Генерація сітки площини WebXR: Створення геометрії поверхні для захоплюючих вражень

WebXR революціонізує спосіб взаємодії з цифровим світом, приносячи враження доповненої (AR) та віртуальної реальності (VR) безпосередньо у веб-браузер. Фундаментальним аспектом створення переконливих AR-додатків з WebXR є здатність виявляти та створювати 3D-сітки з реальних поверхонь, що дозволяє віртуальним об’єктам плавно інтегруватися з оточенням користувача. Цей процес, відомий як генерація сітки площини, є предметом цього всебічного посібника.

Розуміння виявлення площин у WebXR

Перш ніж ми зможемо генерувати сітки, нам потрібно зрозуміти, як WebXR виявляє площини в реальному світі. Ця функціональність надається через інтерфейс XRPlaneSet, доступний через метод XRFrame.getDetectedPlanes(). Основна технологія базується на алгоритмах комп’ютерного зору, часто використовуючи дані датчиків з пристрою користувача (наприклад, камер, акселерометрів, гіроскопів) для ідентифікації плоских поверхонь.

Основні концепції:

• XRPlane: Представляє виявлену площину в середовищі користувача. Він надає інформацію про геометрію площини, позу та стан відстеження.
• XRPlaneSet: Набір об’єктів XRPlane, виявлених у поточному кадрі.
• Стан відстеження: Вказує на надійність виявленої площини. Площина може спочатку перебувати у «тимчасовому» стані, поки система збирає більше даних, зрештою переходячи в «відстежений» стан, коли відстеження стабілізується.

Практичний приклад:

Розгляньте сценарій, коли користувач переглядає свою вітальню через камеру свого смартфона за допомогою AR-додатку WebXR. Додаток використовує виявлення площини для ідентифікації підлоги, стін і кавового столика як потенційних поверхонь для розміщення віртуальних об’єктів. Ці виявлені поверхні представлені як об’єкти XRPlane в межах XRPlaneSet.

Методи створення сіток площин

Після того, як ми виявили площини, наступним кроком є створення 3D-сіток, які представляють ці поверхні. Можна використовувати кілька підходів, починаючи від простих прямокутних сіток до більш складних, динамічно оновлюваних сіток.

1. Прості прямокутні сітки

Найпростішим підходом є створення прямокутної сітки, яка наближає виявлену площину. Це передбачає використання властивості polygon XRPlane, яка надає вершини межі площини. Ми можемо використовувати ці вершини для визначення кутів нашого прямокутника.

Приклад коду (використання Three.js):

// Припускаючи, що 'plane' є об’єктом XRPlane const polygon = plane.polygon; const vertices = polygon.flatMap(point => [point.x, point.y, point.z]); // Знайдіть мінімальні та максимальні значення X та Z, щоб створити обмежувальний прямокутник let minX = Infinity; let maxX = -Infinity; let minZ = Infinity; let maxZ = -Infinity; for (let i = 0; i < vertices.length; i += 3) { minX = Math.min(minX, vertices[i]); maxX = Math.max(maxX, vertices[i]); minZ = Math.min(minZ, vertices[i + 2]); maxZ = Math.max(maxZ, vertices[i + 2]); } const width = maxX - minX; const height = maxZ - minZ; const geometry = new THREE.PlaneGeometry(width, height); const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00, side: THREE.DoubleSide }); const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material); // Розташуйте сітку в позі площини const pose = frame.getPose(plane.planeSpace, xrReferenceSpace); if (pose) { mesh.position.set(pose.transform.position.x, pose.transform.position.y, pose.transform.position.z); mesh.quaternion.set(pose.transform.orientation.x, pose.transform.orientation.y, pose.transform.orientation.z, pose.transform.orientation.w); } scene.add(mesh);

Переваги:

• Простота реалізації.
• Низька обчислювальна вартість.

Недоліки:

• Може неточно представляти справжню форму площини, особливо якщо вона не прямокутна.
• Не обробляє зміни межі площини (наприклад, при уточненні або затіненні площини).

2. Сітки на основі багатокутників

Більш точним підходом є створення сітки, яка точно відповідає багатокутнику виявленої площини. Це передбачає триангуляцію багатокутника та створення сітки з отриманих трикутників.

Триангуляція:

Триангуляція – це процес поділу багатокутника на набір трикутників. Для триангуляції можна використовувати кілька алгоритмів, таких як алгоритм обрізки вух або алгоритм триангуляції Делоне. Для ефективної триангуляції в JavaScript широко використовуються такі бібліотеки, як Earcut.

