Porozumění transformacím referenčních prostorů WebXR: Hloubkový pohled na souřadnicové systémy

WebXR otevírá dveře k vytváření neuvěřitelných zážitků virtuální a rozšířené reality přímo v prohlížeči. Zvládnutí WebXR však vyžaduje solidní porozumění referenčním prostorům a souřadnicovým transformacím. Tento průvodce poskytuje komplexní přehled těchto konceptů, který vám umožní vytvářet pohlcující a přesné VR/AR aplikace.

Co jsou referenční prostory WebXR?

V reálném světě máme společné chápání toho, kde se věci nacházejí. Ve virtuálním světě ale potřebujeme způsob, jak definovat souřadnicový systém, který vztahuje virtuální objekty k uživateli a prostředí. Právě zde přicházejí na řadu referenční prostory. Referenční prostor definuje počátek a orientaci virtuálního světa a poskytuje rámec pro umisťování virtuálních objektů a sledování pohybu uživatele.

Představte si to takto: popisujete někomu polohu autíčka. Mohli byste říct: „Je dvě stopy před tebou a jednu stopu nalevo od tebe.“ Implicitně jste definovali referenční prostor se středem v posluchači. Referenční prostory WebXR poskytují podobné kotevní body pro vaši virtuální scénu.

Typy referenčních prostorů ve WebXR

WebXR nabízí několik typů referenčních prostorů, z nichž každý má své vlastní charakteristiky a případy použití:

• Prostor diváka (Viewer Space): Tento prostor je zaměřen na oči uživatele. Je to relativně nestabilní prostor, protože se neustále mění s pohyby hlavy uživatele. Nejlépe se hodí pro obsah uzamčený k hlavě, jako je heads-up display (HUD).
• Lokální prostor (Local Space): Tento prostor poskytuje stabilní pohled relativní k obrazovce. Počátek je fixován vůči displeji, ale uživatel se v něm stále může pohybovat. Je užitečný pro zážitky v sedě nebo stacionární zážitky.
• Lokální prostor na podlaze (Local Floor Space): Podobný lokálnímu prostoru, ale s počátkem umístěným na podlaze. Je ideální pro vytváření zážitků, kde uživatel stojí a pohybuje se v omezené oblasti. Počáteční výška nad podlahou je obvykle určena kalibrací zařízení uživatele a systém WebXR se snaží tento počátek udržet na podlaze.
• Ohraničený prostor na podlaze (Bounded Floor Space): Tento prostor rozšiřuje lokální prostor na podlaze definováním ohraničené oblasti (polygonu), ve které se uživatel může pohybovat. Je to užitečné pro zabránění uživatelům v opuštění sledované oblasti, což je zvláště důležité v prostorech, kde skutečné fyzické prostředí nebylo pečlivě zmapováno.
• Neomezený prostor (Unbounded Space): Tento prostor nemá žádné hranice a umožňuje uživateli volný pohyb v reálném světě. Je vhodný pro rozsáhlé VR zážitky, jako je procházka virtuálním městem. Vyžaduje však robustnější systém sledování. Často se používá pro AR aplikace, kde se uživatel může volně pohybovat v reálném světě a přitom vidět virtuální objekty překrývající jeho pohled na skutečný svět.

Porozumění souřadnicovým systémům

Souřadnicový systém definuje, jak jsou pozice a orientace reprezentovány v referenčním prostoru. WebXR používá pravotočivý souřadnicový systém, což znamená, že kladná osa X směřuje doprava, kladná osa Y směřuje nahoru a kladná osa Z směřuje k divákovi.

Porozumění souřadnicovému systému je klíčové pro správné umisťování a orientaci objektů ve vaší virtuální scéně. Například, pokud chcete umístit objekt jeden metr před uživatele, nastavili byste jeho souřadnici Z na -1 (pamatujte, že osa Z směřuje k divákovi).

WebXR používá metry jako standardní jednotku měření. Je důležité si to pamatovat při práci s 3D modelovacími nástroji nebo knihovnami, které mohou používat jiné jednotky (např. centimetry nebo palce).

Souřadnicové transformace: Klíč k umisťování a orientaci objektů

Souřadnicové transformace jsou matematické operace, které převádějí pozice a orientace z jednoho souřadnicového systému do druhého. Ve WebXR jsou transformace nezbytné pro:

• Umístění objektů vzhledem k uživateli: Převod pozice objektu z globálního prostoru (world space) do prostoru diváka (pozice hlavy uživatele).
• Správná orientace objektů: Zajištění, že objekty směřují správným směrem, bez ohledu na orientaci uživatele.
• Sledování pohybu uživatele: Aktualizace pozice a orientace pohledu uživatele na základě dat ze senzorů.

Nejběžnějším způsobem reprezentace souřadnicových transformací je použití transformační matice 4x4. Tato matice kombinuje translaci (pozici), rotaci (orientaci) a škálování do jediné, efektivní reprezentace.

