Оцінка освітлення WebXR: глибоке занурення в реалістичний рендеринг доповненої реальності

Доповнена реальність (AR) обіцяє бездоганно поєднати наш цифровий та фізичний світи. Ми бачили це у візуалізаціях продуктів, які дозволяють розмістити віртуальний диван у вашій вітальні, в імерсивних іграх, де персонажі бігають по вашому кухонному столу, та в освітніх додатках, що оживляють стародавні артефакти. Але що відрізняє переконливий досвід AR від того, що здається штучним і недоречним? Відповідь, найчастіше, — це світло.

Коли цифровий об'єкт не реагує на світло свого реального оточення, наш мозок миттєво розпізнає його як самозванця. 3D-модель з пласким, загальним освітленням виглядає як наклейка на екрані, що миттєво руйнує ілюзію присутності. Щоб досягти справжнього фотореалізму, віртуальні об'єкти повинні освітлюватися тими ж джерелами світла, відкидати ті ж тіні та відображати те ж оточення, що й фізичні об'єкти поруч з ними. Саме тут WebXR Lighting Estimation API стає трансформаційним інструментом для веб-розробників.

Цей вичерпний посібник проведе вас у глибоке занурення у світ оцінки освітлення WebXR. Ми розглянемо, чому освітлення є наріжним каменем реалізму AR, розкриємо технологію, що стоїть за API, пройдемося практичними кроками впровадження та заглянемо в майбутнє імерсивного веб-рендерингу. Ця стаття призначена для веб-розробників, 3D-художників, ентузіастів XR та менеджерів продуктів, які хочуть створювати наступне покоління захоплюючих AR-досвідів безпосередньо у відкритому вебі.

Невидима сила: чому освітлення є наріжним каменем реалістичного AR

Перш ніж ми заглибимося в технічні деталі API, важливо зрозуміти, чому освітлення є настільки фундаментальним для створення правдоподібного AR. Мета полягає в досягненні так званого «перцептивного реалізму». Йдеться не обов'язково про створення гіпердеталізованих моделей з мільйонами полігонів; йдеться про те, щоб обманути зорову систему людини, змусивши її прийняти цифровий об'єкт як правдоподібну частину сцени. Освітлення надає основні візуальні підказки, які наш мозок використовує для розуміння форми, текстури та зв'язку об'єкта з його оточенням.

Розглянемо ключові елементи реалістичного освітлення, які ми часто сприймаємо як належне в реальному світі:

• Розсіяне світло (Ambient Light): Це м'яке, ненаправлене світло, яке заповнює простір. Воно відбивається від стін, стель і підлог, освітлюючи ділянки, що не знаходяться під прямим світлом. Без нього тіні були б абсолютно чорними, створюючи неприродно різкий вигляд.
• Спрямоване світло (Directional Light): Це світло, що випромінюється від основного, часто віддаленого, джерела, такого як сонце або яскрава стельова лампа. Воно створює чіткі відблиски та відкидає тіні з різкими краями, даючи нам сильне відчуття форми та положення об'єкта.
• Віддзеркалення та блики (Reflections and Specularity): Те, як поверхня об'єкта відбиває навколишній світ, говорить нам про властивості його матеріалу. Хромована сфера матиме різкі, дзеркальні віддзеркалення, пластикова іграшка — м'які, розмиті відблиски (блики), а дерев'яний брусок — майже ніяких. Ці віддзеркалення повинні відповідати реальному оточенню, щоб бути правдоподібними.
• Тіні (Shadows): Тіні, мабуть, є найважливішою підказкою для «заземлення» об'єкта в реальності. Тінь пов'язує об'єкт з поверхнею, надаючи йому ваги та відчуття місця. М'якість, напрямок і колір тіні надають величезну кількість інформації про джерела світла в оточенні.

