Відображення у WebXR: реалістичний рендеринг поверхонь та мапування середовища

WebXR революціонізує нашу взаємодію з вебом, виходячи за рамки традиційних 2D-інтерфейсів у захоплюючі 3D-середовища. Ключовим елементом у створенні переконливого та правдоподібного досвіду WebXR є реалістичний рендеринг поверхонь. Це включає точну симуляцію взаємодії світла з різними матеріалами, створення відображень, тіней та інших візуальних ефектів, що сприяють відчуттю присутності та занурення. Ця стаття розглядає основні концепції та техніки, що використовуються для досягнення реалістичного рендерингу поверхонь, зокрема фокусуючись на відображеннях та мапуванні середовища в контексті WebXR.

Важливість реалістичного рендерингу у WebXR

Реалістичний рендеринг — це не просто про те, щоб зробити речі гарними; він відіграє фундаментальну роль у користувацькому досвіді та сприйнятті в середовищах XR. Коли об'єкти та оточення виглядають реалістично, наш мозок з більшою ймовірністю приймає їх за справжні, що призводить до сильнішого відчуття присутності. Це надзвичайно важливо для застосунків, починаючи від віртуального туризму та віддаленої співпраці до тренувальних симуляцій та інтерактивних історій.

• Посилене занурення: Реалістична візуалізація створює глибше відчуття занурення, дозволяючи користувачам відчувати себе більш присутніми у віртуальному або доповненому середовищі.
• Краще розуміння: Точно відрендерені об'єкти та сцени можуть покращити сприйняття та розуміння, особливо в освітніх або навчальних контекстах. Уявіть собі дослідження віртуального музею з артефактами, що виглядають і відчуваються неймовірно реальними.
• Підвищена залученість: Візуально привабливий та реалістичний досвід є більш захоплюючим та приємним для користувачів, що призводить до кращого утримання аудиторії та позитивних відгуків.
• Зменшення когнітивного навантаження: Реалістичний рендеринг може зменшити когнітивне навантаження, надаючи візуальні підказки, що відповідають нашим очікуванням у реальному світі.

Основи рендерингу поверхонь

Рендеринг поверхонь — це процес обчислення кольору та вигляду поверхні об'єкта на основі властивостей його матеріалу, умов освітлення та кута огляду. На взаємодію світла з поверхнею впливають кілька факторів, зокрема:

• Властивості матеріалу: Тип матеріалу (наприклад, метал, пластик, скло) визначає, як він відбиває, заломлює та поглинає світло. Ключові властивості матеріалу включають колір, шорсткість, металічність та прозорість.
• Освітлення: Інтенсивність, колір та напрямок джерел світла значно впливають на вигляд поверхні. Поширені типи освітлення включають направлені, точкові та розсіяні джерела світла.
• Кут огляду: Кут, під яким спостерігач дивиться на поверхню, впливає на сприйманий колір та яскравість через дзеркальні відображення та інші ефекти, що залежать від кута огляду.

Традиційно WebGL значною мірою покладався на апроксимації цих фізичних явищ, що призводило до неідеального реалізму. Однак сучасна розробка WebXR використовує такі техніки, як фізично коректний рендеринг (PBR), для досягнення набагато точніших та переконливіших результатів.

Фізично коректний рендеринг (PBR)

PBR — це техніка рендерингу, яка має на меті симулювати взаємодію світла з матеріалами на основі принципів фізики. На відміну від традиційних методів рендерингу, які покладаються на спеціальні апроксимації, PBR прагне до збереження енергії та узгодженості матеріалів. Це означає, що кількість світла, відбитого від поверхні, ніколи не повинна перевищувати кількість світла, що на неї падає, а властивості матеріалу повинні залишатися незмінними незалежно від умов освітлення.

Ключові поняття в PBR включають:

• Збереження енергії: Кількість світла, відбитого від поверхні, ніколи не повинна перевищувати кількість світла, що на неї падає.
• Двонаправлена функція розподілу відбиття (BRDF): BRDF описує, як світло відбивається від поверхні під різними кутами. PBR використовує фізично правдоподібні BRDF, такі як моделі Кука-Торренса або GGX, для симуляції реалістичних дзеркальних відображень.
• Теорія мікрограней: PBR припускає, що поверхні складаються з крихітних мікроскопічних граней, які відбивають світло в різних напрямках. Шорсткість поверхні визначає розподіл цих мікрограней, впливаючи на чіткість та інтенсивність дзеркальних відображень.
• Металевий робочий процес: PBR часто використовує металевий робочий процес, де матеріали класифікуються як металеві або неметалеві (діелектричні). Металеві матеріали, як правило, відбивають світло дзеркально, тоді як неметалеві матеріали мають більш дифузну складову відбиття.

