Двигун оптимізації WebXR Hit Test: Покращення трасування променів

WebXR революціонізує наш спосіб взаємодії з веб, забезпечуючи захопливі враження безпосередньо в браузері. Основним компонентом багатьох WebXR-додатків, особливо тих, що стосуються доповненої реальності (AR), є hit test (тестування влучання). Тестування влучання визначає, чи промінь, зазвичай спрямований з поля зору користувача або контролера, перетинає реальну поверхню. Ця взаємодія є критично важливою для розміщення віртуальних об'єктів, взаємодії з цифровим контентом, накладеним на фізичний світ, та запуску подій на основі взаємодії користувача. Однак, тести влучання можуть бути обчислювально витратними, особливо в складних середовищах або коли вони виконуються часто. Тому оптимізація процесу тестування влучання є надзвичайно важливою для забезпечення плавного та чутливого користувацького досвіду. Ця стаття заглиблюється в тонкощі технік покращення трасування променів для оптимізації WebXR hit test, надаючи дієві стратегії для покращення продуктивності ваших WebXR-додатків.

Розуміння WebXR Hit Tests

Перш ніж заглиблюватися в стратегії оптимізації, важливо зрозуміти, як працюють WebXR hit tests. WebXR Device API надає методи для виконання тестів влучання на основі реальності. Ці методи, по суті, спрямовують промінь з точки зору користувача (або позиції та орієнтації контролера) у сцену та визначають, чи перетинає він будь-які виявлені площини або особливості. Ця точка перетину, якщо вона знайдена, надає інформацію про місцезнаходження та орієнтацію поверхні, дозволяючи розробникам розміщувати віртуальні об'єкти або ініціювати взаємодії в цій точці.

Основні методи, що використовуються для тестування влучання, це:

• XRFrame.getHitTestResults(XRHitTestSource): Отримує результати тесту влучання, повертаючи масив об'єктів XRHitTestResult. Кожен XRHitTestResult представляє точку перетину.
• XRHitTestSource: Інтерфейс, що використовується для створення та керування джерелами тесту влучання, вказуючи початок та напрямок променя.

Продуктивність цих тестів влучання може значно залежати від кількох факторів, зокрема:

• Складність сцени: Складніші сцени з більшою кількістю полігонів потребують більшої обчислювальної потужності для визначення перетинів променів.
• Частота тестів влучання: Виконання тестів влучання в кожному кадрі може перевантажити ресурси пристрою, особливо на мобільних пристроях.
• Точність виявлення ознак: Неточне або неповне виявлення ознак може призвести до неправильних результатів тесту влучання та марнування часу обробки.

Техніки оптимізації трасування променів

Оптимізація трасування променів передбачає зменшення обчислювальних витрат на визначення перетинів променів. Для цього можна застосувати кілька технік:

1. Ієрархії обмежуючих об'ємів (BVH)

Ієрархія обмежуючих об'ємів (BVH) — це деревоподібна структура даних, яка організовує геометрію сцени в ієрархію обмежуючих об'ємів. Ці обмежуючі об'єми зазвичай є простими формами, такими як коробки або сфери, що охоплюють групи трикутників. При виконанні трасування променя алгоритм спочатку перевіряє перетини з обмежуючими об'ємами. Якщо промінь не перетинає обмежуючий об'єм, весь піддерево, що міститься в цьому об'ємі, може бути пропущено, що значно зменшує кількість необхідних тестів перетину променя з трикутниками.

Приклад: Уявіть, що ви розміщуєте кілька віртуальних предметів меблів у кімнаті за допомогою AR. BVH може організувати ці предмети в групи на основі їх близькості. Коли користувач торкається підлоги, щоб розмістити новий об'єкт, трасування променя спочатку перевірятиме, чи перетинає воно обмежуючий об'єм, що охоплює всі меблі. Якщо ні, трасування променя може швидко пропустити перевірку окремих предметів меблів, які знаходяться далі.

Реалізація BVH зазвичай включає наступні кроки:

1. Побудова BVH: Рекурсивно розбивайте геометрію сцени на менші групи, створюючи обмежуючі об'єми для кожної групи.
2. Обхід BVH: Починаючи з кореня, обходьте BVH, перевіряючи перетини променя з обмежуючими об'ємами.
3. Тестування трикутників: Тестуйте лише трикутники всередині обмежуючих об'ємів, які перетинаються з променем.