Уявіть, що ви розміщуєте віртуальну блискучу червону сферу у своєму офісі. Зі стандартним освітленням сцени вона може мати загальний білий відблиск і просту темну круглу тінь. Вона виглядає несправжньою. Тепер, з оцінкою освітлення, та ж сама сфера може відбивати синє світло від вашого монітора, тепле жовте світло від настільної лампи і навіть спотворене відображення вікна. Її тінь м'яка і правильно нахилена від основного джерела світла. Раптом сфера виглядає не просто так, ніби вона на вашому столі; вона виглядає так, ніби вона в середовищі вашого столу. Це сила реалістичного освітлення, і саме це відкриває WebXR Lighting Estimation API.

Розгадка WebXR Lighting Estimation API

WebXR Lighting Estimation API — це модуль у межах ширшої специфікації WebXR Device API. Його місія проста, але потужна: аналізувати реальне середовище користувача через камеру пристрою та надавати дієві дані про освітлення для 3D-рушія рендерингу розробника (наприклад, Three.js або Babylon.js). Він діє як міст, дозволяючи освітленню вашої віртуальної сцени керуватися освітленням реальної фізичної сцени.

Як це працює? Спрощений огляд

Цей процес не містить магії; це складне застосування комп'ютерного зору. Коли активна сесія WebXR з увімкненою оцінкою освітлення, базова платформа (наприклад, ARCore від Google на Android) безперервно аналізує відеопотік з камери. Цей аналіз виводить кілька ключових властивостей навколишнього освітлення:

• Загальна яскравість і колір: Визначається основна інтенсивність і колірний відтінок світла. Чи є кімната яскраво освітленою холодними білими флуоресцентними лампами, чи тьмяно освітленою теплим помаранчевим заходом сонця?
• Спрямованість світла: Хоча він не визначає кожну окрему лампочку, він може визначити загальний напрямок найдомінантніших джерел світла.
• Представлення середовища: Найголовніше, він генерує цілісне уявлення про світло, що надходить з усіх напрямків.

Ця інформація потім пакується у формати, які високо оптимізовані для рендерингу 3D-графіки в реальному часі. Два основні формати даних, що надаються API, — це сферичні гармоніки та кубічна карта віддзеркалень.

Два ключові компоненти даних API

Коли ви запитуєте оцінку світла у вашій сесії WebXR, ви отримуєте об'єкт `XRLightEstimate`. Цей об'єкт містить дві найважливіші частини даних, які використовуватиме ваш рендерер.

1. Сферичні гармоніки (SH) для дифузного освітлення

Це, мабуть, найскладніша на слух, але фундаментально важлива частина API. Простими словами, сферичні гармоніки — це математичний спосіб представлення низькочастотної (тобто м'якої та розмитої) інформації про освітлення з усіх напрямків. Уявіть це як сильно стислий, ефективний підсумок загального розсіяного світла в сцені.

• Для чого це потрібно: Це ідеально підходить для розрахунку дифузного світла, що потрапляє на об'єкт. Дифузне світло — це світло, яке рівномірно розсіюється від поверхні матових об'єктів, таких як дерево, камінь або неполірований пластик. SH надає цим поверхням правильний колір і затінення на основі їхньої орієнтації відносно розсіяного світла середовища.
• Як це надається: API надає дані SH у вигляді масиву коефіцієнтів (зазвичай `Float32Array` з 27 значеннями для гармонік 3-го порядку). Ці числа можна безпосередньо передавати в сучасні шейдери Physically-Based Rendering (PBR), які використовують їх для розрахунку кінцевого кольору кожного пікселя на матовій поверхні.

2. Кубічні карти віддзеркалень (Reflection Cubemaps) для дзеркального освітлення

Хоча сферичні гармоніки чудово підходять для матових поверхонь, їм не вистачає деталей, необхідних для блискучих. Саме тут на допомогу приходить кубічна карта віддзеркалень. Кубічна карта — це класична техніка комп'ютерної графіки, що складається з шести текстур, розташованих як грані куба. Разом вони утворюють 360-градусне панорамне зображення середовища з однієї точки.