Матеріали PBR зазвичай визначаються за допомогою набору текстур, які описують властивості поверхні. Поширені текстури PBR включають:

• Базовий колір (Альбедо): Основний колір поверхні.
• Металічність: Вказує, чи є матеріал металевим чи неметалевим.
• Шорсткість: Контролює гладкість або шорсткість поверхні, впливаючи на чіткість дзеркальних відображень.
• Карта нормалей: Текстура, яка кодує нормалі поверхні, дозволяючи симулювати дрібні деталі без збільшення кількості полігонів.
• Оклюзія навколишнього середовища (AO): Відображає кількість розсіяного світла, яке блокується сусідньою геометрією, додаючи поверхні ледь помітні тіні та глибину.

Мапування середовища для відображень

Мапування середовища — це техніка, що використовується для симуляції відображень та заломлень шляхом захоплення навколишнього середовища та використання його для визначення кольору відбитого або заломленого світла. Ця техніка особливо корисна для створення реалістичних відображень на блискучих або глянцевих поверхнях у середовищах WebXR.

Типи карт середовища

• Кубічні карти: Кубічна карта — це набір з шести текстур, які представляють середовище з центральної точки. Кожна текстура відповідає одній з шести граней куба. Кубічні карти широко використовуються для мапування середовища завдяки їхній здатності захоплювати 360-градусний огляд оточення.
• Еквідистантні циліндричні карти (HDRI): Еквідистантна циліндрична карта — це панорамне зображення, що охоплює всю сферу середовища. Ці карти часто зберігаються у форматі HDR (High Dynamic Range), що дозволяє використовувати ширший діапазон кольорів та інтенсивностей, що призводить до більш реалістичних відображень. HDRI захоплюються за допомогою спеціалізованих камер або генеруються за допомогою програмного забезпечення для рендерингу.

Генерація карт середовища

Карти середовища можна генерувати кількома способами:

• Попередньо відрендерені кубічні карти: Вони створюються офлайн за допомогою програмного забезпечення для 3D-рендерингу. Вони пропонують високу якість, але є статичними і не можуть динамічно змінюватися під час виконання.
• Генерація кубічних карт у реальному часі: Це передбачає рендеринг середовища з позиції об'єкта, що відбиває, у реальному часі. Це дозволяє створювати динамічні відображення, які адаптуються до змін у сцені, але це може бути обчислювально затратним.
• Захоплені HDRI: Використовуючи спеціалізовані камери, ви можете захоплювати реальні середовища як HDRI. Вони надають неймовірно реалістичні дані про освітлення та відображення, але є статичними.
• Процедурні карти середовища: Вони генеруються алгоритмічно, що дозволяє створювати динамічні та настроювані середовища. Вони часто менш реалістичні, ніж захоплені або попередньо відрендерені карти, але можуть бути корисними для стилізованих або абстрактних середовищ.

Використання карт середовища у WebXR

Щоб використовувати карти середовища у WebXR, вам потрібно завантажити дані карти та застосувати їх до матеріалів об'єктів у вашій сцені. Зазвичай це включає створення шейдера, який вибирає зразок з карти середовища на основі нормалі поверхні та напрямку огляду. Сучасні фреймворки WebGL, такі як Three.js та Babylon.js, надають вбудовану підтримку для мапування середовища, що полегшує інтеграцію цієї техніки у ваші проєкти WebXR.

Трасування променів (майбутнє рендерингу WebXR)

Хоча PBR та мапування середовища дають відмінні результати, кінцевою метою реалістичного рендерингу є симуляція шляху світлових променів під час їх взаємодії з середовищем. Трасування променів — це техніка рендерингу, яка відстежує шлях світлових променів від камери до об'єктів у сцені, симулюючи відображення, заломлення та тіні з високою точністю. Хоча трасування променів у реальному часі в WebXR все ще перебуває на ранніх стадіях через обмеження продуктивності, воно має величезний потенціал для створення справді фотореалістичного досвіду в майбутньому.

