Nguồn Hit Test WebXR: Ray Casting và Tương tác Đối tượng

Sự ra đời của WebXR đã mở ra những khả năng chưa từng có cho các trải nghiệm nhập vai trực tiếp trong trình duyệt web. Nền tảng của những trải nghiệm này là khả năng tương tác với các đối tượng ảo trong thế giới thực (trong Thực tế tăng cường – AR) hoặc một môi trường ảo (trong Thực tế ảo – VR). Sự tương tác này phụ thuộc vào một quy trình được gọi là hit testing, và một kỹ thuật cơ bản được sử dụng cho việc này là ray casting. Bài viết blog này sẽ đi sâu vào thế giới của hit testing trong WebXR sử dụng ray casting, giải thích các nguyên tắc, cách triển khai và các ứng dụng trong thực tế.

Tìm hiểu về WebXR và Tầm quan trọng của nó

WebXR (Web Mixed Reality) là một bộ tiêu chuẩn web cho phép các nhà phát triển tạo ra các trải nghiệm 3D và thực tế tăng cường nhập vai có thể truy cập thông qua trình duyệt web. Điều này loại bỏ nhu cầu cài đặt ứng dụng gốc, mang lại một phương pháp tiếp cận tinh gọn để thu hút người dùng. Người dùng có thể truy cập những trải nghiệm này trên nhiều loại thiết bị – điện thoại thông minh, máy tính bảng, kính VR và kính AR. Bản chất mở của WebXR thúc đẩy sự đổi mới nhanh chóng và khả năng tương thích đa nền tảng, biến nó thành một công cụ mạnh mẽ cho các nhà phát triển trên toàn cầu. Các ví dụ bao gồm trực quan hóa sản phẩm, trò chơi tương tác và không gian làm việc cộng tác.

Ray Casting là gì?

Ray casting là một kỹ thuật đồ họa máy tính được sử dụng để xác định xem một tia, bắt nguồn từ một điểm cụ thể và di chuyển theo một hướng nhất định, có giao với một hoặc nhiều đối tượng trong một cảnh 3D hay không. Hãy tưởng tượng nó giống như việc bắn một tia laser vô hình từ một điểm nguồn (ví dụ: tay người dùng, camera của thiết bị) và kiểm tra xem tia đó có chạm vào bất cứ thứ gì trong thế giới ảo không. Đây là yếu tố cơ bản cho việc tương tác đối tượng trong WebXR. Dữ liệu giao điểm thường bao gồm điểm giao, khoảng cách đến điểm giao và vector pháp tuyến tại điểm đó. Thông tin này cho phép thực hiện các hành động như chọn đối tượng, di chuyển chúng hoặc kích hoạt các sự kiện cụ thể.

Nguồn Hit Test và Vai trò của nó

Trong WebXR, một nguồn hit test xác định điểm gốc và hướng của tia được chiếu ra. Về cơ bản, nó đại diện cho nơi mà 'tia' bắt nguồn. Các nguồn phổ biến bao gồm:

• Bàn tay/Bộ điều khiển của người dùng: Khi người dùng tương tác với bộ điều khiển VR hoặc theo dõi bàn tay của họ trong trải nghiệm AR.
• Camera của thiết bị: Trong các trải nghiệm AR, camera cung cấp góc nhìn để xem và tương tác với các đối tượng ảo.
• Các điểm cụ thể trong cảnh: Các vị trí được xác định theo chương trình để tương tác.

Nguồn hit test rất quan trọng để xác định ý định của người dùng và thiết lập một điểm tiếp xúc để tương tác với đối tượng. Hướng của tia được xác định dựa trên nguồn (ví dụ: hướng của bàn tay, vector hướng về phía trước của camera).

Triển khai: Ray Casting trong WebXR (Ví dụ JavaScript)

Hãy cùng phân tích một ví dụ đơn giản về việc triển khai ray casting trong WebXR bằng JavaScript. Điều này sẽ cung cấp một sự hiểu biết nền tảng trước khi đi sâu vào các khái niệm phức tạp hơn.

