Аналіз освітлення середовища WebXR: досягнення реалістичного освітлення в AR

Доповнена реальність (AR) швидко еволюціонувала від новинки до потужного інструменту в різних галузях, зокрема в роздрібній торгівлі, освіті та розвагах. Одним із ключових факторів, що впливають на реалізм та імерсивність AR-досвідів, є освітлення середовища. Точне моделювання взаємодії світла з віртуальними об’єктами в реальному світі має вирішальне значення для створення правдоподібних та захопливих AR-застосунків. Ця стаття заглиблюється в тонкощі освітлення середовища WebXR, досліджуючи різні техніки, виклики та найкращі практики для досягнення реалістичного AR-освітлення в вебі.

Розуміння важливості освітлення середовища в AR

Освітлення середовища, також відоме як освітлення сцени або навколишнє освітлення, означає загальне освітлення, наявне в реальному світі. Це включає прямі джерела світла, як-от сонце чи лампи, а також непряме світло, відбите від поверхонь та об’єктів. В AR точне захоплення та відтворення цього освітлення середовища є важливим для безшовної інтеграції віртуальних об’єктів у реальний світ.

Розглянемо такий сценарій: користувач розміщує віртуальну лампу на своєму столі за допомогою AR-застосунку. Якщо віртуальна лампа буде відрендерена з фіксованим, штучним джерелом світла, вона, ймовірно, виглядатиме недоречно та неприродно. Однак, якщо AR-застосунок зможе виявити та змоделювати навколишнє освітлення кімнати, включно з напрямком та інтенсивністю джерел світла, віртуальна лампа виглядатиме реалістично інтегрованою в сцену.

Реалістичне освітлення середовища значно покращує користувацький досвід кількома способами:

• Покращений візуальний реалізм: Точне освітлення робить віртуальні об'єкти більш правдоподібними та інтегрованими з їхнім оточенням.
• Посилена імерсивність: Реалістичне освітлення сприяє більш захоплюючому та залучаючому AR-досвіду.
• Зменшене когнітивне навантаження: Коли віртуальні об'єкти освітлені реалістично, мозку користувача не потрібно докладати стільки зусиль, щоб узгодити віртуальний та реальний світи, що призводить до більш комфортного та інтуїтивного досвіду.
• Підвищена задоволеність користувачів: Вишуканий та візуально привабливий AR-застосунок з більшою ймовірністю задовольнить користувачів та спонукатиме їх використовувати його знову.

Виклики в освітленні середовища WebXR

Впровадження реалістичного освітлення середовища у WebXR створює кілька технічних викликів:

• Обмеження продуктивності: Застосунки WebXR повинні працювати плавно на різноманітних пристроях, включаючи мобільні телефони та планшети. Складні розрахунки освітлення можуть бути обчислювально затратними та впливати на продуктивність, що призводить до затримок та поганого користувацького досвіду.
• Точність оцінки освітлення: Точна оцінка освітлення середовища за зображеннями з камери або даними сенсорів є складним завданням. Такі фактори, як шум камери, динамічний діапазон та перекриття, можуть впливати на точність оцінок освітлення.
• Динамічні середовища: Умови освітлення в реальному світі можуть швидко змінюватися, особливо на відкритому повітрі. AR-застосунки повинні адаптуватися до цих динамічних змін у реальному часі, щоб підтримувати реалістичний вигляд.
• Обмежені апаратні можливості: Не всі пристрої мають однакові сенсори або обчислювальну потужність. AR-застосунки повинні бути розроблені таким чином, щоб граційно масштабуватися залежно від можливостей пристрою.
• Кросбраузерна сумісність: WebXR є відносно новою технологією, і підтримка браузерами може відрізнятися. Розробники повинні забезпечити стабільну роботу своїх технік освітлення на різних браузерах та платформах.

Техніки для освітлення середовища WebXR

Для досягнення реалістичного освітлення середовища у WebXR можна використовувати кілька технік. Ці техніки відрізняються за складністю, точністю та впливом на продуктивність. Ось огляд деяких з найпоширеніших підходів:

1. Ambient Occlusion (AO)

Ambient Occlusion (навколишнє затінення) — це техніка, яка симулює затінення, що виникає в щілинах та кутах об'єктів. Вона затемнює ділянки, які закриті від навколишнього світла, створюючи відчуття глибини та реалізму. AO є відносно недорогою технікою для впровадження і може значно покращити візуальну якість AR-сцен.