• Для чого це потрібно: Кубічна карта використовується для створення різких, детальних віддзеркалень на дзеркальних (блискучих) поверхнях. Коли ви рендерите металевий або глянцевий об'єкт, рушій рендерингу використовує кубічну карту, щоб визначити, що має відбиватися на його поверхні. Бачити реалістичне відображення справжньої кімнати на віртуальній хромованій кулі — це головний фактор у досягненні фотореалізму.
• Як це надається: API надає це як `XRReflectionCubeMap`, що є об'єктом `WebGLTexture`, який можна безпосередньо використовувати як карту оточення у вашій 3D-сцені. Ця кубічна карта динамічно оновлюється системою, коли користувач переміщується або змінюються умови освітлення.

Практична реалізація: впровадження оцінки освітлення у ваш WebXR-додаток

Тепер, коли ми розуміємо теорію, розглянемо загальні кроки, необхідні для інтеграції цієї функції в додаток WebXR. Хоча повний код реалізації може бути складним і значною мірою залежить від вашого вибору 3D-бібліотеки, основний процес має послідовну структуру.

Передумови

• Глибоке розуміння основ WebXR, включно з тим, як розпочати сесію та запустити цикл рендерингу.
• Знайомство з 3D-бібліотекою на основі WebGL, такою як Three.js або Babylon.js. Ці бібліотеки абстрагують значну частину низькорівневої складності.
• Сумісний пристрій та браузер. На момент написання статті оцінка освітлення WebXR найнадійніше підтримується в Chrome на сучасних пристроях Android з ARCore.
• HTTPS: Як і всі функції WebXR, ваш сайт повинен обслуговуватися через безпечне з'єднання.

Покрокова інтеграція (концептуальна)

Ось концептуальний опис необхідних кроків. Ми обговоримо специфічні для бібліотек хелпери в наступному розділі.

Крок 1: Запросіть функцію 'light-estimation'
Ви не можете використовувати API, якщо ви явно не попросите про це під час створення AR-сесії. Це робиться шляхом додавання `'light-estimation'` до масиву `requiredFeatures` або `optionalFeatures` у вашому виклику `requestSession`.

const session = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', { requiredFeatures: ['hit-test', 'dom-overlay', 'light-estimation'] });

Крок 2: Створіть XRLightProbe
Після початку сесії вам потрібно повідомити їй, що ви хочете почати отримувати інформацію про освітлення. Ви робите це, створюючи світловий зонд (light probe) для сесії. Ви також можете вказати бажаний формат карти віддзеркалень.

const lightProbe = await session.requestLightProbe();

Крок 3: Доступ до даних освітлення в циклі рендерингу
Дані освітлення оновлюються з кожним кадром. Усередині вашого зворотного виклику циклу рендерингу `requestAnimationFrame` (який отримує `time` та `frame` як аргументи), ви можете отримати останню оцінку для вашого зонда.

function onXRFrame(time, frame) {
// ... get pose, etc. ...

const lightEstimate = frame.getLightEstimate(lightProbe);

if (lightEstimate) {
// We have lighting data! Now we can apply it.
applyLighting(lightEstimate);
}

// ... render the scene ...
}
Важливо перевіряти, чи існує `lightEstimate`, оскільки системі може знадобитися кілька кадрів для генерації першої оцінки після запуску сесії.

Крок 4: Застосуйте дані до вашої 3D-сцени
Тут в гру вступає ваш 3D-рушій. Об'єкт `lightEstimate` містить `sphericalHarmonicsCoefficients` та `reflectionCubeMap`.