Виклики трасування променів у WebXR:

• Продуктивність: Трасування променів є обчислювально затратним, особливо для складних сцен. Оптимізація алгоритмів трасування променів та використання апаратного прискорення є вирішальними для досягнення продуктивності в реальному часі.
• Обмеження веб-платформи: WebGL історично мав обмеження щодо доступу до низькорівневих апаратних функцій, необхідних для ефективного трасування променів. Однак новіші API WebGPU вирішують ці обмеження та відкривають шлях для більш просунутих технік рендерингу.

Потенціал трасування променів у WebXR:

• Фотореалістичний рендеринг: Трасування променів може створювати неймовірно реалістичні зображення з точними відображеннями, заломленнями та тінями.
• Глобальне освітлення: Трасування променів може симулювати ефекти глобального освітлення, де світло відбивається від поверхонь і непрямо освітлює середовище, створюючи більш природне та захоплююче освітлення.
• Інтерактивний досвід: Завдяки оптимізованим алгоритмам трасування променів та апаратному прискоренню в майбутньому стане можливим створювати інтерактивні досвіди WebXR з фотореалістичним рендерингом.

Практичні приклади та фрагменти коду (Three.js)

Давайте розглянемо, як реалізувати мапування середовища за допомогою Three.js, популярної бібліотеки WebGL.

Завантаження HDR карти середовища

Спочатку вам знадобиться HDR (High Dynamic Range) карта середовища. Зазвичай вони мають формат .hdr або .exr. Three.js надає завантажувачі для цих форматів.

            
import * as THREE from 'three';
import { RGBELoader } from 'three/examples/jsm/loaders/RGBELoader.js';

let environmentMap;

new RGBELoader()
  .setPath( 'textures/' )
  .load( 'venice_sunset_1k.hdr', function ( texture ) {

    texture.mapping = THREE.EquirectangularReflectionMapping;

    environmentMap = texture;

    //Apply to a scene or material here (see below)

  } );

            

              
                Copy
              
            
          

Застосування карти середовища до матеріалу

Після завантаження карти середовища ви можете застосувати її до властивості `envMap` матеріалу, такого як `MeshStandardMaterial` (матеріал PBR) або `MeshPhongMaterial`.

            
const geometry = new THREE.SphereGeometry( 1, 32, 32 );
const material = new THREE.MeshStandardMaterial( {
  color: 0xffffff,
  metalness: 0.9,  //Make it shiny!
  roughness: 0.1,
  envMap: environmentMap,
} );

const sphere = new THREE.Mesh( geometry, material );
scene.add( sphere );

            

              
                Copy
              
            
          

Динамічні карти середовища (з використанням цілі рендерингу WebXR)

Для динамічних відображень у реальному часі ви можете створити `THREE.WebGLCubeRenderTarget` і оновлювати його кожен кадр, рендерячи сцену в нього. Це складніше, але дозволяє отримувати відображення, які реагують на зміни в середовищі.

            
//Create a cube render target
const cubeRenderTarget = new THREE.WebGLCubeRenderTarget( 256 ); //Resolution of the cube map faces
const cubeCamera = new THREE.CubeCamera( 0.1, 1000, cubeRenderTarget ); //Near, far, renderTarget

//In your render loop:

cubeCamera.update( renderer, scene ); //Renders the scene to the cubeRenderTarget

//Then apply the cubeRenderTarget to your material:
material.envMap = cubeRenderTarget.texture;

            

              
                Copy
              
            
          

Важливі міркування:

• Продуктивність: Динамічні карти середовища є затратними. Використовуйте нижчу роздільну здатність для текстур кубічної карти та розглядайте можливість оновлювати їх рідше.
• Позиціонування: `CubeCamera` повинна бути правильно розташована, зазвичай у центрі об'єкта, що відбиває.
• Вміст: Вміст, відрендерений у кубічну карту, буде тим, що відображається. Переконайтеся, що відповідні об'єкти присутні на сцені.