Реалізація: Ambient Occlusion можна реалізувати за допомогою screen-space ambient occlusion (SSAO) або попередньо розрахованих карт ambient occlusion. SSAO — це ефект постобробки, який розраховує AO на основі буфера глибини відрендереної сцени. Попередньо розраховані карти AO — це текстури, які зберігають значення AO для кожної вершини меша. Обидві техніки можна реалізувати за допомогою шейдерів у WebGL.

Приклад: Уявіть віртуальну статую, розміщену на реальному столі. Без AO основа статуї може виглядати так, ніби вона трохи плаває над столом. З AO основа статуї буде затінена, створюючи враження, що вона міцно стоїть на столі.

2. Освітлення на основі зображень (IBL)

Освітлення на основі зображень (Image-based lighting, IBL) — це техніка, яка використовує панорамні зображення (зазвичай HDRI) для захоплення освітлення реального середовища. Потім ці зображення використовуються для освітлення віртуальних об'єктів у сцені AR, створюючи надзвичайно реалістичний та імерсивний ефект.

Реалізація: IBL включає кілька кроків:

• Захоплення HDRI: HDR-зображення захоплюється за допомогою спеціальної камери або шляхом поєднання кількох експозицій.
• Створення кубічної карти (Cubemap): HDR-зображення перетворюється на кубічну карту, яка є набором із шести квадратних текстур, що представляють середовище з усіх напрямків.
• Попередня фільтрація кубічної карти: Кубічна карта попередньо фільтрується для створення різних рівнів шорсткості, які використовуються для імітації дифузних та дзеркальних відбиттів.
• Застосування кубічної карти: Попередньо відфільтрована кубічна карта застосовується до віртуальних об'єктів у сцені AR за допомогою шейдера фізично коректного рендерингу (PBR).

Приклад: Розглянемо AR-застосунок, який дозволяє користувачам розміщувати віртуальні меблі у своїй вітальні. Захопивши HDRI вітальні та використовуючи IBL, віртуальні меблі будуть освітлені тим же світлом, що й реальне середовище, що зробить їх більш реалістичними.

Бібліотеки: Багато бібліотек WebXR надають вбудовану підтримку IBL. Наприклад, у Three.js є клас `THREE.PMREMGenerator`, який спрощує процес створення та застосування попередньо відфільтрованих кубічних карт.

3. Light Estimation API

WebXR Device API включає функцію оцінки освітлення (light estimation), яка надає інформацію про умови освітлення в реальному середовищі. Цей API можна використовувати для оцінки напрямку, інтенсивності та кольору джерел світла, а також загального навколишнього освітлення.

Реалізація: Light Estimation API зазвичай включає наступні кроки:

• Запит оцінки освітлення: AR-сесію потрібно налаштувати для запиту даних оцінки освітлення.
• Отримання оцінки освітлення: Об'єкт `XRFrame` надає доступ до об'єкта `XRLightEstimate`, який містить інформацію про умови освітлення.
• Застосування освітлення: Інформація про освітлення використовується для налаштування освітлення віртуальних об'єктів у сцені AR.

Приклад: AR-застосунок, який відображає віртуальні рослини в саду користувача, може використовувати Light Estimation API для визначення напрямку та інтенсивності сонячного світла. Цю інформацію потім можна використовувати для налаштування тіней та відблисків на віртуальних рослинах, роблячи їх більш реалістичними.

Приклад коду (концептуальний):

const lightEstimate = frame.getLightEstimate(lightProbe); if (lightEstimate) { const primaryLightDirection = lightEstimate.primaryLightDirection; const primaryLightIntensity = lightEstimate.primaryLightIntensity; // Налаштувати спрямоване світло в сцені на основі оціненого світла. }

4. Тіні в реальному часі

Тіні в реальному часі є важливими для створення реалістичних AR-досвідів. Тіні надають важливі візуальні підказки про положення та орієнтацію об'єктів, а також про напрямок джерел світла. Реалізація тіней у реальному часі у WebXR може бути складною через обмеження продуктивності, але це варта інвестиція для покращення візуальної якості.