            
// Initialize XR session and necessary variables
let xrSession = null;
let xrReferenceSpace = null;
let hitTestSource = null;

async function startXR() {
  try {
    xrSession = await navigator.xr.requestSession('immersive-ar', { requiredFeatures: ['hit-test'] });
    // Optional Features: 'anchors'

    xrSession.addEventListener('end', onXRSessionEnded);
    xrSession.addEventListener('select', onSelect);

    const gl = document.createElement('canvas').getContext('webgl', { xrCompatible: true });
    await xrSession.updateRenderState({ baseLayer: new XRWebGLLayer(xrSession, gl) });

    xrReferenceSpace = await xrSession.requestReferenceSpace('viewer');
    xrSession.requestHitTestSource({ space: xrReferenceSpace }).then(onHitTestSourceReady);

  } catch (error) {
    console.error('Failed to start XR session:', error);
  }
}

function onHitTestSourceReady(hitTestSourceArg) {
  hitTestSource = hitTestSourceArg;
}

function onSelect(event) {
    if (!hitTestSource) {
        return;
    }

    const frame = event.frame;
    const hitTestResults = frame.getHitTestResults(hitTestSource);

    if (hitTestResults.length > 0) {
      const hit = hitTestResults[0];
      const pose = hit.getPose(xrReferenceSpace);
      if (pose) {
          // Create/Move an object to the hit location (e.g., a cube)
          placeObjectAtHit(pose.transform);
      }
    }
}

function placeObjectAtHit(transform) {
    // Implementation to position and orient the 3D object.
    // This will depend on the 3D rendering library being used (e.g., Three.js, Babylon.js)
    console.log("Object Placed!", transform);
}

function onXRSessionEnded() {
  if (hitTestSource) {
      hitTestSource.cancel();
      hitTestSource = null;
  }
  xrSession = null;
}

// Button event to start the XR session
document.getElementById('xrButton').addEventListener('click', startXR);

            

              
                Copy
              
            
          

Giải thích Mã:

1. Yêu cầu một phiên XR: Đoạn mã yêu cầu một phiên 'immersive-ar' (chế độ AR). Điều này bao gồm 'hit-test' là một tính năng bắt buộc.
2. Lấy Nguồn Hit Test: Phiên XR được sử dụng để yêu cầu một nguồn hit test, sử dụng không gian tham chiếu 'viewer'.
3. Xử lý sự kiện 'select': Đây là cốt lõi của sự tương tác. Khi người dùng 'chọn' (chạm, nhấp hoặc kích hoạt một hành động trên bộ điều khiển), sự kiện này sẽ được kích hoạt.
4. Thực hiện Hit Test: `frame.getHitTestResults(hitTestSource)` là hàm quan trọng. Nó thực hiện việc chiếu tia và trả về một mảng các kết quả hit (các đối tượng mà tia đã giao nhau).
5. Xử lý Kết quả Hit: Nếu tìm thấy kết quả hit, chúng ta sẽ lấy tư thế (vị trí và hướng) của điểm hit và đặt một đối tượng vào cảnh tại vị trí đó.
6. Đặt đối tượng: Hàm `placeObjectAtHit()` xử lý việc đặt vị trí và hướng của đối tượng 3D tại vị trí hit. Chi tiết sẽ khác nhau tùy thuộc vào thư viện kết xuất 3D bạn đã chọn (Three.js, Babylon.js, v.v.).

Ví dụ này là một minh họa đơn giản. Việc triển khai thực tế có thể sẽ bao gồm các thư viện kết xuất và thao tác đối tượng phức tạp hơn.

