Шари WebXR: Композиційний рендеринг реальності для імерсивних вражень

WebXR революціонізує спосіб нашої взаємодії з Інтернетом, уможливлюючи імерсивні досвіди доповненої (AR), змішаної (MR) та віртуальної (VR) реальності безпосередньо в браузері. Хоча WebXR є основою для цих вражень, конвеєр рендерингу відіграє вирішальну роль у досягненні високої продуктивності та візуальної точності. Шари WebXR (WebXR Layers) — це потужна функція, яка пропонує більш гнучкий та ефективний спосіб керування та композиції різних візуальних елементів у вашій WebXR-сцені.

Що таке шари WebXR?

Шари WebXR надають стандартизований інтерфейс для представлення колекції зображень, які композитуються разом середовищем виконання WebXR для формування фінальної відрендереної сцени. Уявіть це як систему, де різні шари візуального контенту — від віртуального світу до потоку з реальної камери — малюються незалежно, а потім розумно поєднуються браузером. Цей підхід відкриває значні переваги порівняно з традиційним рендерингом на одному полотні.

Замість того, щоб змушувати весь рендеринг відбуватися в єдиному контексті WebGL, шари WebXR дозволяють розробникам створювати різні об'єкти XRCompositionLayer, кожен з яких представляє окремий шар контенту. Потім ці шари передаються до середовища виконання WebXR, яке обробляє фінальний процес композиції, потенційно використовуючи специфічні для платформи оптимізації та апаратне прискорення для кращої продуктивності.

Чому варто використовувати шари WebXR?

Шари WebXR вирішують кілька проблем, пов'язаних з традиційним рендерингом WebXR, і пропонують розробникам низку переваг:

1. Покращена продуктивність

Перекладаючи композицію на середовище виконання WebXR, яке може використовувати нативні API платформи та апаратне прискорення, шари WebXR часто призводять до значного покращення продуктивності, особливо на мобільних пристроях та обладнанні з обмеженими ресурсами. Це дозволяє створювати складніші та візуально насиченіші враження без шкоди для частоти кадрів. Середовище виконання також краще пристосоване для ефективного управління ресурсами, що призводить до плавніших та більш чутливих взаємодій.

Приклад: Уявіть складний AR-додаток, який накладає віртуальні меблі на зображення з реальної камери. Без шарів WebXR всю сцену довелося б рендерити за один прохід, що потенційно могло б призвести до вузьких місць у продуктивності. З шарами потік камери та віртуальні меблі можна рендерити незалежно, а середовище виконання може ефективно їх скомпонувати, максимізуючи продуктивність.

2. Розширена гнучкість та контроль

Шари WebXR забезпечують більш точний контроль над процесом рендерингу. Розробники можуть визначати властивості кожного шару, такі як його непрозорість, режим змішування та матрицю трансформації, що дозволяє створювати складні візуальні ефекти та безшовну інтеграцію віртуального та реального контенту. Цей рівень контролю є вирішальним для створення реалістичних та захопливих досвідів AR та MR.

Приклад: Розглянемо VR-додаток, де ви хочете відобразити елемент користувацького інтерфейсу поверх основної сцени. За допомогою шарів WebXR ви можете створити окремий шар для UI та контролювати його непрозорість для досягнення ефекту тонкого, напівпрозорого накладення. Це значно простіше та ефективніше, ніж намагатися рендерити UI безпосередньо в основну сцену.

3. Інтеграція із системним композитором

Шари WebXR забезпечують кращу інтеграцію з базовим системним композитором. Середовище виконання може використовувати специфічні для платформи можливості для композиції, такі як апаратні оверлеї та розширені режими змішування, які можуть бути недоступні безпосередньо через WebGL. Це призводить до більш візуально привабливих та продуктивних вражень.

Приклад: На деяких AR-гарнітурах системний композитор може безпосередньо накладати зображення з камери на віртуальний контент за допомогою апаратного прискорення. Шари WebXR дозволяють браузеру безшовно інтегруватися з цією можливістю, що призводить до більш плавного та чутливого AR-досвіду.

