فهم تحويلات مساحات الإسناد في WebXR: نظرة معمقة على أنظمة الإحداثيات

يفتح WebXR الباب لإنشاء تجارب واقع افتراضي وواقع معزز مذهلة مباشرة داخل المتصفح. ومع ذلك، يتطلب إتقان WebXR فهماً راسخاً لمساحات الإسناد وتحويلات الإحداثيات. يقدم هذا الدليل نظرة شاملة على هذه المفاهيم، مما يمكّنك من بناء تطبيقات واقع افتراضي وواقع معزز غامرة ودقيقة.

ما هي مساحات الإسناد في WebXR؟

في العالم الحقيقي، لدينا فهم مشترك لمواقع الأشياء. ولكن في العالم الافتراضي، نحتاج إلى طريقة لتعريف نظام الإحداثيات الذي يربط الكائنات الافتراضية بالمستخدم والبيئة المحيطة. وهنا يأتي دور مساحات الإسناد. تحدد مساحة الإسناد نقطة الأصل والاتجاه للعالم الافتراضي، مما يوفر إطارًا لتحديد مواضع الكائنات الافتراضية وتتبع حركة المستخدم.

فكر في الأمر على هذا النحو: تخيل أنك تصف موقع سيارة لعبة لشخص ما. قد تقول، "إنها على بعد قدمين أمامك وقدم واحدة إلى يسارك". لقد حددت ضمنيًا مساحة إسناد تتمحور حول المستمع. توفر مساحات الإسناد في WebXR نقاط ارتكاز مماثلة لمشهدك الافتراضي.

أنواع مساحات الإسناد في WebXR

تقدم WebXR عدة أنواع من مساحات الإسناد، لكل منها خصائصه وحالات استخدامه الخاصة:

• مساحة المشاهد (Viewer Space): هذه المساحة تتمحور حول عيني المستخدم. إنها مساحة غير مستقرة نسبيًا، حيث تتغير باستمرار مع حركات رأس المستخدم. وهي الأنسب للمحتوى المقفل بالرأس، مثل شاشة العرض الأمامية (HUD).
• المساحة المحلية (Local Space): توفر هذه المساحة رؤية مستقرة مرتبطة بالشاشة. يكون الأصل ثابتًا بالنسبة للشاشة، ولكن لا يزال بإمكان المستخدم التحرك داخل المساحة. وهي مفيدة للتجارب التي تتم في وضع الجلوس أو الثبات.
• مساحة الأرضية المحلية (Local Floor Space): تشبه المساحة المحلية، ولكن مع وجود نقطة الأصل على الأرض. وهي مثالية لإنشاء تجارب يكون فيها المستخدم واقفًا ويتجول في منطقة محدودة. يتم تحديد الارتفاع الأولي فوق الأرض عادةً عن طريق معايرة جهاز المستخدم، ويبذل نظام WebXR قصارى جهده للحفاظ على نقطة الأصل هذه على الأرض.
• مساحة الأرضية المحدودة (Bounded Floor Space): تتوسع هذه المساحة على مساحة الأرضية المحلية من خلال تحديد منطقة محدودة (مضلع) يمكن للمستخدم التحرك داخلها. وهي مفيدة لمنع المستخدمين من التجول خارج منطقة التتبع، وهو أمر مهم بشكل خاص في المساحات التي لم يتم فيها تخطيط البيئة المادية الفعلية بعناية.
• المساحة غير المحدودة (Unbounded Space): لا تحتوي هذه المساحة على حدود وتسمح للمستخدم بالتحرك بحرية في العالم الحقيقي. وهي مناسبة لتجارب الواقع الافتراضي واسعة النطاق، مثل المشي في مدينة افتراضية. ومع ذلك، فإنها تتطلب نظام تتبع أكثر قوة. غالبًا ما تُستخدم في تطبيقات الواقع المعزز، حيث يمكن للمستخدم التحرك بحرية في العالم الحقيقي مع رؤية الكائنات الافتراضية متراكبة على رؤيته للعالم الحقيقي.

فهم أنظمة الإحداثيات

يحدد نظام الإحداثيات كيفية تمثيل المواقع والاتجاهات داخل مساحة الإسناد. يستخدم WebXR نظام إحداثيات أيمن (right-handed coordinate system)، مما يعني أن المحور X الموجب يشير إلى اليمين، والمحور Y الموجب يشير إلى الأعلى، والمحور Z الموجب يشير نحو المشاهد.