• Застосування сферичних гармонік: Ви передаєте масив `sphericalHarmonicsCoefficients` вашим PBR-матеріалам, часто оновлюючи об'єкт `LightProbe` у вашому 3D-рушії. Шейдери рушія потім використовують ці дані для розрахунку дифузного освітлення.
• Застосування кубічної карти віддзеркалень: `reflectionCubeMap` — це `WebGLTexture`. Вам потрібно використовувати `XRWebGLBinding` вашої сесії, щоб отримати версію, яку може використовувати ваш рендерер, а потім встановити її як глобальну карту оточення для вашої сцени. Це змусить усі PBR-матеріали з металевим або шорстким значенням відбивати її.

Приклади для конкретних рушіїв: Three.js та Babylon.js

На щастя, популярні бібліотеки WebGL беруть на себе більшу частину важкої роботи з Кроку 4, роблячи процес набагато простішим для розробників.

Примітки щодо реалізації в Three.js

Three.js має винятковий `WebXRManager` та спеціальний клас-хелпер, який робить оцінку освітлення майже функцією «підключи і працюй».

Ключовим є клас XREstimatedLight. Ви можете створити екземпляр цього класу і додати його до вашої сцени. У вашому циклі рендерингу ви просто передаєте результат `xrFrame.getLightEstimate(lightProbe)` та сам `lightProbe` до методу `update()` світла. Клас-хелпер подбає про все інше:

• Він містить об'єкт `LightProbe` з Three.js і автоматично оновлює його властивість `sh` коефіцієнтами сферичних гармонік.
• Він автоматично оновлює властивість `scene.environment` кубічною картою віддзеркалень.
• Коли оцінка світла недоступна, він може повернутися до стандартних налаштувань освітлення, забезпечуючи плавний досвід.

Ця високорівнева абстракція означає, що ви можете зосередитися на створенні свого 3D-контенту, а `XREstimatedLight` впорається зі складністю прив'язки текстур та оновлення уніформ шейдерів.

Примітки щодо реалізації в Babylon.js

Babylon.js також надає високорівневу, засновану на функціях, систему для свого хелпера `WebXRDefaultExperience`.

Щоб увімкнути функцію, ви просто отримуєте доступ до менеджера функцій та вмикаєте її за назвою:

const xr = await scene.createDefaultXRExperienceAsync({ /* options */ });
const lightEstimationFeature = xr.featuresManager.enableFeature(WebXRLightEstimation.Name, { /* options */ });

Після ввімкнення функція автоматично:

• Керує створенням та життєвим циклом `XRLightProbe`.
• Оновлює основну `environmentTexture` сцени кубічною картою віддзеркалень, наданою API.
• Надає доступ до коефіцієнтів сферичних гармонік, які система PBR-матеріалів Babylon може використовувати для розрахунків дифузного освітлення.
• Містить корисні спостерігачі (події), такі як `onLightEstimatedObservable`, на які ви можете підписатися для власної логіки, коли надходять нові дані про освітлення.

Цей підхід, подібний до Three.js, дозволяє розробникам увімкнути цю розширену функцію лише кількома рядками коду, бездоганно інтегруючи її в існуючий конвеєр рендерингу Babylon.js.

Виклики та обмеження сучасної технології

Хоча оцінка освітлення WebXR є величезним кроком вперед, важливо підходити до неї з реалістичним розумінням її поточних обмежень.

• Витрати на продуктивність: Постійний аналіз відеопотоку з камери, генерація кубічних карт та обробка сферичних гармонік споживають значні ресурси CPU та GPU. Це критичний аспект продуктивності, особливо на мобільних пристроях з живленням від батареї. Розробники повинні балансувати між бажанням ідеального реалізму та потребою в плавному досвіді з високою частотою кадрів.
• Точність оцінки: Назва говорить сама за себе — це оцінка. Систему можна ввести в оману незвичними умовами освітлення, дуже складними сценами з багатьма кольоровими вогнями або надзвичайно швидкими змінами світла. Вона надає правдоподібне наближення, а не фізично ідеальне вимірювання.
• Підтримка пристроїв та браузерів: Функція ще не є універсально доступною. Її залежність від специфічних для платформи AR-фреймворків, таких як ARCore, означає, що вона переважно доступна на сучасних пристроях Android з Chrome. Підтримка на пристроях iOS є головною відсутньою частиною для широкого впровадження.
• Відсутність явних тіней: Поточний API чудово підходить для розсіяного та відбитого світла, але не надає прямої інформації про домінантні спрямовані джерела світла. Це означає, що він не може сказати вам: «Є сильне світло, що йде з цього конкретного напрямку». В результаті, відкидання чітких, точних тіней в реальному часі від віртуальних об'єктів на реальні поверхні все ще вимагає додаткових технік. Розробники часто використовують дані SH, щоб визначити напрямок найяскравішого світла і розмістити стандартне спрямоване світло у своїй сцені, але це є наближенням.