Sử dụng Three.js để Kết xuất (Ví dụ về đặt đối tượng)

Đây là cách bạn có thể tích hợp logic đặt đối tượng vào một cảnh Three.js:

            
// Assuming you have a Three.js scene, camera, and renderer set up
import * as THREE from 'three';

let scene, camera, renderer;
let objectToPlace; // A 3D object (e.g., a cube)

function initThreeJS() {
    scene = new THREE.Scene();
    camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
    renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true, alpha: true });
    renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
    document.body.appendChild(renderer.domElement);

    // Create a simple cube
    const geometry = new THREE.BoxGeometry(0.1, 0.1, 0.1);
    const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 });
    objectToPlace = new THREE.Mesh(geometry, material);
    scene.add(objectToPlace);
    objectToPlace.visible = false; // Initially hidden

    // Set camera position (example)
    camera.position.z = 2;
}

function placeObjectAtHit(transform) {
    // Extract position and rotation from the transform
    const position = new THREE.Vector3();
    const quaternion = new THREE.Quaternion();
    const scale = new THREE.Vector3();
    transform.matrix.decompose(position, quaternion, scale);

    // Apply the transform to our object
    objectToPlace.position.copy(position);
    objectToPlace.quaternion.copy(quaternion);
    objectToPlace.visible = true;
}

function render() {
    renderer.render(scene, camera);
}

function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);
  render();
}

// Call initThreeJS after the page has loaded and WebXR session is started.
// initThreeJS();

            

              
                Copy
              
            
          

Ví dụ đã sửa đổi này tích hợp Three.js. Nó khởi tạo một cảnh, camera và trình kết xuất cơ bản, cùng với một khối lập phương (objectToPlace). Hàm placeObjectAtHit bây giờ trích xuất vị trí và vòng quay từ biến đổi được cung cấp bởi hit test, và thiết lập vị trí và hướng của khối lập phương cho phù hợp. Khả năng hiển thị của khối lập phương ban đầu được đặt thành false, và chỉ được hiển thị khi có một hit xảy ra.

Những Lưu ý Chính và Các Phương pháp Hay nhất

• Hiệu suất: Ray casting có thể tốn nhiều tài nguyên tính toán, đặc biệt khi thực hiện nhiều hit test trong một khung hình. Tối ưu hóa bằng cách giới hạn số lượng hit test, loại bỏ các đối tượng dựa trên khoảng cách của chúng và sử dụng các cấu trúc dữ liệu hiệu quả.
• Độ chính xác: Đảm bảo độ chính xác của các phép tính ray casting của bạn. Các phép tính không chính xác có thể dẫn đến sự sai lệch và trải nghiệm người dùng kém.
• Độ phức tạp của cảnh: Độ phức tạp của cảnh 3D ảnh hưởng đến hiệu suất của các hit test. Đơn giản hóa các mô hình khi có thể và xem xét sử dụng các kỹ thuật mức độ chi tiết (LOD).
• Phản hồi cho người dùng: Cung cấp các tín hiệu hình ảnh rõ ràng cho người dùng để chỉ ra tia bắt nguồn từ đâu và khi nào một hit đã xảy ra. Các chỉ báo trực quan như tâm ngắm hoặc làm nổi bật đối tượng có thể cải thiện đáng kể khả năng sử dụng. Ví dụ, một hiệu ứng nổi bật có thể xuất hiện trên một đối tượng có thể tương tác.
• Xử lý lỗi: Triển khai xử lý lỗi mạnh mẽ để quản lý một cách mượt mà các vấn đề tiềm ẩn với phiên XR, kết quả hit test và kết xuất.
• Khả năng tiếp cận: Xem xét đến người dùng khuyết tật. Cung cấp các phương thức nhập liệu thay thế và các tín hiệu âm thanh và hình ảnh rõ ràng.
• Tương thích đa nền tảng: Mặc dù WebXR hướng tới khả năng tương thích đa nền tảng, hãy kiểm tra ứng dụng của bạn trên các thiết bị và trình duyệt khác nhau để đảm bảo trải nghiệm người dùng nhất quán.
• Xác thực đầu vào: Xác thực đầu vào của người dùng (ví dụ: nhấn nút bộ điều khiển, chạm vào màn hình) để ngăn chặn hành vi không mong muốn hoặc các lỗ hổng bảo mật.
• Hệ tọa độ: Hiểu hệ tọa độ mà công cụ 3D của bạn sử dụng và cách nó liên quan đến các không gian tham chiếu WebXR. Việc căn chỉnh đúng là rất quan trọng.