Реалізація: Тіні в реальному часі можна реалізувати за допомогою карт тіней (shadow mapping) або об'ємних тіней (shadow volumes). Карти тіней — це техніка, яка рендерить сцену з точки зору джерела світла для створення карти глибини. Ця карта глибини потім використовується для визначення, які пікселі знаходяться в тіні. Об'ємні тіні — це техніка, яка створює геометричні об'єми, що представляють області, закриті об'єктами. Потім ці об'єми використовуються для визначення, які пікселі знаходяться в тіні.

Приклад: Розглянемо AR-застосунок, який дозволяє користувачам розміщувати віртуальні скульптури в парку. Без тіней скульптури можуть виглядати так, ніби вони плавають над землею. З тінями скульптури будуть виглядати заземленими та реалістично інтегрованими в сцену.

5. Фізично коректний рендеринг (PBR)

Фізично коректний рендеринг (Physically Based Rendering, PBR) — це техніка рендерингу, яка імітує взаємодію світла з матеріалами фізично точним способом. PBR враховує такі фактори, як шорсткість поверхні, металеві властивості та розсіювання світла, для створення реалістичних та правдоподібних матеріалів. PBR стає все більш популярним у розробці WebXR завдяки своїй здатності створювати високоякісні результати.

Реалізація: PBR вимагає використання спеціалізованих шейдерів, які обчислюють відбиття та заломлення світла на основі фізичних властивостей матеріалу. Ці шейдери зазвичай використовують математичні моделі, такі як Cook-Torrance або GGX BRDF, для імітації розсіювання світла.

Приклад: AR-застосунок, що демонструє віртуальні ювелірні вироби, може отримати велику користь від PBR. Точно імітуючи відбиття та заломлення світла на поверхні прикрас, застосунок може створити надзвичайно реалістичний та привабливий візуальний досвід.

Матеріали: PBR часто використовує набір текстур для визначення властивостей матеріалу:

• Базовий колір (Albedo): Основний колір матеріалу.
• Металевість (Metallic): Визначає, наскільки металевою є поверхня.
• Шорсткість (Roughness): Визначає шорсткість поверхні (глянцевість).
• Карта нормалей (Normal Map): Додає деталі та імітує нерівності на поверхні.
• Ambient Occlusion (AO): Попередньо розраховані тіні в щілинах.

Оптимізація продуктивності для освітлення середовища WebXR

Досягнення реалістичного освітлення середовища у WebXR часто відбувається за рахунок продуктивності. Важливо оптимізувати техніки освітлення, щоб забезпечити плавну роботу на різноманітних пристроях. Ось деякі стратегії оптимізації:

• Використовуйте низькополігональні моделі: Зменште кількість полігонів у ваших моделях, щоб покращити продуктивність рендерингу.
• Оптимізуйте текстури: Використовуйте стиснені текстури та міпмапи, щоб зменшити використання пам'яті текстурами.
• Запікайте освітлення: Попередньо розраховуйте статичне освітлення та зберігайте його в текстурах або атрибутах вершин.
• Використовуйте LOD (Рівні деталізації): Використовуйте різні рівні деталізації для моделей залежно від їхньої відстані від камери.
• Профілюйте та оптимізуйте шейдери: Використовуйте інструменти профілювання шейдерів для виявлення вузьких місць продуктивності та оптимізації ваших шейдерів.
• Обмежте відкидання тіней: Відкидайте тіні лише від найважливіших об'єктів у сцені.
• Зменште кількість джерел світла: Мінімізуйте кількість динамічних джерел світла в сцені.
• Використовуйте інстансинг: Створюйте екземпляри ідентичних об'єктів, щоб зменшити кількість викликів відмальовування (draw calls).
• Розгляньте WebGL 2.0: Якщо можливо, орієнтуйтеся на WebGL 2.0, який пропонує покращення продуктивності та більш просунуті функції рендерингу.
• Оптимізуйте IBL: Використовуйте попередньо відфільтровані карти середовища та міпмапи для оптимізації продуктивності IBL.