Vysvětlení transformačních matic

Transformační matice 4x4 vypadá takto:

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

Kde:

• R00-R22: Reprezentují rotační složku (rotační matice 3x3).
• Tx, Ty, Tz: Reprezentují translační složku (hodnotu posunu podél os X, Y a Z).

Pro transformaci bodu (x, y, z) pomocí transformační matice považujete bod za 4D vektor (x, y, z, 1) a vynásobíte ho maticí. Výsledný vektor reprezentuje transformovaný bod v novém souřadnicovém systému.

Většina WebXR frameworků (jako Three.js a Babylon.js) poskytuje vestavěné funkce pro práci s transformačními maticemi, což usnadňuje provádění těchto výpočtů bez nutnosti ručně manipulovat s prvky matice.

Aplikace transformací ve WebXR

Podívejme se na praktický příklad. Předpokládejme, že chcete umístit virtuální kostku jeden metr před oči uživatele.

1. Získejte pozici diváka (viewer pose): Použijte rozhraní XRFrame k získání aktuální pozice diváka ve zvoleném referenčním prostoru.
2. Vytvořte transformační matici: Vytvořte transformační matici, která reprezentuje požadovanou pozici a orientaci kostky vzhledem k divákovi. V tomto případě byste pravděpodobně vytvořili translační matici, která posune kostku o jeden metr podél záporné osy Z (směrem k divákovi).
3. Aplikujte transformaci: Vynásobte původní transformační matici kostky (reprezentující její pozici v globálním prostoru) novou transformační maticí (reprezentující její pozici vzhledem k divákovi). Tím se aktualizuje pozice kostky ve scéně.

Zde je zjednodušený příklad s použitím Three.js:

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

// Uvnitř animační smyčky:
const xrFrame = session.requestAnimationFrame( (time, frame) => {
  const pose = frame.getViewerPose(referenceSpace);

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

Tento úryvek kódu získá pozici diváka, vytvoří vektor reprezentující požadovanou polohu kostky (1 metr vpřed), aplikuje transformační matici diváka na tuto polohu a poté aktualizuje pozici kostky ve scéně. Také zkopíruje orientaci diváka na kostku.

Praktické příklady: Scénáře a řešení

Prozkoumejme několik běžných scénářů a způsobů, jak je lze řešit pomocí transformací referenčních prostorů:

1. Vytvoření virtuálního ovládacího panelu připevněného k zápěstí uživatele

Představte si, že chcete vytvořit virtuální ovládací panel, který je vždy viditelný a připevněný k zápěstí uživatele. Mohli byste použít referenční prostor relativní k divákovi (nebo vypočítat transformaci relativně k ovladači). Zde je návod, jak byste k tomu mohli přistoupit:

1. Použijte prostor diváka nebo ovladače: Požádejte o referenční prostor viewer nebo hand pro získání pozic relativních k hlavě nebo ruce uživatele.
2. Vytvořte transformační matici: Definujte transformační matici, která umístí ovládací panel mírně nad a před zápěstí.
3. Aplikujte transformaci: Vynásobte transformační matici ovládacího panelu transformační maticí diváka nebo ovladače. Tím zůstane ovládací panel uzamčen k zápěstí uživatele, když pohybuje hlavou nebo rukou.

Tento přístup se často používá ve VR hrách a aplikacích k poskytnutí pohodlného a dostupného rozhraní pro uživatele.

2. Ukotvení virtuálních objektů na reálné povrchy v AR

V rozšířené realitě často chcete ukotvit virtuální objekty na reálné povrchy, jako jsou stoly nebo stěny. To vyžaduje sofistikovanější přístup, který zahrnuje detekci a sledování těchto povrchů.

1. Použijte detekci rovin: Použijte WebXR API pro detekci rovin (pokud je podporováno zařízením) k identifikaci horizontálních a vertikálních povrchů v prostředí uživatele.
2. Vytvořte kotvu (anchor): Vytvořte XRAnchor na detekovaném povrchu. Tím získáte stabilní referenční bod v reálném světě.
3. Umístěte objekty relativně ke kotvě: Umístěte virtuální objekty relativně k transformační matici kotvy. Tím zajistíte, že objekty zůstanou připevněny k povrchu, i když se uživatel pohybuje.

ARKit (iOS) a ARCore (Android) poskytují robustní schopnosti detekce rovin, ke kterým lze přistupovat prostřednictvím WebXR Device API.

3. Teleportace ve VR

Teleportace je běžná technika používaná ve VR, která umožňuje uživatelům rychle se pohybovat ve velkých virtuálních prostředích. Zahrnuje plynulý přechod pohledu uživatele z jednoho místa na druhé.