Các Khái niệm và Kỹ thuật Nâng cao

• Nhiều Hit Test: Thực hiện nhiều hit test đồng thời để phát hiện giao điểm với các đối tượng khác nhau.
• Lọc kết quả Hit Test: Lọc kết quả hit test dựa trên thuộc tính hoặc thẻ của đối tượng (ví dụ: chỉ cho phép hit trên các đối tượng có thể tương tác).
• Anchors (Điểm neo): Sử dụng các điểm neo WebXR để giữ các đối tượng ảo ở các vị trí cụ thể trong thế giới thực. Điều này cho phép đối tượng vẫn ở cùng một chỗ ngay cả khi người dùng di chuyển.
• Occlusion (Che khuất): Triển khai các kỹ thuật để thể hiện chính xác sự che khuất, nơi các đối tượng ảo bị ẩn sau các đối tượng trong thế giới thực.
• Âm thanh không gian: Tích hợp âm thanh không gian để tạo ra môi trường âm thanh nhập vai hơn.
• Tương tác Giao diện Người dùng (UI): Thiết kế các yếu tố UI trực quan (nút, menu) có thể tương tác trong môi trường XR.

Ứng dụng thực tế của WebXR Hit Testing

WebXR hit testing với ray casting có một loạt các ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau trên toàn cầu. Các ví dụ bao gồm:

• Thương mại điện tử và Trực quan hóa sản phẩm: Cho phép người dùng đặt các sản phẩm ảo vào môi trường của họ trước khi mua. Hãy xem xét trải nghiệm người dùng khi đặt đồ nội thất, thử quần áo hoặc đặt một thiết bị mới trong nhà bếp bằng AR.
• Đào tạo và Mô phỏng: Tạo ra các mô phỏng đào tạo tương tác cho các lĩnh vực khác nhau, như y tế, sản xuất và hàng không. Ví dụ, một sinh viên y khoa có thể thực hành một quy trình phẫu thuật.
• Trò chơi và Giải trí: Xây dựng các trò chơi nhập vai nơi người chơi có thể tương tác với các đối tượng ảo. Hãy tưởng tượng việc khám phá một cuộc săn tìm kho báu trong chính ngôi nhà của bạn bằng AR.
• Giáo dục và Bảo tàng: Nâng cao trải nghiệm giáo dục với các mô hình 3D tương tác và hình ảnh AR. Một người dùng có thể khám phá hoạt động bên trong của một tế bào bằng AR.
• Kiến trúc và Thiết kế: Cho phép các kiến trúc sư và nhà thiết kế giới thiệu các mô hình của họ trong thế giới thực, và cho phép khách hàng hình dung một thiết kế phù hợp với không gian vật lý của họ như thế nào. Một khách hàng có thể xem thiết kế nhà trong sân sau của họ.
• Hợp tác từ xa: Tạo ra các không gian làm việc ảo nơi người dùng có thể cộng tác tương tác với các mô hình 3D và dữ liệu. Các nhóm ở các địa điểm địa lý khác nhau có thể cộng tác trên cùng một mô hình 3D.
• Bảo trì và Sửa chữa công nghiệp: Cung cấp hướng dẫn AR từng bước cho các công việc sửa chữa hoặc bảo trì phức tạp. Một kỹ thuật viên có thể sửa chữa thiết bị với sự hướng dẫn của AR.

