = xrSession.depthSensing;
    if (depthSensing) {
      console.log(`Датчик глибини надано з використанням: ${depthSensing.usage}`);
      console.log(`Датчик глибини надано з форматом даних: ${depthSensing.dataFormat}`);
    } else {
      console.warn("Датчик глибини було запитано, але не надано.");
    }
    
    xrSession.requestAnimationFrame(onXRFrame);
  } catch (e) {
    console.error("Не вдалося запустити XR-сесію.", e);
  }
}

Крок 2: Доступ до інформації про глибину в циклі рендерингу

Всередині вашої функції `onXRFrame`, яка викликається кожного кадру, вам потрібно отримати інформацію про глибину для поточного виду.

function onXRFrame(time, frame) {
  const session = frame.session;
  session.requestAnimationFrame(onXRFrame);

  const pose = frame.getViewerPose(xrReferenceSpace);
  if (!pose) return;

  const glLayer = session.renderState.baseLayer;
  const gl = webglContext; // Ваш контекст WebGL
  gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, glLayer.framebuffer);

  for (const view of pose.views) {
    const viewport = glLayer.getViewport(view);
    gl.viewport(viewport.x, viewport.y, viewport.width, viewport.height);

    // Вирішальний крок: отримати інформацію про глибину
    const depthInfo = frame.getDepthInformation(view);

    if (depthInfo) {
      // У нас є дані глибини для цього кадру та виду!
      // Передаємо це в нашу функцію рендерингу
      renderScene(view, depthInfo);
    } else {
      // Дані глибини недоступні для цього кадру
      renderScene(view, null);
    }
  }
}

Об'єкт `depthInfo` (екземпляр `XRDepthInformation`) містить усе, що нам потрібно:

• `depthInfo.texture`: `WebGLTexture`, що містить карту глибини (якщо використовується 'gpu-optimized').
• `depthInfo.width`, `depthInfo.height`: Розміри текстури глибини.
• `depthInfo.normDepthFromNormView`: `XRRigidTransform` (матриця), що використовується для перетворення нормалізованих координат виду в правильні текстурні координати для вибірки карти глибини. Це життєво важливо для правильного вирівнювання даних глибини із зображенням з кольорової камери.
• `depthInfo.rawValueToMeters`: Коефіцієнт масштабування. Ви множите необроблене значення з текстури на це число, щоб отримати відстань у метрах.

Крок 3: Реалізація оклюзії з оптимізованим для GPU буфером глибини

Саме тут, у ваших шейдерах GLSL, відбувається магія. Мета полягає в тому, щоб порівняти глибину реального світу (з текстури) з глибиною віртуального об'єкта, який ми зараз малюємо.

Вершинний шейдер (спрощений)

Вершинний шейдер переважно стандартний. Він трансформує вершини об'єкта і, що вкрай важливо, передає позицію в просторі відсікання (clip-space) до фрагментного шейдера.

// GLSL (Вершинний шейдер)
attribute vec3 a_position;
uniform mat4 u_projectionMatrix;
uniform mat4 u_modelViewMatrix;
varying vec4 v_clipPosition;

void main() {
  vec4 position = u_modelViewMatrix * vec4(a_position, 1.0);
  gl_Position = u_projectionMatrix * position;
  v_clipPosition = gl_Position;
}

Фрагментний шейдер (основна логіка)

Фрагментний шейдер виконує основну роботу. Нам потрібно буде передати текстуру глибини та пов'язані з нею метадані як uniform-змінні.

// GLSL (Фрагментний шейдер)
precision mediump float;

varying vec4 v_clipPosition;

uniform sampler2D u_depthTexture;
uniform mat4 u_normDepthFromNormViewMatrix;
uniform float u_rawValueToMeters;
// Uniform-змінна, що повідомляє шейдеру, чи використовуємо ми float32 або luminance-alpha
uniform bool u_isFloatTexture;

// Функція для отримання глибини реального світу в метрах для поточного фрагмента
float getDepth(vec2 screenUV) {
  // Перетворення з екранних UV в UV текстури глибини
  vec2 depthUV = (u_normDepthFromNormViewMatrix * vec4(screenUV, 0.0, 1.0)).xy;

  // Переконуємося, що ми не вибираємо дані за межами текстури
  if (depthUV.x < 0.0 || depthUV.x > 1.0 || depthUV.y < 0.0 || depthUV.y > 1.0) {
    return 10000.0; // Повертаємо велике значення, якщо за межами
  }

  float rawDepth;
  if (u_isFloatTexture) {
    rawDepth = texture2D(u_depthTexture, depthUV).r;
  } else {
    // Декодування з формату luminance-alpha
    vec2 encodedDepth = texture2D(u_depthTexture, depthUV).ra; // .ra еквівалентно .la
    rawDepth = encodedDepth.x + (encodedDepth.y / 255.0);
  }

  // Обробка недійсних значень глибини (часто 0.0)
  if (rawDepth == 0.0) {
    return 10000.0; // Вважаємо як дуже далеке
  }

  return rawDepth * u_rawValueToMeters;
}

void main() {
  // Обчислення екранних UV-координат цього фрагмента
  // v_clipPosition.w — це коефіцієнт перспективного ділення
  vec2 screenUV = (v_clipPosition.xy / v_clipPosition.w) * 0.5 + 0.5;

  float realWorldDepth = getDepth(screenUV);