Приклад коду (використання Three.js та Earcut):

import Earcut from 'earcut'; // Припускаючи, що 'plane' є об’єктом XRPlane const polygon = plane.polygon; const vertices = polygon.flatMap(point => [point.x, point.y, point.z]); // Зробіть вершини плоскими в 1D-масив для Earcut const flattenedVertices = polygon.flatMap(point => [point.x, point.z]); // Y приймається рівним 0 для площини // Триангулюйте багатокутник за допомогою Earcut const triangles = Earcut(flattenedVertices, null, 2); // 2 вказує 2 значення на вершину (x, z) const geometry = new THREE.BufferGeometry(); // Створіть вершини, індекси та нормалі для сітки const positions = new Float32Array(vertices); const indices = new Uint32Array(triangles); geometry.setAttribute('position', new THREE.BufferAttribute(positions, 3)); geometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(indices, 1)); geometry.computeVertexNormals(); const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00, side: THREE.DoubleSide }); const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material); // Розташуйте сітку в позі площини const pose = frame.getPose(plane.planeSpace, xrReferenceSpace); if (pose) { mesh.position.set(pose.transform.position.x, pose.transform.position.y, pose.transform.position.z); mesh.quaternion.set(pose.transform.orientation.x, pose.transform.orientation.y, pose.transform.orientation.z, pose.transform.orientation.w); } scene.add(mesh);

Переваги:

• Більш точно представляє форму виявленої площини.

Недоліки:

• Складніша реалізація, ніж прості прямокутні сітки.
• Потрібна бібліотека триангуляції.
• Все ще може не ідеально обробляти зміни меж площини.

3. Динамічні оновлення сітки

У міру того, як система WebXR уточнює своє розуміння навколишнього середовища, виявлені площини можуть змінюватися з часом. Межа площини може збільшуватися в міру виявлення більшої площі, або вона може зменшуватися, якщо частини площини затінені. Щоб підтримувати точне представлення реального світу, важливо динамічно оновлювати сітки площин.

Реалізація:

• У кожному кадрі повторюйте XRPlaneSet та порівнюйте поточний багатокутник кожної площини з попереднім багатокутником.
• Якщо багатокутник значно змінився, відновіть сітку.
• Розгляньте можливість використання порогу, щоб уникнути непотрібного відновлення сітки для незначних змін.

Приклад сценарію:

Уявіть, що користувач ходить по кімнаті зі своїм AR-пристроєм. Під час переміщення система WebXR може виявити більше підлоги, внаслідок чого площина підлоги розшириться. У цьому випадку програмі потрібно буде оновити сітку підлоги, щоб відобразити нову межу площини. І навпаки, якщо користувач розміщує об’єкт на підлозі, який затінює частину площини, площина підлоги може зменшитися, вимагаючи ще одного оновлення сітки.

Оптимізація генерації сітки площини для продуктивності

Генерація сітки площини може бути інтенсивною з обчислювальної точки зору, особливо з динамічними оновленнями сітки. Важливо оптимізувати процес, щоб забезпечити плавний і чуйний AR-досвід.

Методи оптимізації:

• Кешування: Кешуйте згенеровані сітки та відновлюйте їх лише тоді, коли геометрія площини значно змінюється.
• LOD (Рівень деталізації): Використовуйте різні рівні деталізації для сіток площин залежно від їхньої відстані від користувача. Для віддалених площин може бути достатньо простої прямокутної сітки, тоді як ближчі площини можуть використовувати більш детальні сітки на основі багатокутників.
• Web Workers: Перенесіть генерацію сітки у Web Worker, щоб уникнути блокування основного потоку, що може спричинити пропуски кадрів та заїкання.
• Спрощення геометрії: Зменшіть кількість трикутників у сітці, використовуючи алгоритми спрощення геометрії. Для цього можна використовувати такі бібліотеки, як Simplify.js.
• Ефективні структури даних: Використовуйте ефективні структури даних для зберігання та маніпулювання даними сітки. Типізовані масиви можуть забезпечити значне покращення продуктивності порівняно зі звичайними масивами JavaScript.

Інтеграція сіток площин з освітленням і тінями

Щоб створити справді захоплюючі AR-враження, важливо інтегрувати згенеровані сітки площин з реалістичним освітленням і тінями. Це передбачає налаштування відповідного освітлення в сцені та увімкнення відкидання та отримання тіней на сітках площин.

Реалізація (використання Three.js):

// Додайте направлене світло до сцени const directionalLight = new THREE.DirectionalLight(0xffffff, 0.5); directionalLight.position.set(0, 5, 5); directionalLight.castShadow = true; // Увімкніть відкидання тіней scene.add(directionalLight); // Налаштуйте параметри карти тіні directionalLight.shadow.mapSize.width = 1024; directionalLight.shadow.mapSize.height = 1024; directionalLight.shadow.camera.near = 0.5; directionalLight.shadow.camera.far = 15; // Встановіть renderer, щоб увімкнути тіні renderer.shadowMap.enabled = true; renderer.shadowMap.type = THREE.PCFSoftShadowMap; // Встановіть сітку площини, щоб отримувати тіні mesh.receiveShadow = true;

Загальні міркування:

Умови освітлення значно відрізняються в різних регіонах і середовищах. Під час розробки AR-додатків для глобальної аудиторії розгляньте можливість використання карт навколишнього середовища або методів динамічного освітлення, щоб адаптуватися до умов освітлення навколишнього середовища. Це може покращити реалістичність і занурення у досвід.