1. Získejte cílovou lokaci: Určete cílovou lokaci pro teleportaci. Může být založena na vstupu uživatele (např. kliknutí na bod v prostředí) nebo na předem definovaném místě.
2. Vypočítejte transformaci: Vypočítejte transformační matici, která reprezentuje změnu pozice a orientace potřebnou k přesunu uživatele z jeho aktuální polohy do cílové.
3. Aplikujte transformaci: Aplikujte transformaci na referenční prostor. Tím se uživatel okamžitě přesune na nové místo. Zvažte použití plynulé animace, aby byla teleportace příjemnější.

Doporučené postupy pro práci s referenčními prostory WebXR

Zde jsou některé doporučené postupy, které je třeba mít na paměti při práci s referenčními prostory WebXR:

• Vyberte správný referenční prostor: Zvolte referenční prostor, který je pro vaši aplikaci nejvhodnější. Zvažte typ zážitku, který vytváříte (např. v sedě, ve stoje, v měřítku místnosti) a požadovanou úroveň přesnosti a stability.
• Zpracujte ztrátu sledování: Buďte připraveni na situace, kdy dojde ke ztrátě nebo nespolehlivosti sledování. K tomu může dojít, pokud se uživatel pohne mimo sledovanou oblast nebo pokud je prostředí špatně osvětlené. Poskytněte uživateli vizuální nápovědu a zvažte implementaci záložních mechanismů.
• Optimalizujte výkon: Souřadnicové transformace mohou být výpočetně náročné, zejména při práci s velkým počtem objektů. Optimalizujte svůj kód tak, abyste minimalizovali počet transformací prováděných v každém snímku. Pro zlepšení výkonu používejte cachování a další techniky.
• Testujte na různých zařízeních: Výkon a kvalita sledování WebXR se mohou na různých zařízeních výrazně lišit. Otestujte svou aplikaci na různých zařízeních, abyste zajistili, že bude dobře fungovat pro všechny uživatele.
• Zohledněte výšku uživatele a IPD: Zvažte různé výšky uživatelů a mezipupilární vzdálenosti (IPD). Správné nastavení výšky kamery na základě výšky uživatele zpříjemní zážitek. Přizpůsobení IPD zajišťuje, že stereoskopické vykreslování je pro každého uživatele přesné, což je důležité pro vizuální pohodlí a vnímání hloubky. WebXR poskytuje API pro přístup k odhadované IPD uživatele.

Pokročilá témata

Jakmile budete mít pevné základy v oblasti referenčních prostorů a souřadnicových transformací WebXR, můžete prozkoumat pokročilejší témata, jako jsou:

• Predikce pozice (Pose Prediction): WebXR poskytuje API pro předpovídání budoucí pozice hlavy a ovladačů uživatele. To lze využít ke snížení latence a zlepšení odezvy vaší aplikace.
• Prostorový zvuk (Spatial Audio): Souřadnicové transformace jsou nezbytné pro vytváření realistických prostorových zvukových zážitků. Umístěním zdrojů zvuku do 3D prostoru a transformací jejich pozic vzhledem k hlavě uživatele můžete vytvořit pocit ponoření a přítomnosti.
• Zážitky pro více uživatelů (Multi-user Experiences): Při vytváření VR/AR aplikací pro více uživatelů je třeba synchronizovat pozice a orientace všech uživatelů ve virtuálním světě. To vyžaduje pečlivou správu referenčních prostorů a souřadnicových transformací.

Frameworky a knihovny pro WebXR

Několik JavaScriptových frameworků a knihoven může zjednodušit vývoj WebXR a poskytnout abstrakce na vyšší úrovni pro práci s referenčními prostory a souřadnicovými transformacemi. Mezi populární možnosti patří:

• Three.js: Široce používaná 3D grafická knihovna, která poskytuje komplexní sadu nástrojů pro vytváření aplikací WebXR.
• Babylon.js: Další populární 3D engine, který nabízí vynikající podporu WebXR a bohatou sadu funkcí.
• A-Frame: Deklarativní framework, který usnadňuje vytváření zážitků WebXR pomocí syntaxe podobné HTML.
• React Three Fiber: Renderer pro Three.js v Reactu, který umožňuje vytvářet aplikace WebXR pomocí React komponent.

Závěr

Porozumění referenčním prostorům a souřadnicovým transformacím WebXR je klíčové pro vytváření pohlcujících a přesných VR/AR zážitků. Zvládnutím těchto konceptů můžete odemknout plný potenciál WebXR API a vytvářet poutavé aplikace, které posouvají hranice imerzivního webu. Jak se budete hlouběji ponořovat do vývoje WebXR, pokračujte v experimentování s různými referenčními prostory a transformačními technikami, abyste našli nejlepší řešení pro vaše konkrétní potřeby. Nezapomeňte optimalizovat svůj kód pro výkon a testovat na různých zařízeních, abyste zajistili plynulý a poutavý zážitek pro všechny uživatele.