WebXR-Referenzraum-Transformationen verstehen: Ein tiefer Einblick in Koordinatensysteme

WebXR öffnet die Tür zur Erstellung unglaublicher Virtual- und Augmented-Reality-Erlebnisse direkt im Browser. Die Beherrschung von WebXR erfordert jedoch ein solides Verständnis von Referenzräumen und Koordinatentransformationen. Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Überblick über diese Konzepte, damit Sie immersive und präzise VR/AR-Anwendungen erstellen können.

Was sind WebXR-Referenzräume?

In der realen Welt haben wir ein gemeinsames Verständnis davon, wo sich Dinge befinden. In der virtuellen Welt benötigen wir jedoch eine Möglichkeit, das Koordinatensystem zu definieren, das virtuelle Objekte mit dem Benutzer und der Umgebung in Beziehung setzt. Hier kommen Referenzräume ins Spiel. Ein Referenzraum definiert den Ursprung und die Ausrichtung der virtuellen Welt und bietet einen Rahmen für die Positionierung virtueller Objekte und die Verfolgung der Benutzerbewegung.

Stellen Sie es sich so vor: Sie beschreiben jemandem den Standort eines Spielzeugautos. Sie könnten sagen: „Es ist zwei Fuß vor Ihnen und einen Fuß zu Ihrer Linken.“ Sie haben damit implizit einen auf den Zuhörer zentrierten Referenzraum definiert. WebXR-Referenzräume bieten ähnliche Ankerpunkte für Ihre virtuelle Szene.

Arten von Referenzräumen in WebXR

WebXR bietet verschiedene Arten von Referenzräumen, jeder mit seinen eigenen Eigenschaften und Anwendungsfällen:

• Viewer Space: Dieser Raum ist auf die Augen des Benutzers zentriert. Es ist ein relativ instabiler Raum, da er sich ständig mit den Kopfbewegungen des Benutzers ändert. Er eignet sich am besten für an den Kopf gebundene Inhalte, wie ein Heads-Up-Display (HUD).
• Local Space: Dieser Raum bietet eine stabile, bildschirmrelative Ansicht. Der Ursprung ist relativ zum Display fixiert, aber der Benutzer kann sich immer noch innerhalb des Raums bewegen. Er ist nützlich für sitzende oder stationäre Erlebnisse.
• Local Floor Space: Ähnlich dem Local Space, aber mit dem Ursprung auf dem Boden. Dies ist ideal für Erlebnisse, bei denen der Benutzer in einem begrenzten Bereich steht und herumläuft. Die anfängliche Höhe über dem Boden wird in der Regel durch die Kalibrierung des Geräts des Benutzers bestimmt, und das WebXR-System versucht sein Bestes, diesen Ursprung auf dem Boden zu halten.
• Bounded Floor Space: Dieser erweitert den Local Floor Space, indem er einen begrenzten Bereich (ein Polygon) definiert, innerhalb dessen sich der Benutzer bewegen kann. Er ist nützlich, um zu verhindern, dass Benutzer aus dem Tracking-Bereich herauswandern, was besonders in Räumen wichtig ist, in denen die tatsächliche physische Umgebung nicht sorgfältig kartiert wurde.
• Unbounded Space: Dieser Raum hat keine Grenzen und ermöglicht es dem Benutzer, sich frei in der realen Welt zu bewegen. Er eignet sich für groß angelegte VR-Erlebnisse, wie zum Beispiel das Durchqueren einer virtuellen Stadt. Er erfordert jedoch ein robusteres Tracking-System. Dies wird oft für AR-Anwendungen verwendet, bei denen sich der Benutzer frei in der realen Welt bewegen kann, während er virtuelle Objekte über seine Sicht auf die reale Welt gelegt sieht.

Koordinatensysteme verstehen

Ein Koordinatensystem definiert, wie Positionen und Ausrichtungen innerhalb eines Referenzraums dargestellt werden. WebXR verwendet ein rechtshändiges Koordinatensystem, was bedeutet, dass die positive X-Achse nach rechts, die positive Y-Achse nach oben und die positive Z-Achse auf den Betrachter zeigt.

Das Verständnis des Koordinatensystems ist entscheidend für die korrekte Positionierung und Ausrichtung von Objekten in Ihrer virtuellen Szene. Wenn Sie beispielsweise ein Objekt einen Meter vor dem Benutzer platzieren möchten, würden Sie seine Z-Koordinate auf -1 setzen (denken Sie daran, die Z-Achse zeigt auf den Betrachter).