Бібліотеки, такі як three-mesh-bvh для Three.js та подібні бібліотеки для інших WebGL-фреймворків, надають готові реалізації BVH, що спрощує процес.

2. Просторове розділення

Техніки просторового розділення ділять сцену на дискретні області, такі як октадерева або KD-дерева. Ці техніки дозволяють швидко визначити, які області сцени, ймовірно, будуть перетнуті променем, зменшуючи кількість об'єктів, які потрібно перевірити на перетин.

Приклад: Розглянемо AR-додаток, який дозволяє користувачам досліджувати віртуальну музейну експозицію, накладену на їхнє фізичне оточення. Підхід просторового розділення може розділити простір експозиції на менші комірки. Коли користувач рухає пристрій, додаток повинен перевіряти перетини променів лише з об'єктами, що знаходяться всередині комірок, які зараз знаходяться в полі зору користувача.

Поширені техніки просторового розділення включають:

• Октадерева: Рекурсивно ділить простір на вісім октантів.
• KD-дерева: Рекурсивно ділить простір вздовж різних осей.
• Розділення на основі сітки: Ділить простір на рівномірну сітку комірок.

Вибір техніки просторового розділення залежить від конкретних характеристик сцени. Октадерева добре підходять для сцен з нерівномірним розподілом об'єктів, тоді як KD-дерева можуть бути ефективнішими для сцен з відносно рівномірним розподілом об'єктів. Розділення на основі сітки легко реалізувати, але може бути не таким ефективним для сцен з дуже різною щільністю об'єктів.

3. Тестування перетину від грубого до точного

Ця техніка передбачає виконання серії тестів перетину зі зростаючими рівнями деталізації. Початкові тести виконуються зі спрощеними представленнями об'єктів, такими як обмежуючі сфери або коробки. Якщо промінь не перетинає спрощене представлення, об'єкт може бути відкинутий. Лише якщо промінь перетинає спрощене представлення, виконується більш детальний тест перетину з фактичною геометрією об'єкта.

Приклад: При розміщенні віртуальної рослини в AR-саду, початковий hit test може використовувати просту обмежувальну рамку навколо моделі рослини. Якщо промінь перетинає обмежувальну рамку, може бути виконано більш точний hit test з використанням фактичної геометрії листя та стебел рослини. Якщо промінь не перетинає обмежувальну рамку, складніший hit test пропускається, заощаджуючи цінний час обробки.

Ключовим для тестування перетину від грубого до точного є вибір відповідних спрощених представлень, які швидко тестуються та ефективно відкидають об'єкти, які, ймовірно, не будуть перетнуті.

4. Відсікання зрізом (Frustum Culling)

Відсікання зрізом — це техніка, що використовується для відкидання об'єктів, які знаходяться поза полем зору камери (зрізом). Перед виконанням тестів влучання об'єкти, які не видимі для користувача, можуть бути виключені з розрахунків, зменшуючи загальне обчислювальне навантаження.

Приклад: У WebXR-додатку, що імітує віртуальний виставковий зал, відсікання зрізом може використовуватися для виключення меблів та інших об'єктів, які зараз знаходяться позаду користувача або поза полем його зору. Це значно зменшує кількість об'єктів, які потрібно враховувати під час тестів влучання, покращуючи продуктивність.

Реалізація відсікання зрізом включає наступні кроки:

1. Визначення зрізу: Розрахуйте площини, що визначають поле зору камери.
2. Тестування меж об'єктів: Визначте, чи знаходиться обмежуючий об'єм кожного об'єкта в межах зрізу.
3. Відкидання об'єктів: Виключіть об'єкти, що знаходяться поза межами зрізу, з розрахунків тестів влучання.

5. Тимчасова когерентність

Тимчасова когерентність використовує той факт, що положення та орієнтація користувача та об'єктів у сцені зазвичай змінюються поступово з часом. Це означає, що результати тестів влучання з попередніх кадрів часто можуть бути використані для прогнозування результатів тестів влучання в поточному кадрі. Використовуючи тимчасову когерентність, ви можете зменшити частоту виконання повних тестів влучання.

