WebXR 命中测试：元宇宙中的 AR 对象放置指南

元宇宙正在迅速发展，而增强现实（AR）在其未来塑造中扮演着至关重要的角色。WebXR 作为 Web 的沉浸式体验平台，使开发人员能够构建可直接在浏览器中运行的跨平台 AR 应用程序。创建引人入胜的 AR 体验最基本的方面之一，是在用户的物理环境中逼真地放置虚拟对象的能力。这正是命中测试发挥作用的地方。

什么是 WebXR 命中测试？

在 WebXR 的背景下，命中测试是从用户视角投射的光线是否与真实世界表面相交的判定过程。这个交点提供了精确定位虚拟对象所需的空间坐标，并创造出它们与用户周围环境无缝集成的幻觉。想象一下通过手机摄像头在客厅里放置一把虚拟椅子——命中测试使这成为可能。

从本质上讲，它允许您的 WebXR 应用程序回答这样一个问题：“如果我将设备指向特定位置，我的设备的虚拟光线会击中哪个真实世界的表面？” 响应提供了该表面的 3D 坐标（X、Y、Z）和方向。

为什么命中测试对 AR 很重要？

命中测试至关重要，原因有几个：

• 逼真的对象放置：没有命中测试，虚拟对象会漂浮在空中或看似穿透真实世界的表面，从而打破 AR 的幻觉。命中测试确保对象能够稳固地放置并与环境进行令人信服的交互。
• 自然的交互：它允许用户通过点击或指向真实世界的位置来直观地与虚拟对象进行交互。想象一下，在您的桌子上选择一个位置来放置一盆虚拟植物。
• 空间理解：命中测试提供有关用户环境的信息，使应用程序能够理解真实世界对象之间的布局和关系。这可用于创建更复杂的 AR 体验。
• 增强的用户体验：通过实现逼真的放置和交互，命中测试使 AR 体验更具吸引力和用户友好性。

WebXR 命中测试如何工作

WebXR Hit Test API 提供了执行命中测试所需的工具。以下是所涉及关键步骤的分解：

1. 请求 AR 会话：第一步是从 WebXR API 请求一个 AR 会话。这包括检查用户设备上的 AR 功能并获取一个有效的 XRFrame。
2. 创建命中测试源：命中测试源代表用户的注视点或设备的指向方向。您可以使用 XRFrame.getHitTestInputSource() 或类似方法创建一个命中测试源，它会返回一个 XRInputSource。此输入源代表用户与场景交互的方式。
3. 执行命中测试：使用命中测试源，您通过 XRFrame.getHitTestResults(hitTestSource) 将一条光线投射到场景中。此方法返回一个 XRHitTestResult 对象数组，每个对象代表与真实世界表面的一个潜在交点。
4. 处理结果：每个 XRHitTestResult 对象都包含有关交点的信息，包括命中的 3D 位置 (XRRay) 和方向 (XRRigidTransform)。然后，您可以使用此信息来定位和定向您的虚拟对象。

简化代码示例（概念性）：

// 假设 xrSession 和 xrRefSpace 已经获取。

let hitTestSource = await xrSession.requestHitTestSource({
  space: xrRefSpace, // 用于执行命中测试的 XRReferenceSpace。
  profile: 'generic-touchscreen', // 一个可选字符串，指示执行命中测试时使用的输入配置文件。
});


function onXRFrame(time, frame) {
  // ... 其他 XR 帧处理 ...

  const hitTestResults = frame.getHitTestResults(hitTestSource);
  if (hitTestResults.length > 0) {
    const hit = hitTestResults[0];
    const pose = hit.getPose(xrRefSpace); // 获取命中点的姿态

    // 使用命中姿态来定位您的 3D 对象
    object3D.position.set(pose.transform.position.x, pose.transform.position.y, pose.transform.position.z);
    object3D.quaternion.set(pose.transform.orientation.x, pose.transform.orientation.y, pose.transform.orientation.z, pose.transform.orientation.w);

  }
}

WebXR 命中测试实践：示例与用例

命中测试为 AR 应用开启了广泛的可能性。以下是一些示例：

• 电子商务：允许客户在购买前将家具或电器虚拟地放置在自己家中。德国的用户可以使用应用程序在客厅中可视化一张新沙发，确保它适合空间并与现有装饰相得益彰。类似的应用可以允许日本的用户查看新电器如何适应他们通常较小的居住空间。
• 游戏：创建虚拟角色与现实世界互动的 AR 游戏。想象一款游戏，虚拟宠物可以在您的客厅里跑来跑去，躲在家具后面。游戏需要准确检测地板和房间中存在的任何物体。
• 教育：以 3D 形式可视化复杂的科学概念，让学生在自己的环境中与虚拟模型互动。巴西的学生可以使用 AR 应用探索分子结构，将模型放在桌上并旋转它以更好地理解。
• 建筑与设计：允许建筑师和设计师在现实世界背景下可视化建筑平面图或室内设计。迪拜的建筑师可以使用 AR 向客户展示新的建筑设计，让他们可以在叠加在实际建筑工地上的建筑虚拟表示周围走动。
• 培训与模拟：为医疗或制造业等各种行业创建逼真的培训模拟。尼日利亚的医学生可以在叠加在人体模型上的虚拟病人身上练习外科手术，并根据他们的操作接收实时反馈。

