Разбиране на трансформациите в референтните пространства на WebXR: Задълбочен поглед върху координатните системи

WebXR отваря вратата към създаването на невероятни изживявания с виртуална и разширена реалност директно в браузъра. Овладяването на WebXR обаче изисква солидно разбиране на референтните пространства и координатните трансформации. Това ръководство предоставя изчерпателен преглед на тези концепции, като ви дава възможност да създавате потапящи и точни VR/AR приложения.

Какво представляват референтните пространства в WebXR?

В реалния свят имаме общо разбиране за това къде се намират нещата. Но във виртуалния свят ни е необходим начин да дефинираме координатната система, която свързва виртуалните обекти с потребителя и околната среда. Тук се намесват референтните пространства. Референтното пространство дефинира началото и ориентацията на виртуалния свят, предоставяйки рамка за позициониране на виртуални обекти и проследяване на движението на потребителя.

Представете си го по следния начин: описвате местоположението на количка-играчка на някого. Може да кажете: „Тя е на два фута пред теб и на един фут вляво от теб.“ Вие имплицитно сте дефинирали референтно пространство, центрирано върху слушателя. Референтните пространства в WebXR предоставят подобни опорни точки за вашата виртуална сцена.

Видове референтни пространства в WebXR

WebXR предлага няколко вида референтни пространства, всяко със свои собствени характеристики и случаи на употреба:

• Viewer Space (Пространство на наблюдателя): Това пространство е центрирано върху очите на потребителя. То е сравнително нестабилно, тъй като постоянно се променя с движенията на главата на потребителя. Най-подходящо е за съдържание, заключено за главата, като например heads-up дисплей (HUD).
• Local Space (Локално пространство): Това пространство осигурява стабилен, относителен спрямо екрана изглед. Началото е фиксирано спрямо дисплея, но потребителят все още може да се движи в рамките на пространството. Полезно е за изживявания в седнало или неподвижно положение.
• Local Floor Space (Локално пространство на пода): Подобно на локалното пространство, но с начало, разположено на пода. Това е идеално за създаване на изживявания, при които потребителят стои и се разхожда в ограничена зона. Първоначалната височина над пода обикновено се определя от калибрирането на устройството на потребителя, а системата WebXR прави всичко възможно да поддържа това начало на пода.
• Bounded Floor Space (Ограничено пространство на пода): Това разширява Local Floor Space, като дефинира ограничена зона (многоъгълник), в която потребителят може да се движи. Полезно е за предотвратяване на излизането на потребителите извън зоната за проследяване, което е особено важно в пространства, където реалната физическа среда не е била внимателно картографирана.
• Unbounded Space (Неограничено пространство): Това пространство няма граници и позволява на потребителя да се движи свободно в реалния свят. Подходящо е за мащабни VR изживявания, като разходка из виртуален град. Изисква обаче по-стабилна система за проследяване. Често се използва за AR приложения, където потребителят може да се движи свободно в реалния свят, докато вижда виртуални обекти, насложени върху изгледа му към реалния свят.

Разбиране на координатните системи

Координатната система определя как се представят позициите и ориентациите в дадено референтно пространство. WebXR използва дясна координатна система, което означава, че положителната ос X сочи надясно, положителната ос Y сочи нагоре, а положителната ос Z сочи към зрителя.

Разбирането на координатната система е от решаващо значение за правилното позициониране и ориентиране на обекти във вашата виртуална сцена. Например, ако искате да поставите обект на един метър пред потребителя, ще зададете неговата Z-координата на -1 (не забравяйте, че оста Z сочи към зрителя).

WebXR използва метри като стандартна мерна единица. Важно е да помните това, когато работите с инструменти за 3D моделиране или библиотеки, които може да използват различни единици (напр. сантиметри или инчове).

Координатни трансформации: Ключът към позиционирането и ориентирането на обекти

Координатните трансформации са математическите операции, които преобразуват позиции и ориентации от една координатна система в друга. В WebXR трансформациите са от съществено значение за:

• Позициониране на обекти спрямо потребителя: Преобразуване на позицията на обект от световното пространство (глобалната координатна система) в пространството на наблюдателя (позицията на главата на потребителя).
• Правилно ориентиране на обекти: Гарантиране, че обектите са обърнати в правилната посока, независимо от ориентацията на потребителя.
• Проследяване на движението на потребителя: Актуализиране на позицията и ориентацията на гледната точка на потребителя въз основа на данни от сензори.

Най-често срещаният начин за представяне на координатни трансформации е използването на трансформационна матрица 4x4. Тази матрица комбинира транслация (позиция), ротация (ориентация) и мащабиране в едно, ефективно представяне.