4. Зменшене використання пам'яті

Дозволяючи середовищу виконання WebXR керувати фінальною композицією, шари WebXR можуть зменшити використання пам'яті вашим додатком. Замість зберігання всієї відрендереної сцени в одному великому фреймбуфері, середовище виконання може керувати кількома меншими фреймбуферами для кожного шару, що потенційно призводить до більш ефективного використання пам'яті.

Приклад: VR-досвід з високодеталізованими текстурами може споживати значний обсяг пам'яті. Використовуючи шари WebXR для відокремлення статичного оточення від динамічних об'єктів, додаток може зменшити загальне використання пам'яті та покращити продуктивність.

5. Покращена підтримка передових технік рендерингу

Шари WebXR сприяють використанню передових технік рендерингу, таких як асинхронна репроєкція та фовеальний рендеринг. Ці техніки можуть значно покращити сприйману продуктивність та візуальну якість досвідів WebXR, особливо на пристроях з обмеженими ресурсами. Асинхронна репроєкція допомагає зменшити затримку, дозволяючи середовищу виконання екстраполювати положення голови користувача та репроєктувати відрендерену сцену, тоді як фовеальний рендеринг концентрує деталізацію рендерингу на областях, куди дивиться користувач, зменшуючи навантаження на рендеринг на периферії.

Типи шарів WebXR

API WebXR Layers визначає кілька типів композиційних шарів, кожен з яких призначений для конкретної мети:

1. XRProjectionLayer

XRProjectionLayer є найпоширенішим типом шару і використовується для рендерингу віртуального контенту, що проєктується у поле зору користувача. Цей шар зазвичай містить основну сцену вашого VR або AR-додатку.

2. XRQuadLayer

XRQuadLayer представляє прямокутну поверхню, яку можна позиціонувати та орієнтувати в 3D-просторі. Це корисно для відображення елементів UI, відео або іншого 2D-контенту у віртуальному середовищі.

3. XRCylinderLayer

XRCylinderLayer представляє циліндричну поверхню, яка може огортати користувача. Це корисно для створення імерсивних середовищ або відображення контенту, що виходить за межі поля зору користувача.

4. XREquirectLayer

XREquirectLayer призначений для відображення еквіпрямокутних (360-градусних) зображень або відео. Це зазвичай використовується для створення панорамних VR-досвідів.

5. XRCompositionLayer (Абстрактний базовий клас)

Усі типи шарів успадковуються від абстрактного XRCompositionLayer, який визначає загальні властивості та методи для всіх шарів.

Використання шарів WebXR: Практичний приклад

Розглянемо спрощений приклад використання шарів WebXR у додатку WebXR. Цей приклад продемонструє, як створити два шари: один для основної сцени та один для елемента UI.

Крок 1: Запит XR-сесії

Спочатку вам потрібно запросити XR-сесію. Це стандартна точка входу для будь-якого додатку WebXR.

            navigator.xr.requestSession('immersive-vr', { requiredFeatures: ['layers'] }) 
  .then(session => {
    // Session started successfully
    onSessionStarted(session);
  }).catch(error => {
    console.error('Failed to start XR session:', error);
  });
            

              
                Copy
              
            
          

Крок 2: Створення контексту WebGL та XRRenderState

            function onSessionStarted(session) {
  xrSession = session;

  // Create a WebGL context
  gl = document.createElement('canvas').getContext('webgl', { xrCompatible: true });

  // Set up the XRRenderState
  xrSession.updateRenderState({
    baseLayer: new XRWebGLLayer(xrSession, gl)
  });

  xrSession.requestAnimationFrame(renderLoop);
}
            

              
                Copy
              
            
          