فهم نظام الإحداثيات أمر بالغ الأهمية لتحديد مواضع وتوجيه الكائنات بشكل صحيح في مشهدك الافتراضي. على سبيل المثال، إذا كنت ترغب في وضع كائن على بعد متر واحد أمام المستخدم، فستقوم بتعيين إحداثي Z الخاص به إلى -1 (تذكر أن المحور Z يشير نحو المشاهد).

يستخدم WebXR المتر كوحدة قياس قياسية. من المهم تذكر ذلك عند العمل مع أدوات النمذجة ثلاثية الأبعاد أو المكتبات التي قد تستخدم وحدات مختلفة (مثل السنتيمتر أو البوصة).

تحويلات الإحداثيات: مفتاح تحديد مواضع وتوجيه الكائنات

تحويلات الإحداثيات هي العمليات الرياضية التي تحول المواقع والاتجاهات من نظام إحداثيات إلى آخر. في WebXR، تعد التحويلات ضرورية من أجل:

• تحديد مواضع الكائنات بالنسبة للمستخدم: تحويل موضع كائن من مساحة العالم (نظام الإحداثيات العام) إلى مساحة المشاهد (موضع رأس المستخدم).
• توجيه الكائنات بشكل صحيح: التأكد من أن الكائنات تواجه الاتجاه الصحيح، بغض النظر عن اتجاه المستخدم.
• تتبع حركة المستخدم: تحديث موضع واتجاه وجهة نظر المستخدم بناءً على بيانات المستشعرات.

الطريقة الأكثر شيوعًا لتمثيل تحويلات الإحداثيات هي استخدام مصفوفة تحويل 4x4. تجمع هذه المصفوفة بين الإزاحة (الموضع)، والدوران (الاتجاه)، والتحجيم في تمثيل واحد فعال.

شرح مصفوفات التحويل

تبدو مصفوفة التحويل 4x4 كما يلي:

[ R00 R01 R02 Tx ]
[ R10 R11 R12 Ty ]
[ R20 R21 R22 Tz ]
[  0   0   0  1  ]

حيث:

• R00-R22: تمثل مكون الدوران (مصفوفة دوران 3x3).
• Tx, Ty, Tz: تمثل مكون الإزاحة (مقدار الحركة على طول المحاور X و Y و Z).

لتحويل نقطة (x, y, z) باستخدام مصفوفة تحويل، فإنك تتعامل مع النقطة كمتجه رباعي الأبعاد (x, y, z, 1) وتضربه في المصفوفة. يمثل المتجه الناتج النقطة المحولة في نظام الإحداثيات الجديد.

توفر معظم أطر عمل WebXR (مثل Three.js و Babylon.js) وظائف مدمجة للتعامل مع مصفوفات التحويل، مما يسهل إجراء هذه الحسابات دون الحاجة إلى التعامل يدويًا مع عناصر المصفوفة.

تطبيق التحويلات في WebXR

لنفكر في مثال عملي. لنفترض أنك تريد وضع مكعب افتراضي على بعد متر واحد أمام عيني المستخدم.

1. الحصول على وضعية المشاهد: استخدم واجهة XRFrame للحصول على الوضعية الحالية للمشاهد في مساحة الإسناد المختارة.
2. إنشاء مصفوفة تحويل: أنشئ مصفوفة تحويل تمثل الموضع والاتجاه المطلوبين للمكعب بالنسبة للمشاهد. في هذه الحالة، من المحتمل أن تنشئ مصفوفة إزاحة تحرك المكعب مترًا واحدًا على طول المحور Z السالب (نحو المشاهد).
3. تطبيق التحويل: اضرب مصفوفة التحويل الأصلية للمكعب (التي تمثل موضعه في مساحة العالم) في مصفوفة التحويل الجديدة (التي تمثل موضعه بالنسبة للمشاهد). سيؤدي هذا إلى تحديث موضع المكعب في المشهد.

إليك مثال مبسط باستخدام Three.js:

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

// Inside the animation loop:
const xrFrame = session.requestAnimationFrame( (time, frame) => {
  const pose = frame.getViewerPose(referenceSpace);

  if ( pose ) {
    const position = new THREE.Vector3(0, 0, -1); // 1 meter in front
    position.applyMatrix4( new THREE.Matrix4().fromArray( pose.transform.matrix ) );
    cube.position.copy(position);

    const orientation = new THREE.Quaternion().fromArray(pose.transform.orientation);
    cube.quaternion.copy(orientation);
  }
});

يحصل هذا المقتطف البرمجي على وضعية المشاهد، وينشئ متجهًا يمثل الموضع المطلوب للمكعب (متر واحد للأمام)، ويطبق مصفوفة تحويل المشاهد على الموضع، ثم يحدّث موضع المكعب في المشهد. كما أنه ينسخ اتجاه المشاهد إلى المكعب.