Обяснение на трансформационните матрици

Трансформационна матрица 4x4 изглежда така:

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

Където:

• R00-R22: Представляват ротационния компонент (ротационна матрица 3x3).
• Tx, Ty, Tz: Представляват транслационния компонент (величината на преместване по осите X, Y и Z).

За да трансформирате точка (x, y, z) с помощта на трансформационна матрица, вие третирате точката като 4D вектор (x, y, z, 1) и я умножавате по матрицата. Полученият вектор представлява трансформираната точка в новата координатна система.

Повечето WebXR рамки (като Three.js и Babylon.js) предоставят вградени функции за работа с трансформационни матрици, което улеснява извършването на тези изчисления, без да се налага ръчно да се манипулират елементите на матрицата.

Прилагане на трансформации в WebXR

Нека разгледаме един практически пример. Да предположим, че искате да поставите виртуален куб на един метър пред очите на потребителя.

1. Получете позата на наблюдателя: Използвайте интерфейса XRFrame, за да получите текущата поза на наблюдателя в избраното референтно пространство.
2. Създайте трансформационна матрица: Създайте трансформационна матрица, която представлява желаната позиция и ориентация на куба спрямо наблюдателя. В този случай вероятно ще създадете транслационна матрица, която премества куба на един метър по отрицателната ос Z (към наблюдателя).
3. Приложете трансформацията: Умножете оригиналната трансформационна матрица на куба (представляваща неговата позиция в световното пространство) по новата трансформационна матрица (представляваща неговата позиция спрямо наблюдателя). Това ще актуализира позицията на куба в сцената.

Ето един опростен пример, използващ Three.js:

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

// Вътре в цикъла на анимацията:
const xrFrame = session.requestAnimationFrame( (time, frame) => {
  const pose = frame.getViewerPose(referenceSpace);

  if ( pose ) {
    const position = new THREE.Vector3(0, 0, -1); // 1 метър отпред
    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);
  }
});

Този фрагмент от код получава позата на наблюдателя, създава вектор, представляващ желаната позиция на куба (1 метър отпред), прилага трансформационната матрица на наблюдателя към позицията и след това актуализира позицията на куба в сцената. Той също така копира ориентацията на наблюдателя в куба.

Практически примери: Сценарии и решения

Нека разгледаме някои често срещани сценарии и как трансформациите в референтното пространство могат да се използват за тяхното решаване:

1. Създаване на виртуален контролен панел, фиксиран за китката на потребителя

Представете си, че искате да създадете виртуален контролен панел, който винаги е видим и фиксиран за китката на потребителя. Можете да използвате референтно пространство, относително спрямо наблюдателя (или да изчислите трансформацията спрямо контролера). Ето как бихте могли да подходите:

1. Използвайте пространство на наблюдателя или на контролера: Заявете референтно пространство viewer или `hand`, за да получите пози спрямо главата или ръката на потребителя.
2. Създайте трансформационна матрица: Дефинирайте трансформационна матрица, която позиционира контролния панел леко над и пред китката.
3. Приложете трансформацията: Умножете трансформационната матрица на контролния панел по трансформационната матрица на наблюдателя или контролера. Това ще запази контролния панел заключен за китката на потребителя, докато той движи главата или ръката си.

Този подход често се използва във VR игри и приложения, за да се предостави на потребителите удобен и достъпен интерфейс.

2. Закрепване на виртуални обекти към реални повърхности в AR

В разширената реалност често искате да закрепите виртуални обекти към реални повърхности, като маси или стени. Това изисква по-сложен подход, който включва откриване и проследяване на тези повърхности.

1. Използвайте откриване на равнини: Използвайте API-то за откриване на равнини на WebXR (ако се поддържа от устройството), за да идентифицирате хоризонтални и вертикални повърхности в средата на потребителя.
2. Създайте котва (anchor): Създайте XRAnchor върху откритата повърхност. Това осигурява стабилна референтна точка в реалния свят.
3. Позиционирайте обекти спрямо котвата: Позиционирайте виртуални обекти спрямо трансформационната матрица на котвата. Това ще гарантира, че обектите остават прикрепени към повърхността, дори когато потребителят се движи.

ARKit (iOS) и ARCore (Android) предоставят стабилни възможности за откриване на равнини, които могат да бъдат достъпени чрез WebXR Device API.

3. Телепортация във VR

Телепортацията е често срещана техника, използвана във VR, за да позволи на потребителите бързо да се движат из големи виртуални среди. Това включва плавен преход на гледната точка на потребителя от едно място на друго.