Крок 3: Створення шарів

Тепер створимо два шари:

            let mainSceneLayer = new XRProjectionLayer({
  space: xrSession.requestReferenceSpace('local'),
  next: null  // No layer after this one initially
});

let uiLayer = new XRQuadLayer({
  space: xrSession.requestReferenceSpace('local'),
  width: 0.5, // Width of the UI quad
  height: 0.3, // Height of the UI quad
  transform: new XRRigidTransform({x: 0, y: 1, z: -2}, {x: 0, y: 0, z: 0, w: 1}) // Position and orientation
});
            

              
                Copy
              
            
          

Крок 4: Оновлення XRRenderState шарами

            xrSession.updateRenderState({
  layers: [mainSceneLayer, uiLayer]
});
            

              
                Copy
              
            
          

Крок 5: Цикл рендерингу

У циклі рендерингу ви будете рендерити контент для кожного шару окремо.

            function renderLoop(time, frame) {
  xrSession.requestAnimationFrame(renderLoop);

  const pose = frame.getViewerPose(xrSession.requestReferenceSpace('local'));
  if (!pose) return;

  gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, xrSession.renderState.baseLayer.framebuffer);
  gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

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

    // Render the main scene to the mainSceneLayer
    renderMainScene(view, viewport);

    // Render the UI to the uiLayer
    renderUI(view, viewport);
  }
}
            

              
                Copy
              
            
          

Крок 6: Рендеринг контенту для кожного шару

            function renderMainScene(view, viewport) {
  // Set up the view and projection matrices
  // Render your 3D objects

  // Example:
  // gl.uniformMatrix4fv(projectionMatrixLocation, false, view.projectionMatrix);
  // gl.uniformMatrix4fv(modelViewMatrixLocation, false, view.transform.matrix);
  // gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount);
}

function renderUI(view, viewport) {
  // Set up the view and projection matrices for the UI
  // Render your UI elements (e.g., using a 2D rendering library)
}
            

              
                Copy
              
            
          

Цей спрощений приклад демонструє основні кроки, пов'язані з використанням шарів WebXR. У реальному додатку вам доведеться вирішувати складніші завдання рендерингу, такі як освітлення, затінення та текстурування.

Фрагменти коду та найкращі практики

Ось кілька додаткових фрагментів коду та найкращих практик, які варто пам'ятати при роботі з шарами WebXR:

• Порядок шарів: Порядок, у якому ви вказуєте шари в масиві layers, визначає порядок рендерингу. Перший шар у масиві рендериться першим, а наступні шари рендеряться поверх нього.
• Очищення фреймбуфера: Важливо очищати фреймбуфер для кожного шару перед рендерингом його контенту. Це гарантує, що контент попереднього кадру не буде видимим у поточному кадрі.
• Режими змішування: Ви можете використовувати режими змішування для контролю того, як різні шари компонуються разом. Поширені режими змішування включають normal, additive та subtractive.
• Оптимізація продуктивності: Профілюйте свій додаток WebXR, щоб виявити вузькі місця в продуктивності та відповідно оптимізувати код рендерингу. Шари WebXR можуть допомогти покращити продуктивність, але важливо використовувати їх ефективно.
• Обробка помилок: Впроваджуйте надійну обробку помилок, щоб коректно обробляти будь-які помилки, які можуть виникнути під час сесії WebXR або процесу рендерингу.

Передові техніки та сценарії використання

Шари WebXR відкривають двері до різноманітних передових технік рендерингу та сценаріїв використання:

1. Асинхронна репроєкція

Як уже згадувалося, шари WebXR сприяють асинхронній репроєкції, що може значно зменшити затримку та покращити сприйману продуктивність досвідів WebXR. Дозволяючи середовищу виконання екстраполювати положення голови користувача та репроєктувати відрендерену сцену, асинхронна репроєкція може маскувати ефекти затримки рендерингу. Це особливо важливо на пристроях з обмеженими ресурсами, де продуктивність рендерингу може бути обмеженою.

