Двигател за пространствени координати в WebXR: Овладяване на управлението на координатната система

WebXR предлага невероятен потенциал за изграждане на поглъщащи и интерактивни изживявания с добавена и виртуална реалност директно в браузъра. Фундаментален аспект от разработването на стабилни и точни XR приложения е разбирането и управлението на двигателя за пространствени координати. Тази блог публикация предоставя изчерпателно ръководство за координатната система на WebXR, като обхваща референтни пространства, координатни трансформации и добри практики за създаване на завладяващи XR изживявания за глобална аудитория.

Разбиране на координатната система в WebXR

В основата си WebXR разчита на триизмерна Декартова координатна система. Тази система използва три оси (X, Y и Z) за дефиниране на позицията и ориентацията на обекти в пространството. Разбирането как се дефинират тези оси и как WebXR ги използва е от решаващо значение за изграждането на точни и интуитивни XR изживявания.

• Ос X: Обикновено представлява хоризонталната ос, като положителните стойности се простират надясно.
• Ос Y: Обикновено представлява вертикалната ос, като положителните стойности се простират нагоре.
• Ос Z: Представлява оста на дълбочината, като положителните стойности се простират към зрителя. Имайте предвид, че в някои конвенции (като OpenGL), оста Z се простира *встрани* от зрителя; WebXR обаче обикновено използва обратната конвенция.

Началото (0, 0, 0) е точката, в която се пресичат и трите оси. Всички позиции и ориентации в XR сцената се дефинират спрямо това начало.

Конвенция за ориентация на координатната система

WebXR обикновено използва дясно-ориентирана координатна система. В дясно-ориентирана система, ако свиете пръстите на дясната си ръка от положителната ос X към положителната ос Y, палецът ви ще сочи в посока на положителната ос Z. Тази конвенция е важна за запомняне при извършване на изчисления и трансформации.

Референтни пространства: Основата на пространственото разбиране

Референтните пространства са основата на пространственото разбиране в WebXR. Те предоставят контекста за тълкуване на позициите и ориентациите на обектите в XR сцената. Всяко референтно пространство дефинира своя собствена координатна система, което позволява на разработчиците да закотвят виртуално съдържание към различни референтни точки.

WebXR дефинира няколко типа референтни пространства, като всеки служи за конкретна цел:

• Референтно пространство на зрителя (Viewer Reference Space): Това референтно пространство е прикрепено към главата на зрителя. Началото му обикновено се намира между очите на потребителя. Когато потребителят движи главата си, референтното пространство на зрителя се движи с него. Това е полезно за създаване на съдържание, заключено за главата, като например heads-up display (HUD).
• Локално референтно пространство (Local Reference Space): Локалното референтно пространство е закотвено към началната позиция на потребителя. То остава фиксирано спрямо реалната среда, дори когато потребителят се движи. Това е идеално за създаване на изживявания, при които виртуалните обекти трябва да останат закотвени на конкретно място във физическото пространство на потребителя. Представете си виртуално растение, поставено на реална маса - локалното референтно пространство би запазило растението на това място.
• Ограничено референтно пространство (Bounded Reference Space): Подобно на локалното референтно пространство, но също така дефинира граница или обем, в рамките на който е проектирано да работи XR изживяването. Това помага да се гарантира, че потребителят остава в безопасна и контролирана зона. Това е особено важно за VR изживявания в мащаб на стая.
• Неограничено референтно пространство (Unbounded Reference Space): Това референтно пространство няма предварително определени граници. То позволява на потребителя да се движи свободно в потенциално неограничена виртуална среда. Това е често срещано при VR изживявания като симулатори на полети или изследване на огромни виртуални пейзажи.
• Референтно пространство за проследяване (Tracking Reference Space): Това е най-фундаменталното пространство. То директно отразява проследената поза на хардуера. Обикновено не взаимодействате директно с него, но другите референтни пространства се изграждат върху него.