  // Отримання глибини віртуального об'єкта
  // gl_FragCoord.z — це нормалізована глибина поточного фрагмента [0, 1]
  // Нам потрібно перетворити її назад у метри (це залежить від ближньої/дальньої площин вашої матриці проекції)
  // Спрощене лінійне перетворення для демонстрації:
  float virtualObjectDepth = v_clipPosition.z / v_clipPosition.w;

  // ПЕРЕВІРКА ОКТУЗІЇ
  if (virtualObjectDepth > realWorldDepth) {
    discard; // Цей фрагмент знаходиться за об'єктом реального світу, тому не малюємо його.
  }

  // Якщо ми тут, об'єкт видимий. Малюємо його.
  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 1.0, 1.0); // Приклад: пурпуровий колір
}

Важливе зауваження щодо перетворення глибини: Перетворення `gl_FragCoord.z` або Z-координати простору відсікання назад у лінійну відстань у метрах — це нетривіальне завдання, яке залежить від вашої матриці проекції. Рядок `float virtualObjectDepth = v_clipPosition.z / v_clipPosition.w;` надає глибину в просторі виду, що є хорошою відправною точкою для порівняння. Для ідеальної точності вам потрібно було б використовувати формулу, що включає ближню та дальню площини відсікання вашої камери для лінеаризації значення буфера глибини.

Найкращі практики та міркування щодо продуктивності

Створення надійних та продуктивних досвідів з урахуванням глибини вимагає ретельного розгляду наступних моментів.

• Будьте гнучкими та захищеними: Ніколи не припускайте, що ваша бажана конфігурація буде надана. Завжди запитуйте активний об'єкт `xrSession.depthSensing`, щоб перевірити надані `usage` та `dataFormat`. Пишіть вашу логіку рендерингу так, щоб вона обробляла всі можливі комбінації, які ви готові підтримувати.
• Пріоритезуйте GPU для рендерингу: Різниця в продуктивності величезна. Для будь-якого завдання, що включає візуалізацію глибини або оклюзію, шлях 'gpu-optimized' є єдиним життєздатним варіантом для плавного досвіду 60/90 кадрів на секунду.
• Мінімізуйте та відкладайте роботу CPU: Якщо вам необхідно використовувати дані 'cpu-optimized' для фізики або рейкастингу, не обробляйте весь буфер кожного кадру. Виконуйте цільові зчитування. Наприклад, коли користувач торкається екрана, зчитуйте значення глибини лише за цією конкретною координатою. Розгляньте можливість використання Web Worker для вивантаження важких аналізів з основного потоку.
• Витончено обробляйте відсутні дані: Датчики глибини не ідеальні. Отримана карта глибини матиме дірки, зашумлені дані та неточності, особливо на відбиваючих або прозорих поверхнях. Ваш шейдер оклюзії та логіка фізики повинні обробляти недійсні значення глибини (часто представлені як 0), щоб уникнути візуальних артефактів або неправильної поведінки.
• Опануйте системи координат: Це поширена точка відмови для розробників. Звертайте пильну увагу на різні системи координат (виду, відсікання, нормалізованого пристрою, текстури) та переконайтеся, що ви правильно використовуєте надані матриці, такі як `normDepthFromNormView`, для вирівнювання всього.
• Керуйте енергоспоживанням: Апаратне забезпечення для визначення глибини, особливо активні сенсори, такі як LiDAR, може споживати значну кількість енергії акумулятора. Запитуйте функцію 'depth-sensing' лише тоді, коли ваш додаток дійсно її потребує. Переконайтеся, що ваша XR-сесія правильно призупиняється та завершується для економії енергії, коли користувач не є активним.

Майбутнє WebXR Depth Sensing

Визначення глибини — це фундаментальна технологія, і специфікація WebXR продовжує розвиватися навколо неї. Глобальна спільнота розробників може очікувати ще потужніших можливостей у майбутньому:

• Розуміння сцени та мешинг: Наступним логічним кроком є модуль XRMesh, який надаватиме фактичну 3D-трикутну сітку (меш) оточення, побудовану на основі даних глибини. Це уможливить ще більш реалістичну фізику, навігацію та освітлення.
• Семантичні мітки: Уявіть, що ви не просто знаєте геометрію поверхні, а й знаєте, що це 'підлога', 'стіна' або 'стіл'. Майбутні API, ймовірно, надаватимуть цю семантичну інформацію, дозволяючи створювати неймовірно інтелектуальні та контекстно-залежні додатки.
• Покращена інтеграція з апаратним забезпеченням: Оскільки AR-окуляри та мобільні пристрої стають потужнішими, з кращими сенсорами та процесорами, якість, роздільна здатність та точність даних глибини, що надаються WebXR, значно покращаться, відкриваючи нові творчі можливості.

Висновок

WebXR Depth Sensing API — це трансформаційна технологія, яка дає розробникам можливість створювати новий клас веб-додатків доповненої реальності. Виходячи за рамки простого розміщення об'єктів і приймаючи розуміння оточення, ми можемо створювати додатки, які є більш реалістичними, інтерактивними та справді інтегрованими зі світом користувача. Опанування конфігурації буфера глибини — розуміння компромісів між використанням 'cpu-optimized' та 'gpu-optimized', а також між форматами даних 'float32' та 'luminance-alpha' — є критично важливою навичкою, необхідною для розкриття цього потенціалу.

Створюючи гнучкі, продуктивні та надійні додатки, які можуть адаптуватися до можливостей пристрою користувача, ви не просто створюєте один досвід; ви робите внесок у фундамент імерсивного, просторового вебу. Інструменти у ваших руках. Час зануритися глибше і будувати майбутнє.