WebXR verwendet Meter als Standardmaßeinheit. Dies ist wichtig zu beachten, wenn Sie mit 3D-Modellierungswerkzeugen oder Bibliotheken arbeiten, die möglicherweise andere Einheiten verwenden (z. B. Zentimeter oder Zoll).

Koordinatentransformationen: Der Schlüssel zur Positionierung und Ausrichtung von Objekten

Koordinatentransformationen sind die mathematischen Operationen, die Positionen und Ausrichtungen von einem Koordinatensystem in ein anderes umwandeln. In WebXR sind Transformationen unerlässlich für:

• Positionierung von Objekten relativ zum Benutzer: Umwandlung der Position eines Objekts vom Weltraum (dem globalen Koordinatensystem) in den Betrachterraum (die Kopfposition des Benutzers).
• Korrekte Ausrichtung von Objekten: Sicherstellen, dass Objekte unabhängig von der Ausrichtung des Benutzers in die richtige Richtung weisen.
• Verfolgung der Benutzerbewegung: Aktualisierung der Position und Ausrichtung des Blickpunkts des Benutzers basierend auf Sensordaten.

Die gebräuchlichste Methode zur Darstellung von Koordinatentransformationen ist die Verwendung einer 4x4-Transformationsmatrix. Diese Matrix kombiniert Translation (Position), Rotation (Ausrichtung) und Skalierung in einer einzigen, effizienten Darstellung.

Transformationsmatrizen erklärt

Eine 4x4-Transformationsmatrix sieht so aus:

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

Wobei:

• R00-R22: Stellen die Rotationskomponente dar (eine 3x3-Rotationsmatrix).
• Tx, Ty, Tz: Stellen die Translationskomponente dar (der Betrag, um den entlang der X-, Y- und Z-Achsen verschoben wird).

Um einen Punkt (x, y, z) mit einer Transformationsmatrix zu transformieren, behandelt man den Punkt als 4D-Vektor (x, y, z, 1) und multipliziert ihn mit der Matrix. Der resultierende Vektor stellt den transformierten Punkt im neuen Koordinatensystem dar.

Die meisten WebXR-Frameworks (wie Three.js und Babylon.js) bieten integrierte Funktionen für die Arbeit mit Transformationsmatrizen, was die Durchführung dieser Berechnungen erleichtert, ohne die Matrixelemente manuell bearbeiten zu müssen.

Anwendung von Transformationen in WebXR

Betrachten wir ein praktisches Beispiel. Angenommen, Sie möchten einen virtuellen Würfel einen Meter vor den Augen des Benutzers platzieren.

1. Betrachter-Pose abrufen: Verwenden Sie die XRFrame-Schnittstelle, um die aktuelle Pose des Betrachters im gewählten Referenzraum zu erhalten.
2. Transformationsmatrix erstellen: Erstellen Sie eine Transformationsmatrix, die die gewünschte Position und Ausrichtung des Würfels relativ zum Betrachter darstellt. In diesem Fall würden Sie wahrscheinlich eine Translationsmatrix erstellen, die den Würfel einen Meter entlang der negativen Z-Achse (auf den Betrachter zu) bewegt.
3. Transformation anwenden: Multiplizieren Sie die ursprüngliche Transformationsmatrix des Würfels (die seine Position im Weltraum darstellt) mit der neuen Transformationsmatrix (die seine Position relativ zum Betrachter darstellt). Dies aktualisiert die Position des Würfels in der Szene.

Hier ist ein vereinfachtes Beispiel mit Three.js:

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

// Innerhalb der Animationsschleife:
const xrFrame = session.requestAnimationFrame( (time, frame) => {
  const pose = frame.getViewerPose(referenceSpace);

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

Dieser Codeausschnitt ruft die Pose des Betrachters ab, erstellt einen Vektor, der die gewünschte Position des Würfels darstellt (1 Meter davor), wendet die Transformationsmatrix des Betrachters auf die Position an und aktualisiert dann die Position des Würfels in der Szene. Er kopiert auch die Ausrichtung des Betrachters auf den Würfel.

Praktische Beispiele: Szenarien und Lösungen

Lassen Sie uns einige gängige Szenarien untersuchen und wie Referenzraum-Transformationen zu ihrer Lösung verwendet werden können:

1. Erstellen eines virtuellen Bedienfelds, das am Handgelenk des Benutzers befestigt ist

Stellen Sie sich vor, Sie möchten ein virtuelles Bedienfeld erstellen, das immer sichtbar und am Handgelenk des Benutzers befestigt ist. Sie könnten einen auf den Betrachter bezogenen Referenzraum verwenden (oder die Transformation relativ zum Controller berechnen). So könnten Sie vorgehen:

1. Viewer- oder Controller-Raum verwenden: Fordern Sie einen viewer- oder `hand`-Referenzraum an, um Posen relativ zum Kopf oder zur Hand des Benutzers zu erhalten.
2. Transformationsmatrix erstellen: Definieren Sie eine Transformationsmatrix, die das Bedienfeld leicht über und vor dem Handgelenk positioniert.
3. Transformation anwenden: Multiplizieren Sie die Transformationsmatrix des Bedienfelds mit der Transformationsmatrix des Betrachters oder Controllers. Dadurch bleibt das Bedienfeld am Handgelenk des Benutzers fixiert, wenn dieser seinen Kopf oder seine Hand bewegt.