Những thách thức chung và cách khắc phục sự cố

• Mất theo dõi (Tracking Loss): Trong AR, việc mất theo dõi có thể dẫn đến sự sai lệch của các đối tượng ảo. Triển khai các thuật toán theo dõi mạnh mẽ và xem xét các phương pháp theo dõi thay thế.
• Điểm nghẽn hiệu suất: Tối ưu hóa ứng dụng của bạn bằng cách giảm số lượng đối tượng, đơn giản hóa các mô hình và quản lý cẩn thận các lệnh vẽ (draw calls).
• Tương thích trình duyệt: Hỗ trợ WebXR khác nhau giữa các trình duyệt và thiết bị khác nhau. Đảm bảo khả năng tương thích bằng cách kiểm tra trên các thiết bị và trình duyệt mục tiêu. Sử dụng phát hiện tính năng để xử lý các trình duyệt không hỗ trợ đầy đủ WebXR.
• Vấn đề giao diện người dùng: Thiết kế các yếu tố UI trực quan và thân thiện với người dùng dành riêng cho các tương tác XR.
• Vấn đề tốc độ khung hình: Duy trì tốc độ khung hình mượt mà và nhất quán để tránh say chuyển động và trải nghiệm người dùng kém. Phân tích ứng dụng của bạn để xác định và giải quyết các điểm nghẽn hiệu suất.

Tương lai của WebXR và Tương tác đối tượng

WebXR và các công nghệ liên quan đang phát triển nhanh chóng. Những tiến bộ trong phần cứng và phần mềm liên tục đẩy lùi các giới hạn của những gì có thể. Chúng ta có thể dự đoán:

• Cải thiện Theo dõi và Độ chính xác: Với các cảm biến và thuật toán tốt hơn, việc theo dõi sẽ trở nên chính xác và đáng tin cậy hơn.
• Tương tác đối tượng tinh vi hơn: Mong đợi các kỹ thuật tương tác tiên tiến, chẳng hạn như tương tác dựa trên vật lý và phản hồi xúc giác.
• Sự chấp nhận rộng rãi hơn: Khi công nghệ trưởng thành, WebXR sẽ được áp dụng bởi một loạt các ngành công nghiệp rộng lớn hơn.
• Hệ sinh thái nâng cao: Sự phát triển của các công cụ và framework thân thiện với người dùng sẽ đẩy nhanh việc tạo ra các trải nghiệm WebXR.
• Tích hợp với AI: AI sẽ đóng một vai trò lớn hơn trong WebXR, bao gồm nhận dạng đối tượng, hiểu biết về cảnh và giao diện người dùng thông minh.

Tương lai của WebXR rất tươi sáng. Đây là một công nghệ sẵn sàng cách mạng hóa cách chúng ta tương tác với nội dung kỹ thuật số. Bằng cách hiểu và nắm bắt các nguyên tắc của hit testing với ray casting, các nhà phát triển có thể tạo ra các trải nghiệm nhập vai hấp dẫn và lôi cuốn, đẩy lùi ranh giới của tương tác người-máy và mang lại giá trị to lớn cho người dùng trên toàn cầu.

Kết luận

WebXR hit testing, đặc biệt là sử dụng ray casting, là nền tảng để tạo ra các trải nghiệm nhập vai và tương tác. Hướng dẫn này đã nêu ra các khái niệm cốt lõi, chi tiết triển khai và những lưu ý chính để xây dựng các ứng dụng WebXR mạnh mẽ và hấp dẫn. Khi công nghệ trưởng thành, việc tiếp tục học hỏi, thử nghiệm và thích ứng với những tiến bộ mới nhất sẽ là chìa khóa thành công. Bằng cách tận dụng sức mạnh của WebXR, các nhà phát triển có thể định hình lại cách chúng ta tương tác với thế giới xung quanh. Hãy nắm lấy những kỹ thuật và công cụ này để xây dựng thế hệ tiếp theo của các trải nghiệm web nhập vai!