Избор на правилното референтно пространство

Изборът на подходящо референтно пространство е от решаващо значение за създаването на желаното XR изживяване. Обмислете следните фактори, когато вземате решение:

• Мобилност: Ще се движи ли потребителят в реалния свят? Ако е така, локално или ограничено референтно пространство може да е по-подходящо от референтно пространство на зрителя.
• Закотвяне: Трябва ли да закотвяте виртуални обекти на конкретни места в реалния свят? Ако е така, локалното референтно пространство е най-добрият избор.
• Мащаб: Какъв е мащабът на XR изживяването? Ограниченото референтно пространство е важно, ако изживяването е проектирано за конкретно физическо пространство.
• Потребителски комфорт: Уверете се, че избраното референтно пространство съответства на очакваното движение и взаимодействие на потребителя. Използването на неограничено пространство за малка игрална зона може да доведе до дискомфорт.

Например, представете си, че изграждате AR приложение, което позволява на потребителите да поставят виртуални мебели в хола си. Локалното референтно пространство би било идеалният избор, тъй като ще позволи на потребителите да се движат из стаята, докато виртуалните мебели остават закотвени на първоначалното си място.

Координатни трансформации: Преодоляване на разликата между пространствата

Координатните трансформации са от съществено значение за преобразуването на позиции и ориентации между различни референтни пространства. Те ви позволяват да позиционирате и ориентирате правилно виртуални обекти в XR сцената, независимо от движението на потребителя или избраното референтно пространство. Мислете за това като за превод между различни езици - координатните трансформации позволяват на WebXR да разбере къде се намират нещата, без значение на кой „език“ (референтно пространство) са описани.

WebXR използва трансформационни матрици за представяне на координатни трансформации. Трансформационната матрица е матрица 4x4, която кодира транслацията, ротацията и мащабирането, необходими за трансформиране на точка от една координатна система в друга.

Разбиране на трансформационните матрици

Трансформационната матрица комбинира няколко операции в една матрица:

• Транслация: Преместване на обект по осите X, Y и Z.
• Ротация: Завъртане на обект около осите X, Y и Z. Това често се представя вътрешно чрез кватерниони, но в крайна сметка се свежда до компонент на ротационна матрица в рамките на общата трансформация.
• Мащабиране: Промяна на размера на обект по осите X, Y и Z.

Чрез умножаване на координатите на точка (представени като 4D вектор) по трансформационната матрица, можете да получите трансформираните координати в новата координатна система. Много WebXR API-та ще се погрижат за умножението на матрици вместо вас, но разбирането на основната математика е от решаващо значение за напреднали сценарии.

Прилагане на трансформации в WebXR

WebXR предоставя няколко метода за получаване и прилагане на трансформации:

• XRFrame.getViewerPose(): Връща позата на зрителя (позиция и ориентация) в дадено референтно пространство. Това ви позволява да определите позицията на зрителя спрямо конкретна референтна точка.
• XRFrame.getPose(): Връща позата на XRInputSource (напр. контролер) или XRAnchor в дадено референтно пространство. Това е от съществено значение за проследяване на позицията и ориентацията на контролери и други проследявани обекти.
• Използване на матрични библиотеки: Библиотеки като gl-matrix (https://glmatrix.net/) предоставят функции за създаване, манипулиране и прилагане на трансформационни матрици. Тези библиотеки опростяват процеса на извършване на сложни трансформации.

Например, за да позиционирате виртуален обект на 1 метър пред главата на потребителя, първо трябва да получите позата на зрителя с помощта на XRFrame.getViewerPose(). След това ще създадете трансформационна матрица, която премества обекта на 1 метър по оста Z на референтното пространство на зрителя. Накрая, ще приложите тази трансформация към позицията на обекта, за да го поставите на правилното място.