Приклад: Якщо користувач розміщує віртуальний маркер на столі за допомогою AR, і користувач трохи рухається, дуже ймовірно, що маркер все ще знаходиться на столі. Замість виконання повного тесту влучання для підтвердження цього, ви можете екстраполювати положення маркера на основі руху користувача і виконувати повний тест влучання лише в тому випадку, якщо рух користувача значний або якщо здається, що маркер зсунувся зі столу.

Техніки використання тимчасової когерентності включають:

• Кешування результатів тестів влучання: Зберігайте результати тестів влучання з попередніх кадрів та повторно використовуйте їх, якщо положення та орієнтація користувача суттєво не змінилися.
• Екстраполяція положень об'єктів: Прогнозуйте положення об'єктів на основі їх попередніх положень та швидкостей.
• Використання прогнозування руху: Застосовуйте алгоритми прогнозування руху для передбачення рухів користувача та відповідного коригування параметрів тестів влучання.

6. Адаптивна частота тестів влучання

Замість виконання тестів влучання з фіксованою частотою, ви можете динамічно регулювати частоту залежно від активності користувача та продуктивності програми. Коли користувач активно взаємодіє зі сценою або коли програма працює плавно, частоту тестів влучання можна збільшити для забезпечення більш чутливого зворотного зв'язку. І навпаки, коли користувач неактивний або коли програма відчуває проблеми з продуктивністю, частоту тестів влучання можна зменшити для економії ресурсів.

Приклад: У WebXR-грі, де користувач стріляє віртуальними снарядами, частота тестів влучання може бути збільшена під час прицілювання та стрільби, і зменшена під час простої навігації по середовищу.

Фактори, які слід враховувати при коригуванні частоти тестів влучання, включають:

• Активність користувача: Збільшуйте частоту, коли користувач активно взаємодіє зі сценою.
• Продуктивність програми: Зменшуйте частоту, коли програма відчуває проблеми з продуктивністю.
• Можливості пристрою: Регулюйте частоту залежно від можливостей пристрою користувача.

7. Оптимізація алгоритмів трасування променів

Самі базові алгоритми трасування променів можуть бути оптимізовані для продуктивності. Це може включати використання інструкцій SIMD (Single Instruction, Multiple Data) для одночасної обробки кількох променів або застосування більш ефективних алгоритмів тестування перетинів.

Приклад: Використання оптимізованих алгоритмів перетину променя з трикутником, таких як алгоритм Меллера–Тромбора, який широко відомий своєю швидкістю та ефективністю, може забезпечити значне підвищення продуктивності. Інструкції SIMD дозволяють паралельно обробляти векторні операції, які часто зустрічаються при трасуванні променів, ще більше прискорюючи процес.

8. Профілювання та моніторинг

Критично важливо профілювати та моніторити продуктивність вашого WebXR-додатку, щоб виявити вузькі місця та області для оптимізації. Використовуйте інструменти розробника браузера або спеціалізовані інструменти профілювання для вимірювання часу, витраченого на виконання тестів влучання та інших операцій, критичних для продуктивності. Ці дані допоможуть вам визначити найбільш ефективні області для зосередження ваших зусиль з оптимізації.

Приклад: Вкладка Performance в Chrome DevTools може бути використана для запису WebXR-сесії. Потім можна проаналізувати часову шкалу, щоб виявити періоди високого завантаження ЦП, пов'язані з тестуванням влучання. Це дозволяє цілеспрямовано оптимізувати конкретні розділи коду, що викликають вузьке місце продуктивності.

Ключові показники для моніторингу включають:

• Частота кадрів: Виміряйте кількість кадрів, відрендерених за секунду.
• Тривалість тесту влучання: Виміряйте час, витрачений на виконання тестів влучання.
• Завантаження ЦП: Відстежуйте використання ЦП додатком.
• Використання пам'яті: Відстежуйте споживання пам'яті додатком.