选择合适的 WebXR 框架

一些 WebXR 框架可以简化开发过程并为命中测试提供预构建的组件：

• Three.js：一个流行的 JavaScript 库，用于在 Web 上创建 3D 图形。它为 WebXR 提供了出色的支持，并提供了处理命中测试的工具。
• Babylon.js：另一个用于构建 3D 体验的强大 JavaScript 框架。它为 WebXR 开发提供了一套全面的工具和功能，包括内置的命中测试能力。
• A-Frame：一个用 HTML 构建 VR 体验的 Web 框架。A-Frame 以其声明性语法和内置组件简化了 WebXR 开发，使实现命中测试变得更加容易。

克服 WebXR 命中测试中的挑战

虽然命中测试是一个强大的工具，但它也带来了一些挑战：

• 准确性：命中测试的准确性取决于光照条件、设备传感器和环境跟踪质量等因素。在光线昏暗的环境中，跟踪可能不太准确，导致对象放置不够精确。
• 性能：频繁执行命中测试会影响性能，尤其是在移动设备上。优化命中测试过程并避免不必要的计算至关重要。
• 遮挡：确定虚拟对象何时被真实世界对象遮挡（隐藏）可能很复杂。需要像场景理解和深度感应这样的先进技术来准确处理遮挡。
• 跨浏览器兼容性：尽管 WebXR 正在变得更加标准化，但浏览器实现上的差异仍然可能带来挑战。在不同浏览器和设备上测试您的应用程序至关重要。

WebXR 命中测试的最佳实践

以下是一些最佳实践，以确保平稳有效的命中测试实现：

• 优化命中测试频率：如果非必要，避免每帧都执行命中测试。相反，仅在用户与场景积极交互或设备位置发生显著变化时执行命中测试。考虑实施节流机制以限制每秒的命中测试次数。
• 提供视觉反馈：向用户提供视觉反馈，以表明已执行命中测试并检测到表面。这可以是一个简单的视觉提示，例如出现在检测到的表面上的圆形或网格。
• 使用多次命中测试：为获得更准确的结果，可考虑执行多次命中测试并对结果进行平均。这有助于减少噪音并提高对象放置的稳定性。
• 优雅地处理错误：实施错误处理，以优雅地处理命中测试失败的情况，例如设备丢失跟踪或未检测到表面时。向用户提供信息性消息以引导他们完成过程。
• 考虑环境语义（未来）：随着 WebXR 的发展，考虑利用环境语义 API（如果可用）来更深入地了解用户环境。这可以实现更逼真和具有情境感知能力的 AR 体验。例如，理解一个表面是桌子还是地板可以为对象放置行为提供信息。

WebXR 与 AR 对象放置的未来

WebXR 命中测试的未来是光明的。随着技术的发展，我们可以期待：

• 更高的准确性：计算机视觉和传感器技术的进步将带来更准确、更可靠的命中测试。
• 增强的性能：WebXR 和浏览器引擎的优化将提高命中测试的性能，从而支持更复杂和要求更高的 AR 体验。
• 语义理解：语义理解能力的集成将使应用程序能够对环境进行推理，并创建更智能、更具情境感知能力的 AR 交互。
• 多用户 AR：命中测试将在实现多用户 AR 体验中扮演关键角色，允许多个用户在同一物理空间中与相同的虚拟对象进行交互。

结论

WebXR 命中测试是在 Web 上创建引人入胜且逼真的 AR 体验的基本构建块。通过理解命中测试的原理和最佳实践，开发人员可以释放 AR 的全部潜力，并为各行各业创建创新的应用程序。随着 WebXR 的不断发展，命中测试将变得更加强大，对于塑造元宇宙的未来至关重要。

请记住，要及时了解最新的 WebXR 规范和浏览器实现，以确保兼容性并利用新功能和改进。尝试不同的框架和技术，为您的特定 AR 应用找到最佳方法。最重要的是，专注于创造直观且引人入胜的用户体验，将虚拟与现实世界无缝融合。