Пример: Трансформиране на координати с gl-matrix

Ето опростен JavaScript пример, използващ gl-matrix за трансформиране на координата:

// Импортиране на функции от gl-matrix
import { mat4, vec3 } from 'gl-matrix';

// Дефиниране на точка в локалното пространство
const localPoint = vec3.fromValues(1, 2, 3); // X, Y, Z координати

// Създаване на трансформационна матрица (пример: транслация с (4, 5, 6))
const transformMatrix = mat4.create();
mat4.translate(transformMatrix, transformMatrix, vec3.fromValues(4, 5, 6));

// Създаване на вектор за съхранение на трансформираната точка
const worldPoint = vec3.create();

// Прилагане на трансформацията
vec3.transformMat4(worldPoint, localPoint, transformMatrix);

// worldPoint вече съдържа трансформираните координати
console.log("Transformed Point:", worldPoint);

Добри практики за управление на координатната система в WebXR

Ефективното управление на координатната система е от решаващо значение за създаването на точни, стабилни и интуитивни XR изживявания. Ето някои добри практики, които да следвате:

• Изберете правилното референтно пространство: Внимателно обмислете характеристиките на всяко референтно пространство и изберете това, което най-добре отговаря на нуждите на вашето приложение.
• Минимизирайте превключването на референтни пространства: Честото превключване между референтни пространства може да доведе до спад в производителността и потенциални неточности. Опитайте се да сведете до минимум броя на превключванията на референтни пространства във вашето приложение.
• Използвайте трансформационните матрици ефективно: Трансформационните матрици са изчислително интензивни. Избягвайте създаването и прилагането на ненужни трансформации. Кеширайте трансформационните матрици, когато е възможно, за да подобрите производителността.
• Справяйте се с разликите в координатните системи: Бъдете наясно с потенциалните разлики в конвенциите на координатните системи между различните XR устройства и библиотеки. Уверете се, че вашето приложение обработва тези разлики правилно. Например, някои по-стари системи или съдържание може да използват ляво-ориентирана координатна система.
• Тествайте обстойно: Тествайте обстойно приложението си на различни XR устройства и в различни среди, за да се уверите, че координатната система работи правилно. Обърнете внимание на точността, стабилността и производителността.
• Разбирайте представянето на позата: WebXR позите (XRPose) съдържат както позиция, така и ориентация (кватернион). Уверете се, че правилно извличате и използвате и двата компонента. Често разработчиците неправилно приемат, че позата съдържа *само* данни за позицията.
• Вземете предвид латентността: XR устройствата имат присъща латентност. Опитайте се да предвидите пози, за да компенсирате тази латентност и да подобрите стабилността. WebXR Device API предоставя методи за предсказване на пози, които могат да помогнат за намаляване на възприеманото забавяне.
• Поддържайте световен мащаб: Поддържайте мащаба на вашия свят последователен. Избягвайте произволното мащабиране на обекти във вашата сцена, тъй като това може да доведе до артефакти при рендиране и проблеми с производителността. Опитайте се да поддържате съотношение 1:1 между виртуалните и реалните единици.

Често срещани капани и как да ги избегнем

Работата с координатни системи в WebXR може да бъде предизвикателство и е лесно да се правят грешки. Ето някои често срещани капани и как да ги избегнете:

• Неправилен ред на умножение на матрици: Умножението на матрици не е комутативно, което означава, че редът, в който умножавате матриците, има значение. Винаги се уверявайте, че умножавате матриците в правилния ред, за да постигнете желаната трансформация. Обикновено трансформациите се прилагат в реда: Мащабиране, Ротация, Транслация (SRT).
• Объркване на локални и световни координати: Важно е да се прави разлика между локални координати (координати спрямо собствената координатна система на обекта) и световни координати (координати спрямо глобалната координатна система на сцената). Уверете се, че използвате правилната координатна система за всяка операция.
• Игнориране на конвенцията за ориентация на координатната система: Както бе споменато по-рано, WebXR обикновено използва дясно-ориентирана координатна система. Въпреки това, някое съдържание или библиотеки може да използват ляво-ориентирана координатна система. Бъдете наясно с тези разлики и ги обработвайте по подходящ начин.
• Неотчитане на височината на очите: Когато използвате референтно пространство на зрителя, началото обикновено се намира между очите на потребителя. Ако искате да позиционирате обект на нивото на очите на потребителя, трябва да вземете предвид височината на очите на потребителя. Обектите XREye, върнати от XRFrame.getViewerPose(), могат да предоставят тази информация.
• Натрупване на отклонение (Drift): В AR изживяванията проследяването понякога може да се отклони с течение на времето, което води до неправилно подравняване на виртуалните обекти с реалния свят. Прилагайте техники като затваряне на цикъла (loop closure) или визуално-инерциална одометрия (VIO), за да смекчите отклонението и да поддържате подравняването.