1. Определете целевото местоположение: Определете целевото местоположение за телепортацията. Това може да се базира на въведени от потребителя данни (напр. кликване върху точка в средата) или на предварително определено място.
2. Изчислете трансформацията: Изчислете трансформационната матрица, която представлява промяната в позицията и ориентацията, необходима за преместване на потребителя от текущото му местоположение до целевото.
3. Приложете трансформацията: Приложете трансформацията към референтното пространство. Това незабавно ще премести потребителя на новото място. Обмислете използването на плавна анимация, за да направите телепортацията по-удобна.

Най-добри практики за работа с референтни пространства в WebXR

Ето някои най-добри практики, които трябва да имате предвид, когато работите с референтни пространства в WebXR:

• Изберете правилното референтно пространство: Изберете референтното пространство, което е най-подходящо за вашето приложение. Вземете предвид вида на изживяването, което създавате (напр. седнало, стоящо, в мащаба на стая), и необходимото ниво на точност и стабилност.
• Справяне със загуба на проследяване: Бъдете подготвени да се справите със ситуации, в които проследяването се губи или става ненадеждно. Това може да се случи, ако потребителят се премести извън зоната за проследяване или ако средата е лошо осветена. Предоставяйте визуални подсказки на потребителя и обмислете внедряването на резервни механизми.
• Оптимизирайте производителността: Координатните трансформации могат да бъдат изчислително скъпи, особено при работа с голям брой обекти. Оптимизирайте кода си, за да сведете до минимум броя на трансформациите, които трябва да се извършват на всеки кадър. Използвайте кеширане и други техники за подобряване на производителността.
• Тествайте на различни устройства: Производителността и качеството на проследяване на WebXR могат да варират значително при различните устройства. Тествайте приложението си на различни устройства, за да се уверите, че работи добре за всички потребители.
• Вземете предвид височината на потребителя и IPD: Вземете предвид различните височини на потребителите и междузеничните разстояния (IPD). Правилното задаване на височината на камерата въз основа на височината на потребителя ще направи изживяването по-удобно. Регулирането спрямо IPD гарантира, че стереоскопичното изобразяване е точно за всеки потребител, което е важно за визуалния комфорт и възприятието на дълбочина. WebXR предоставя API-та за достъп до приблизителното IPD на потребителя.

Разширени теми

След като имате солидно разбиране на основите на референтните пространства и координатните трансформации в WebXR, можете да изследвате по-напреднали теми, като например:

• Предсказване на позата (Pose Prediction): WebXR предоставя API-та за предсказване на бъдещата поза на главата и контролерите на потребителя. Това може да се използва за намаляване на латентността и подобряване на отзивчивостта на вашето приложение.
• Пространствен звук (Spatial Audio): Координатните трансформации са от съществено значение за създаването на реалистични пространствени аудио изживявания. Чрез позициониране на аудио източници в 3D пространството и трансформиране на техните позиции спрямо главата на потребителя, можете да създадете усещане за потапяне и присъствие.
• Многопотребителски изживявания: При създаването на многопотребителски VR/AR приложения трябва да синхронизирате позициите и ориентациите на всички потребители във виртуалния свят. Това изисква внимателно управление на референтните пространства и координатните трансформации.

Рамки и библиотеки за WebXR

Няколко JavaScript рамки и библиотеки могат да опростят разработката на WebXR и да предоставят абстракции от по-високо ниво за работа с референтни пространства и координатни трансформации. Някои популярни опции включват:

• Three.js: Широко използвана библиотека за 3D графика, която предоставя изчерпателен набор от инструменти за създаване на WebXR приложения.
• Babylon.js: Друг популярен 3D енджин, който предлага отлична поддръжка на WebXR и богат набор от функции.
• A-Frame: Декларативна рамка, която улеснява създаването на WebXR изживявания с помощта на подобен на HTML синтаксис.
• React Three Fiber: React рендърър за Three.js, който ви позволява да изграждате WebXR приложения, използвайки React компоненти.

Заключение

Разбирането на референтните пространства и координатните трансформации в WebXR е от решаващо значение за създаването на потапящи и точни VR/AR изживявания. Като овладеете тези концепции, можете да отключите пълния потенциал на WebXR API и да създадете завладяващи приложения, които разширяват границите на потапящия уеб. Докато се задълбочавате в разработката на WebXR, продължавайте да експериментирате с различни референтни пространства и техники за трансформация, за да намерите най-добрите решения за вашите специфични нужди. Не забравяйте да оптимизирате кода си за производителност и да тествате на различни устройства, за да осигурите гладко и ангажиращо изживяване за всички потребители.