Приклади освітлення середовища WebXR на практиці

Давайте розглянемо деякі практичні приклади того, як освітлення середовища WebXR може бути використане для створення переконливих AR-досвідів у різних галузях:

Роздрібна торгівля: Віртуальне розміщення меблів

AR-застосунок, який дозволяє користувачам розміщувати віртуальні меблі у своїх домівках, може використовувати освітлення середовища для створення більш реалістичного попереднього перегляду того, як меблі виглядатимуть у їхньому просторі. Захопивши HDRI вітальні користувача та використовуючи IBL, віртуальні меблі будуть освітлені тим же світлом, що й реальне середовище, що полегшить користувачам візуалізацію меблів у своєму домі.

Освіта: Інтерактивні наукові симуляції

AR-застосунок, який симулює наукові явища, такі як сонячна система, може використовувати освітлення середовища для створення більш імерсивного та захоплюючого навчального досвіду. Точно імітуючи умови освітлення в космосі, застосунок може допомогти студентам краще зрозуміти відносне положення та рух небесних тіл.

Розваги: AR-ігри

AR-ігри можуть використовувати освітлення середовища для створення більш імерсивного та правдоподібного ігрового світу. Наприклад, гра, дія якої відбувається у вітальні користувача, може використовувати Light Estimation API для визначення умов освітлення та відповідного налаштування освітлення ігрових персонажів та об'єктів.

Виробництво: Віртуальне прототипування

Виробники можуть використовувати освітлення середовища WebXR для створення віртуальних прототипів своїх продуктів, які можна переглядати в реалістичних умовах освітлення. Це дозволяє їм оцінювати зовнішній вигляд своїх продуктів у різних середовищах та вносити зміни в дизайн перед запуском у виробництво.

Глобальні приклади:

• IKEA Place (Швеція): Дозволяє користувачам віртуально розміщувати меблі IKEA у своїх домівках за допомогою AR.
• Wannaby (Білорусь): Дозволяє користувачам віртуально "приміряти" взуття за допомогою AR.
• YouCam Makeup (Тайвань): Дає змогу користувачам віртуально приміряти макіяж за допомогою AR.
• Google Lens (США): Пропонує різноманітні функції AR, включаючи розпізнавання об'єктів та переклад.

Майбутнє освітлення середовища WebXR

Сфера освітлення середовища WebXR постійно розвивається. З удосконаленням апаратних та програмних технологій ми можемо очікувати на ще більш реалістичні та імерсивні AR-досвіди в майбутньому. Деякі перспективні напрямки розвитку включають:

• Оцінка освітлення на основі ШІ: Алгоритми машинного навчання можуть бути використані для підвищення точності та надійності оцінки освітлення.
• Нейронний рендеринг: Техніки нейронного рендерингу можуть бути використані для створення фотореалістичних рендерів віртуальних об'єктів, які безшовно інтегруються з реальним світом.
• Об'ємне освітлення: Техніки об'ємного освітлення можуть бути використані для імітації розсіювання світла крізь туман та інші атмосферні ефекти.
• Просунуте моделювання матеріалів: Більш складні моделі матеріалів можуть бути використані для імітації складної взаємодії світла з різними типами поверхонь.
• Глобальне освітлення в реальному часі: Техніки для обчислення глобального освітлення в реальному часі стають все більш доступними, відкриваючи нові можливості для реалістичного AR-освітлення.

Висновок

Реалістичне освітлення середовища є критично важливим компонентом переконливих та імерсивних WebXR-досвідів. Розуміючи принципи освітлення середовища та застосовуючи відповідні техніки, розробники можуть створювати AR-застосунки, які безшовно інтегрують віртуальні об'єкти в реальний світ, підвищуючи залученість та задоволеність користувачів. Оскільки технологія WebXR продовжує розвиватися, ми можемо очікувати на появу ще більш складних та реалістичних технік освітлення середовища, що ще більше розмиватиме межі між віртуальним та реальним світами. Надаючи пріоритет оптимізації продуктивності та залишаючись в курсі останніх досягнень, розробники можуть використовувати потужність освітлення середовища для створення справді трансформаційних AR-досвідів для користувачів по всьому світу.