Приклади коду

Нижче наведено спрощений приклад коду з використанням Three.js, що демонструє базове трасування променів:

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 ) { // Обробка перетину console.log("Intersection found:", intersects[0].object); } } window.addEventListener( 'mousemove', onMouseMove, false );

Цей приклад налаштовує рейкастер, який оновлюється відповідно до руху миші та перетинається з усіма об'єктами в сцені. Хоча це просто, це швидко може стати проблемою продуктивності. Реалізація структури BVH з `three-mesh-bvh` та обмеження кількості об'єктів для тестування показано нижче:

import { MeshBVH, Ray } from 'three-mesh-bvh'; // Припустимо, `mesh` – це ваш Three.js Mesh 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 очікує об'єкт 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 ); // Використання raycast безпосередньо на BVH if ( intersects ) { // Обробка перетину console.log("Intersection found:", mesh); } } window.addEventListener( 'mousemove', onMouseMove, false );

Цей приклад демонструє інтеграцію BVH з трасуванням променів за допомогою three-mesh-bvh. Він будує дерево BVH для геометрії меша, а потім використовує `bvh.raycast` для швидших перевірок перетину. Це дозволяє уникнути накладних витрат на перевірку променя проти кожного трикутника в сцені.

Найкращі практики для оптимізації WebXR Hit Test

Ось підсумок найкращих практик для оптимізації WebXR hit tests:

• Використовуйте ієрархію обмежуючих об'ємів (BVH) або іншу техніку просторового розділення.
• Реалізуйте тестування перетину від грубого до точного.
• Застосовуйте відсікання зрізом для відкидання об'єктів поза екраном.
• Використовуйте тимчасову когерентність для зменшення частоти тестів влучання.
• Адаптуйте частоту тестів влучання залежно від активності користувача та продуктивності програми.
• Оптимізуйте алгоритми трасування променів, використовуючи такі техніки, як SIMD.
• Профілюйте та моніторте свою програму для виявлення вузьких місць.
• Розгляньте можливість використання асинхронних тестів влучання, де це доречно, щоб уникнути блокування основного потоку.
• Мінімізуйте кількість об'єктів у сцені або спрощуйте їх геометрію.
• Використовуйте оптимізовані техніки рендерингу WebGL для покращення загальної продуктивності.

Глобальні міркування для WebXR розробки

Розробляючи WebXR-додатки для глобальної аудиторії, важливо враховувати наступне:

• Різноманітність пристроїв: WebXR-додатки повинні бути розроблені так, щоб плавно працювати на широкому спектрі пристроїв, від висококласних ПК до бюджетних мобільних телефонів. Це може включати використання адаптивних технік рендерингу або надання різних рівнів деталізації залежно від можливостей пристрою.
• Мережеве з'єднання: У деяких регіонах мережеве з'єднання може бути обмеженим або ненадійним. WebXR-додатки повинні бути стійкими до збоїв мережі та мінімізувати обсяг даних, що передаються через мережу.
• Локалізація: WebXR-додатки повинні бути локалізовані для різних мов та культур. Це включає переклад тексту, адаптацію елементів інтерфейсу та використання відповідних культурних посилань.
• Доступність: WebXR-додатки повинні бути доступними для користувачів з обмеженими можливостями. Це може включати надання альтернативних методів введення, таких як голосове керування або відстеження очей, і забезпечення сумісності програми з допоміжними технологіями.
• Конфіденційність даних: Пам'ятайте про правила конфіденційності даних у різних країнах та регіонах. Отримайте згоду користувача перед збором або зберіганням будь-яких персональних даних.

Приклад: AR-додаток, що демонструє історичні пам'ятки, повинен враховувати різноманітність пристроїв, пропонуючи текстури нижчої роздільної здатності та спрощені 3D-моделі на мобільних пристроях нижчого класу для підтримки плавного кадрового ритму. Він також повинен бути локалізований для підтримки різних мов, відображаючи описи пам'яток мовою користувача та адаптуючи інтерфейс для мов з написанням справа наліво, якщо це необхідно.

Висновок

Оптимізація WebXR hit tests є критично важливою для забезпечення плавного, чутливого та приємного користувацького досвіду. Розуміючи базові принципи трасування променів та впроваджуючи техніки, описані в цій статті, ви можете значно покращити продуктивність своїх WebXR-додатків та створити захопливі враження, доступні для ширшої аудиторії. Пам'ятайте профілювати свій додаток, моніторити його продуктивність та адаптувати стратегії оптимізації до конкретних характеристик вашої сцени та цільових пристроїв. Оскільки екосистема WebXR продовжує розвиватися, з'являтимуться нові та інноваційні техніки оптимізації. Бути в курсі останніх досягнень та найкращих практик буде важливо для розробки високоефективних WebXR-додатків, що розширюють межі захопливих веб-вражень.