أمثلة عملية: سيناريوهات وحلول

دعنا نستكشف بعض السيناريوهات الشائعة وكيف يمكن استخدام تحويلات مساحات الإسناد لحلها:

1. إنشاء لوحة تحكم افتراضية مثبتة على معصم المستخدم

تخيل أنك تريد إنشاء لوحة تحكم افتراضية تكون مرئية دائمًا ومثبتة على معصم المستخدم. يمكنك استخدام مساحة إسناد مرتبطة بالمشاهد (أو حساب التحويل بالنسبة لوحدة التحكم). إليك كيف يمكنك التعامل مع هذا:

1. استخدام مساحة المشاهد أو مساحة وحدة التحكم: اطلب مساحة إسناد viewer أو `hand` للحصول على الوضعيات بالنسبة لرأس المستخدم أو يده.
2. إنشاء مصفوفة تحويل: حدد مصفوفة تحويل تضع لوحة التحكم قليلاً فوق وأمام المعصم.
3. تطبيق التحويل: اضرب مصفوفة تحويل لوحة التحكم في مصفوفة تحويل المشاهد أو وحدة التحكم. سيؤدي هذا إلى إبقاء لوحة التحكم مقفلة بمعصم المستخدم أثناء تحريك رأسه أو يده.

غالبًا ما يُستخدم هذا النهج في ألعاب وتطبيقات الواقع الافتراضي لتزويد المستخدمين بواجهة مريحة وسهلة الوصول.

2. تثبيت الكائنات الافتراضية على أسطح العالم الحقيقي في الواقع المعزز

في الواقع المعزز، غالبًا ما ترغب في تثبيت الكائنات الافتراضية على أسطح العالم الحقيقي، مثل الطاولات أو الجدران. يتطلب هذا نهجًا أكثر تطورًا يتضمن اكتشاف وتتبع هذه الأسطح.

1. استخدام اكتشاف الأسطح: استخدم واجهة برمجة تطبيقات WebXR لاكتشاف الأسطح (إذا كان الجهاز يدعمها) لتحديد الأسطح الأفقية والعمودية في بيئة المستخدم.
2. إنشاء مرساة (anchor): أنشئ XRAnchor على السطح المكتشف. يوفر هذا نقطة إسناد مستقرة في العالم الحقيقي.
3. تحديد مواضع الكائنات بالنسبة للمرسى: حدد مواضع الكائنات الافتراضية بالنسبة لمصفوفة تحويل المرسى. سيضمن هذا بقاء الكائنات ملتصقة بالسطح، حتى مع تحرك المستخدم.

يوفر ARKit (iOS) و ARCore (Android) إمكانات قوية لاكتشاف الأسطح، والتي يمكن الوصول إليها من خلال واجهة برمجة تطبيقات جهاز WebXR.

3. الانتقال الفوري (Teleportation) في الواقع الافتراضي

الانتقال الفوري هو تقنية شائعة تستخدم في الواقع الافتراضي للسماح للمستخدمين بالتحرك بسرعة في بيئات افتراضية كبيرة. يتضمن ذلك نقل وجهة نظر المستخدم بسلاسة من موقع إلى آخر.

1. الحصول على الموقع الهدف: حدد الموقع الهدف للانتقال الفوري. يمكن أن يعتمد هذا على إدخال المستخدم (على سبيل المثال، النقر على نقطة في البيئة) أو موقع محدد مسبقًا.
2. حساب التحويل: احسب مصفوفة التحويل التي تمثل التغيير في الموضع والاتجاه المطلوب لنقل المستخدم من موقعه الحالي إلى الموقع الهدف.
3. تطبيق التحويل: طبّق التحويل على مساحة الإسناد. سيؤدي هذا إلى نقل المستخدم فورًا إلى الموقع الجديد. فكر في استخدام حركة سلسة لجعل الانتقال الفوري أكثر راحة.

أفضل الممارسات للعمل مع مساحات الإسناد في WebXR

إليك بعض أفضل الممارسات التي يجب مراعاتها عند العمل مع مساحات الإسناد في WebXR:

• اختر مساحة الإسناد المناسبة: حدد مساحة الإسناد الأكثر ملاءمة لتطبيقك. ضع في اعتبارك نوع التجربة التي تقوم بإنشائها (على سبيل المثال، في وضع الجلوس، أو الوقوف، أو على نطاق الغرفة) ومستوى الدقة والاستقرار المطلوب.
• التعامل مع فقدان التتبع: كن مستعدًا للتعامل مع المواقف التي يتم فيها فقدان التتبع أو يصبح غير موثوق به. يمكن أن يحدث هذا إذا تحرك المستخدم خارج منطقة التتبع أو إذا كانت الإضاءة في البيئة ضعيفة. قدم إشارات مرئية للمستخدم وفكر في تنفيذ آليات احتياطية.
• تحسين الأداء: يمكن أن تكون تحويلات الإحداثيات مكلفة من الناحية الحسابية، خاصة عند التعامل مع عدد كبير من الكائنات. قم بتحسين الكود الخاص بك لتقليل عدد التحويلات التي يجب إجراؤها في كل إطار. استخدم التخزين المؤقت والتقنيات الأخرى لتحسين الأداء.
• الاختبار على أجهزة مختلفة: يمكن أن يختلف أداء WebXR وجودة التتبع بشكل كبير بين الأجهزة المختلفة. اختبر تطبيقك على مجموعة متنوعة من الأجهزة للتأكد من أنه يعمل بشكل جيد لجميع المستخدمين.
• مراعاة طول المستخدم والمسافة بين الحدقتين (IPD): ضع في اعتبارك اختلاف أطوال المستخدمين والمسافات بين حدقات أعينهم (IPD). سيؤدي ضبط ارتفاع الكاميرا بشكل صحيح بناءً على طول المستخدم إلى جعل التجربة أكثر راحة. يضمن التعديل حسب IPD أن يكون العرض المجسم دقيقًا لكل مستخدم، وهو أمر مهم للراحة البصرية وإدراك العمق. توفر WebXR واجهات برمجة تطبيقات للوصول إلى IPD التقديري للمستخدم.

مواضيع متقدمة

بمجرد أن يكون لديك فهم راسخ لأساسيات مساحات الإسناد في WebXR وتحويلات الإحداثيات، يمكنك استكشاف مواضيع أكثر تقدمًا، مثل:

• التنبؤ بالوضعية (Pose Prediction): توفر WebXR واجهات برمجة تطبيقات للتنبؤ بالوضعية المستقبلية لرأس المستخدم ووحدات التحكم. يمكن استخدام هذا لتقليل زمن الاستجابة وتحسين استجابة تطبيقك.
• الصوت المكاني (Spatial Audio): تعد تحويلات الإحداثيات ضرورية لإنشاء تجارب صوتية مكانية واقعية. من خلال تحديد مواضع مصادر الصوت في مساحة ثلاثية الأبعاد وتحويل مواضعها بالنسبة لرأس المستخدم، يمكنك خلق شعور بالانغماس والحضور.
• تجارب متعددة المستخدمين (Multi-user Experiences): عند إنشاء تطبيقات واقع افتراضي/معزز متعددة المستخدمين، تحتاج إلى مزامنة مواضع واتجاهات جميع المستخدمين في العالم الافتراضي. يتطلب هذا إدارة دقيقة لمساحات الإسناد وتحويلات الإحداثيات.

أطر عمل ومكتبات WebXR

يمكن للعديد من أطر عمل ومكتبات JavaScript تبسيط تطوير WebXR وتوفير تجريدات عالية المستوى للعمل مع مساحات الإسناد وتحويلات الإحداثيات. تشمل بعض الخيارات الشائعة ما يلي:

• Three.js: مكتبة رسومات ثلاثية الأبعاد مستخدمة على نطاق واسع توفر مجموعة شاملة من الأدوات لإنشاء تطبيقات WebXR.
• Babylon.js: محرك ثلاثي الأبعاد شائع آخر يوفر دعمًا ممتازًا لـ WebXR ومجموعة غنية من الميزات.
• A-Frame: إطار عمل تعريفي يسهل إنشاء تجارب WebXR باستخدام صيغة تشبه HTML.
• React Three Fiber: عارض React لمكتبة Three.js، مما يسمح لك ببناء تطبيقات WebXR باستخدام مكونات React.

الخاتمة

يعد فهم مساحات الإسناد وتحويلات الإحداثيات في WebXR أمرًا بالغ الأهمية لإنشاء تجارب واقع افتراضي وواقع معزز غامرة ودقيقة. من خلال إتقان هذه المفاهيم، يمكنك إطلاق العنان للإمكانات الكاملة لواجهة برمجة تطبيقات WebXR وبناء تطبيقات مقنعة تتجاوز حدود الويب الغامر. بينما تتعمق في تطوير WebXR، استمر في تجربة مساحات الإسناد وتقنيات التحويل المختلفة للعثور على أفضل الحلول لاحتياجاتك الخاصة. تذكر تحسين الكود الخاص بك من أجل الأداء والاختبار على مجموعة متنوعة من الأجهزة لضمان تجربة سلسة وجذابة لجميع المستخدمين.