Передові методи: семантична сегментація та класифікація площин

Сучасні AR-платформи все частіше включають можливості семантичної сегментації та класифікації площин. Семантична сегментація передбачає ідентифікацію та маркування різних типів об’єктів у сцені (наприклад, підлоги, стіни, стелі, меблі). Класифікація площин робить крок далі, класифікуючи виявлені площини на основі їх орієнтації та властивостей (наприклад, горизонтальні поверхні, вертикальні поверхні).

Переваги:

• Покращене розміщення об’єктів: Семантичну сегментацію та класифікацію площин можна використовувати для автоматичного розміщення віртуальних об’єктів на відповідних поверхнях. Наприклад, віртуальний стіл можна розмістити лише на горизонтальних поверхнях, класифікованих як підлоги або столи.
• Реалістична взаємодія: Розуміння семантики навколишнього середовища дозволяє більш реалістично взаємодіяти між віртуальними об’єктами та реальним світом. Наприклад, віртуальний м’яч може реалістично котитися по виявленій поверхні підлоги.
• Покращений досвід користувача: Автоматично розуміючи навколишнє середовище користувача, AR-додатки можуть забезпечити більш інтуїтивно зрозумілий та безперебійний досвід користувача.

Приклад:

Уявіть собі AR-додаток, який дозволяє користувачам віртуально обставляти свою вітальню. Використовуючи семантичну сегментацію та класифікацію площин, програма може автоматично ідентифікувати підлогу та стіни, дозволяючи користувачеві легко розміщувати віртуальні меблі в кімнаті. Програма також може не дозволяти користувачеві розміщувати меблі на поверхнях, які не підходять, наприклад, на стелі.

Міркування між платформами

WebXR прагне забезпечити міжплатформний досвід AR/VR, але все ще існують деякі відмінності в можливостях виявлення площин на різних пристроях і платформах. ARKit (iOS) та ARCore (Android) є основними AR-платформами, які WebXR використовує на мобільних пристроях, і вони можуть мати різний рівень точності та підтримки функцій.

Кращі практики:

• Виявлення функцій: Використовуйте виявлення функцій, щоб перевірити доступність виявлення площин на поточному пристрої.
• Механізми відкату: Реалізуйте механізми відкату для пристроїв, які не підтримують виявлення площин. Наприклад, ви можете дозволити користувачам вручну розміщувати віртуальні об’єкти в сцені.
• Адаптивні стратегії: Адаптуйте поведінку своєї програми на основі якості виявлення площини. Якщо виявлення площини ненадійне, можливо, вам знадобиться зменшити кількість віртуальних об’єктів або спростити взаємодії.

Етичні міркування

Оскільки технологія AR стає все більш поширеною, важливо враховувати етичні наслідки виявлення площин і створення геометрії поверхні. Однією з проблем є потенційне порушення конфіденційності. AR-додатки можуть збирати дані про навколишнє середовище користувача, включаючи планування їхнього будинку чи офісу. Важливо бути прозорим щодо того, як використовуються ці дані, і надати користувачам контроль над налаштуваннями конфіденційності.

Етичні принципи:

• Мінімізація даних: Збирайте лише дані, які необхідні для функціонування програми.
• Прозорість: Будьте прозорими щодо того, як збираються та використовуються дані.
• Контроль користувача: Надайте користувачам контроль над налаштуваннями конфіденційності.
• Безпека: Безпечно зберігайте та передавайте дані користувачів.
• Доступність: Забезпечте доступність AR-додатків для користувачів з обмеженими можливостями.

Висновок

Генерація сітки площини WebXR – це потужний метод створення захоплюючих AR-вражень. Точно визначаючи та представляючи поверхні реального світу, розробники можуть плавно інтегрувати віртуальні об’єкти в середовище користувача. Оскільки технологія WebXR продовжує розвиватися, ми можемо очікувати побачити ще більш складні методи виявлення площин і генерації сіток, що забезпечує ще більш реалістичні та захоплюючі AR-додатки. Від вражень електронної комерції, що дозволяють користувачам віртуально розміщувати меблі у своїх будинках (як це було глобально видно в AR-додатку IKEA), до освітніх інструментів, які накладають інтерактивні навчальні матеріали на об’єкти реального світу, можливості величезні.

Розуміючи основні концепції, освоюючи методи реалізації та дотримуючись найкращих практик, розробники можуть створювати справді переконливі AR-досвіди, які розширюють межі можливого в Інтернеті. Не забувайте надавати пріоритет продуктивності, враховувати сумісність між платформами та враховувати етичні міркування, щоб гарантувати, що ваші AR-додатки будуть одночасно захоплюючими та відповідальними.

Ресурси та подальше навчання

• Специфікація API пристрою WebXR: https://www.w3.org/TR/webxr/
• Three.js: https://threejs.org/
• Babylon.js: https://www.babylonjs.com/
• Earcut (Бібліотека триангуляції): https://github.com/mapbox/earcut
• ARKit (Apple): https://developer.apple.com/augmented-reality/arkit/
• ARCore (Google): https://developers.google.com/ar

Ми заохочуємо вас вивчити ці ресурси та поекспериментувати з генерацією сітки площини у своїх проектах WebXR. Майбутнє мережі – це занурення, і WebXR надає інструменти для побудови цього майбутнього.