Техніки оптимізації для рендерингу у WebXR

Оптимізація продуктивності рендерингу є вирішальною для створення плавного та чутливого досвіду WebXR. Ось деякі ключові техніки оптимізації:

• Рівень деталізації (LOD): Використовуйте моделі з нижчою роздільною здатністю для об'єктів, що знаходяться далеко від глядача. Three.js має вбудовану підтримку LOD.
• Стиснення текстур: Використовуйте стиснуті формати текстур, такі як Basis Universal (KTX2), щоб зменшити використання пам'яті текстур та покращити час завантаження.
• Відсікання невидимих об'єктів: Запобігайте рендерингу об'єктів, які приховані за іншими об'єктами.
• Оптимізація шейдерів: Оптимізуйте шейдери для зменшення кількості обчислень, що виконуються на піксель.
• Інстансинг: Рендеринг декількох екземплярів одного об'єкта за допомогою одного виклику малювання.
• Частота кадрів WebXR: Націлюйтеся на стабільну частоту кадрів (наприклад, 60 або 90 FPS) та налаштовуйте параметри рендерингу для підтримки продуктивності.
• Використовуйте WebGL2: Де це можливо, використовуйте переваги WebGL2, який пропонує покращення продуктивності порівняно з WebGL1.
• Мінімізуйте виклики малювання: Кожен виклик малювання має накладні витрати. Групуйте геометрію, де це можливо, щоб зменшити кількість викликів малювання.

Кросплатформні міркування

WebXR має на меті бути кросплатформною технологією, що дозволяє запускати XR-досвід на різноманітних пристроях, включаючи гарнітури, мобільні телефони та настільні комп'ютери. Однак є деякі кросплатформні міркування, які слід враховувати:

• Апаратні можливості: Різні пристрої мають різні апаратні можливості. Висококласні гарнітури можуть підтримувати розширені функції рендерингу, такі як трасування променів, тоді як мобільні телефони можуть мати більш обмежені можливості. Адаптуйте налаштування рендерингу залежно від цільового пристрою.
• Сумісність з браузерами: Переконайтеся, що ваш застосунок WebXR сумісний з різними веб-браузерами та середовищами виконання XR. Тестуйте свій застосунок на різноманітних пристроях та браузерах.
• Методи введення: Різні пристрої можуть використовувати різні методи введення, такі як контролери, відстеження рук або голосове введення. Проектуйте свій застосунок для підтримки декількох методів введення.
• Оптимізація продуктивності: Оптимізуйте свій застосунок для найменш потужного цільового пристрою, щоб забезпечити плавний та чутливий досвід на всіх платформах.

Майбутнє реалістичного рендерингу у WebXR

Сфера реалістичного рендерингу у WebXR постійно розвивається. Ось деякі захоплюючі тенденції та майбутні напрямки:

• WebGPU: Поява WebGPU, нового веб-графічного API, обіцяє значні покращення продуктивності порівняно з WebGL, уможливлюючи більш просунуті техніки рендерингу, такі як трасування променів.
• Рендеринг на основі ШІ: Штучний інтелект (ШІ) використовується для покращення технік рендерингу, таких як усунення шумів у зображеннях з трасуванням променів та генерація реалістичних текстур.
• Нейронний рендеринг: Техніки нейронного рендерингу використовують глибоке навчання для створення фотореалістичних зображень з розрідженого набору вхідних зображень.
• Глобальне освітлення в реальному часі: Дослідники розробляють техніки для глобального освітлення в реальному часі у WebXR, створюючи більш природне та захоплююче освітлення.
• Покращене стиснення: Розробляються нові алгоритми стиснення для зменшення розміру текстур та 3D-моделей, що дозволяє швидше завантажувати та покращувати продуктивність.

Висновок

Реалістичний рендеринг поверхонь, включаючи такі техніки, як PBR та мапування середовища, є важливим для створення захоплюючого та імерсивного досвіду WebXR. Розуміючи принципи взаємодії світла, використовуючи сучасні фреймворки WebGL та оптимізуючи продуктивність рендерингу, розробники можуть створювати середовища віртуальної та доповненої реальності, які є одночасно візуально вражаючими та захоплюючими. Оскільки WebGPU та інші передові технології рендерингу стають все доступнішими, майбутнє реалістичного рендерингу у WebXR виглядає яскравішим, ніж будь-коли, прокладаючи шлях до справді фотореалістичних та інтерактивних XR-досвідів.

Досліджуйте такі ресурси, як специфікація glTF від Khronos Group для стандартизованої доставки ресурсів, та експериментуйте зі зразками WebXR від Mozilla та Google, щоб поглибити своє розуміння. Шлях до справді фотореалістичного досвіду WebXR триває, і ваш внесок може сформувати майбутнє розробки імерсивного вебу.