2. Фовеальний рендеринг

Фовеальний рендеринг — це ще одна передова техніка, яка може покращити продуктивність, концентруючи деталізацію рендерингу на областях, куди дивиться користувач. Цього можна досягти, рендерячи фовеальну область (центр погляду користувача) з вищою роздільною здатністю, ніж периферійні області. Шари WebXR можна використовувати для реалізації фовеального рендерингу, створюючи окремі шари для фовеальної та периферійної областей та рендерячи їх з різною роздільною здатністю.

3. Багатопрохідний рендеринг

Шари WebXR також можна використовувати для реалізації технік багатопрохідного рендерингу, таких як відкладене затінення та ефекти постобробки. При багатопрохідному рендерингу сцена рендериться в кілька проходів, кожен з яких виконує певне завдання рендерингу. Це дозволяє створювати складніші та реалістичніші ефекти рендерингу.

4. Композиція реального та віртуального контенту

Одним з найпереконливіших сценаріїв використання шарів WebXR є можливість безшовної композиції реального та віртуального контенту. Це важливо для створення захопливих досвідів AR та MR. Використовуючи потік з камери як один шар, а віртуальний контент як інший, розробники можуть створювати досвіди, які переконливо поєднують реальний та віртуальний світи.

Міркування щодо кросплатформності

При розробці додатків WebXR з шарами важливо враховувати кросплатформну сумісність. Різні браузери та пристрої можуть мати різний рівень підтримки шарів WebXR. Рекомендується тестувати ваш додаток на різноманітних пристроях та браузерах, щоб переконатися, що він працює як очікувалося. Крім того, будьте в курсі будь-яких специфічних для платформи особливостей або обмежень, які можуть вплинути на процес рендерингу.

Наприклад, деякі мобільні пристрої можуть мати обмежену потужність графічного процесора, що може вплинути на продуктивність додатків WebXR з шарами. У таких випадках може знадобитися оптимізувати ваш код рендерингу або зменшити складність сцени для досягнення прийнятної продуктивності.

Майбутнє шарів WebXR

Шари WebXR — це технологія, що швидко розвивається, і ми можемо очікувати подальших удосконалень у майбутньому. Деякі потенційні напрямки розвитку включають:

• Покращена продуктивність: Постійні зусилля з оптимізації середовища виконання WebXR та апаратного прискорення ще більше покращать продуктивність шарів WebXR.
• Нові типи шарів: Можуть бути введені нові типи шарів для підтримки додаткових технік рендерингу та сценаріїв використання.
• Розширені можливості композиції: Можливості композиції шарів WebXR можуть бути розширені для створення більш складних візуальних ефектів та безшовної інтеграції реального та віртуального контенту.
• Кращі інструменти для розробників: Покращені інструменти для розробників полегшать налагодження та оптимізацію додатків WebXR з шарами.

Висновок

Шари WebXR — це потужна функція, яка надає більш гнучкий та ефективний спосіб керування та композиції різних візуальних елементів у вашій WebXR-сцені. Перекладаючи композицію на середовище виконання WebXR, шари WebXR можуть покращити продуктивність, розширити гнучкість, зменшити використання пам'яті та уможливити передові техніки рендерингу. Оскільки WebXR продовжує розвиватися, шари WebXR відіграватимуть все більш важливу роль у створенні захопливих та імерсивних досвідів AR, MR та VR в Інтернеті.

Незалежно від того, чи створюєте ви простий AR-додаток, чи складну VR-симуляцію, шари WebXR можуть допомогти вам досягти ваших цілей. Розуміючи принципи та техніки, обговорені в цій статті, ви зможете використати потужність шарів WebXR для створення справді дивовижних імерсивних вражень.

Ключова думка: Шари WebXR є значним кроком уперед у створенні продуктивних та візуально насичених імерсивних веб-досвідів. Розуміючи та використовуючи цю технологію, розробники можуть створювати додатки AR, MR та VR нового покоління, які розширюють межі можливого в Інтернеті.

Додаткові ресурси

• Специфікація API шарів WebXR
• Документація Mozilla WebXR API
• Спільнота Immersive Web