Теми за напреднали: Котви и пространствено картографиране

Освен основните координатни трансформации, WebXR предлага по-напреднали функции за пространствено разбиране:

• Котви (Anchors): Котвите ви позволяват да създавате постоянни пространствени връзки между виртуални обекти и реалния свят. Котвата е точка в пространството, която системата се опитва да поддържа фиксирана спрямо околната среда. Дори ако устройството временно загуби проследяване, котвата ще се опита да се премести на мястото си, когато проследяването бъде възстановено. Това е полезно за създаване на изживявания, при които виртуалните обекти трябва да останат закотвени на конкретни физически места, дори ако потребителят се движи или проследяването на устройството е прекъснато.
• Пространствено картографиране (Spatial Mapping): Пространственото картографиране (известно също като разбиране на сцената или проследяване на света) позволява на системата да създаде 3D представяне на средата на потребителя. Това представяне може да се използва за закриване на виртуални обекти зад реални обекти, за активиране на физични взаимодействия между виртуални и реални обекти и за предоставяне на по-поглъщащо и правдоподобно XR изживяване. Пространственото картографиране не се поддържа универсално и изисква специфични хардуерни възможности.

Използване на котви за постоянни пространствени връзки

За да създадете котва, първо трябва да получите XRFrame и XRPose, които представляват желаното място за котвата. След това можете да извикате метода XRFrame.createAnchor(), като му подадете XRPose. Методът връща обект XRAnchor, който представлява новосъздадената котва.

Следващият фрагмент от код показва как да създадете котва:

// Вземане на XRFrame и XRPose
const pose = frame.getPose(hitTestResult.localPose, localReferenceSpace);

// Създаване на котва
const anchor = frame.createAnchor(pose);

// Обработка на грешки
if (!anchor) {
  console.error("Failed to create anchor.");
  return;
}

// Котвата вече е създадена и ще се опита да запази
// позицията си спрямо реалния свят.

Съображения за глобална достъпност

При проектирането на WebXR изживявания за глобална аудитория е от решаващо значение да се вземе предвид достъпността. Това включва фактори като:

• Езикова поддръжка: Осигурете преводи за цялото текстово и аудио съдържание.
• Културна чувствителност: Бъдете внимателни към културните различия и избягвайте използването на изображения или език, които могат да бъдат обидни или неподходящи в определени култури.
• Методи за въвеждане: Поддържайте разнообразие от методи за въвеждане, включително контролери, гласови команди и взаимодействие, базирано на поглед.
• Морска болест: Минимизирайте морската болест, като избягвате бързи или резки движения, осигурявате стабилна референтна рамка и позволявате на потребителите да регулират зрителното поле.
• Зрителни увреждания: Осигурете опции за регулиране на размера и контраста на текста и други визуални елементи. Обмислете използването на аудио сигнали за предоставяне на допълнителна информация.
• Слухови увреждания: Осигурете надписи или преписи за цялото аудио съдържание. Обмислете използването на визуални сигнали за предоставяне на допълнителна информация.

Заключение

Овладяването на управлението на координатната система е фундаментално за изграждането на завладяващи и точни WebXR изживявания. Като разбирате референтните пространства, координатните трансформации и добрите практики, можете да създавате XR приложения, които са едновременно поглъщащи и интуитивни за потребителите по целия свят. Тъй като технологията WebXR продължава да се развива, солидното разбиране на тези основни концепции ще стане още по-критично за разработчиците, които искат да разширят границите на поглъщащите уеб изживявания.

Тази блог публикация предостави изчерпателен преглед на управлението на координатната система в WebXR. Насърчаваме ви да експериментирате с обсъдените тук концепции и техники и да разгледате документацията на WebXR API за повече информация. Като възприемете тези принципи, можете да отключите пълния потенциал на WebXR и да създадете наистина трансформиращи XR изживявания за глобална аудитория.