Майбутнє освітлення WebXR: що далі?

Сфера рендерингу в реальному часі та комп'ютерного зору розвивається неймовірними темпами. Майбутнє освітлення в імерсивному вебі є світлим, з кількома захоплюючими досягненнями на горизонті.

Покращені API для спрямованого світла та тіней

Частий запит від спільноти розробників — це надання API більш явних даних про основне джерело(а) світла, включаючи напрямок, колір та інтенсивність. Такий API зробив би тривіальним відкидання фізично точних тіней з різкими краями, що було б величезним стрибком уперед для реалізму. Це можна було б інтегрувати з API виявлення площин для відкидання тіней на реальні підлоги та столи.

Карти оточення вищої точності

Оскільки мобільні процесори стають потужнішими, ми можемо очікувати, що система генеруватиме кубічні карти віддзеркалень з вищою роздільною здатністю та вищим динамічним діапазоном (HDR). Це призведе до більш яскравих та детальних віддзеркалень, ще більше розмиваючи межу між реальним та віртуальним.

Ширше впровадження на платформах

Кінцева мета полягає в тому, щоб ці функції стали стандартизованими та доступними в усіх основних браузерах та на всіх пристроях. Оскільки Apple продовжує розвивати свої пропозиції в галузі AR, є надія, що Safari на iOS з часом прийме WebXR Lighting Estimation API, приносячи ці високоточні досвіди набагато ширшій глобальній аудиторії.

Розуміння сцени на основі ШІ

Заглядаючи далі в майбутнє, досягнення в машинному навчанні можуть дозволити пристроям не просто оцінювати світло, а й розуміти сцену семантично. Пристрій може розпізнати «вікно», «лампу» або «небо» і використовувати ці знання для створення ще точнішої та надійнішої моделі освітлення, з численними джерелами світла та складними взаємодіями тіней.

Висновок: освітлюючи шлях для імерсивного вебу

Оцінка освітлення WebXR — це більше, ніж просто інкрементальна функція; це фундаментальна технологія для майбутнього доповненої реальності в вебі. Дозволяючи цифровим об'єктам бути реалістично освітленими їхнім фізичним оточенням, вона піднімає AR від нової забавки до справді імерсивного та переконливого медіуму.

Вона закриває перцептивний розрив, який так часто змушує досвід AR відчуватися роз'єднаним. Для електронної комерції це означає, що клієнт може побачити, як металева лампа справді відбиватиме світло в його домі. Для ігор це означає, що персонажі відчуваються більш присутніми та інтегрованими у світ гравця. Для освіти це означає, що історичні артефакти можна розглядати з рівнем реалізму, раніше неможливим у веб-браузері.

Хоча виклики в продуктивності та кросплатформній підтримці залишаються, інструменти, доступні сьогодні, особливо в поєднанні з потужними бібліотеками, такими як Three.js та Babylon.js, зробили цю колись складну технологію надзвичайно доступною. Ми заохочуємо всіх веб-розробників та творців, зацікавлених в імерсивному вебі, досліджувати WebXR Lighting Estimation API. Почніть експериментувати, розширюйте межі та допомагайте освітлювати шлях для наступного покоління реалістичних AR-досвідів для глобальної аудиторії.