Dieser Ansatz wird häufig in VR-Spielen und -Anwendungen verwendet, um den Benutzern eine bequeme und zugängliche Benutzeroberfläche zu bieten.

2. Verankern virtueller Objekte an realen Oberflächen in AR

In der Augmented Reality möchte man oft virtuelle Objekte an realen Oberflächen wie Tischen oder Wänden verankern. Dies erfordert einen ausgefeilteren Ansatz, der die Erkennung und Verfolgung dieser Oberflächen umfasst.

1. Ebenenerkennung verwenden: Verwenden Sie die WebXR-Ebenenerkennungs-API (sofern vom Gerät unterstützt), um horizontale und vertikale Oberflächen in der Umgebung des Benutzers zu identifizieren.
2. Anker erstellen: Erstellen Sie einen XRAnchor an der erkannten Oberfläche. Dies bietet einen stabilen Referenzpunkt in der realen Welt.
3. Objekte relativ zum Anker positionieren: Positionieren Sie virtuelle Objekte relativ zur Transformationsmatrix des Ankers. Dadurch wird sichergestellt, dass die Objekte an der Oberfläche haften bleiben, auch wenn sich der Benutzer bewegt.

ARKit (iOS) und ARCore (Android) bieten robuste Funktionen zur Ebenenerkennung, auf die über die WebXR Device API zugegriffen werden kann.

3. Teleportation in VR

Teleportation ist eine gängige Technik in VR, die es Benutzern ermöglicht, sich schnell in großen virtuellen Umgebungen zu bewegen. Dabei wird der Blickpunkt des Benutzers sanft von einem Ort zum anderen überführt.

1. Zielort abrufen: Bestimmen Sie den Zielort für die Teleportation. Dies kann auf Benutzereingaben (z. B. Klicken auf einen Punkt in der Umgebung) oder einem vordefinierten Ort basieren.
2. Transformation berechnen: Berechnen Sie die Transformationsmatrix, die die erforderliche Positions- und Ausrichtungsänderung darstellt, um den Benutzer von seinem aktuellen Standort zum Zielort zu bewegen.
3. Transformation anwenden: Wenden Sie die Transformation auf den Referenzraum an. Dadurch wird der Benutzer sofort an den neuen Ort versetzt. Erwägen Sie die Verwendung einer sanften Animation, um die Teleportation angenehmer zu gestalten.

Best Practices für die Arbeit mit WebXR-Referenzräumen

Hier sind einige Best Practices, die Sie bei der Arbeit mit WebXR-Referenzräumen beachten sollten:

• Den richtigen Referenzraum wählen: Wählen Sie den für Ihre Anwendung am besten geeigneten Referenzraum. Berücksichtigen Sie die Art des Erlebnisses, das Sie erstellen (z. B. sitzend, stehend, raumfüllend) und den erforderlichen Grad an Genauigkeit und Stabilität.
• Tracking-Verlust handhaben: Seien Sie auf Situationen vorbereitet, in denen das Tracking verloren geht oder unzuverlässig wird. Dies kann passieren, wenn sich der Benutzer außerhalb des Tracking-Bereichs bewegt oder die Umgebung schlecht beleuchtet ist. Geben Sie dem Benutzer visuelle Hinweise und erwägen Sie die Implementierung von Fallback-Mechanismen.
• Leistung optimieren: Koordinatentransformationen können rechenintensiv sein, insbesondere bei einer großen Anzahl von Objekten. Optimieren Sie Ihren Code, um die Anzahl der pro Frame durchzuführenden Transformationen zu minimieren. Verwenden Sie Caching und andere Techniken, um die Leistung zu verbessern.
• Auf verschiedenen Geräten testen: Die Leistung und Tracking-Qualität von WebXR kann sich zwischen verschiedenen Geräten erheblich unterscheiden. Testen Sie Ihre Anwendung auf einer Vielzahl von Geräten, um sicherzustellen, dass sie für alle Benutzer gut funktioniert.
• Benutzergröße und IPD berücksichtigen: Berücksichtigen Sie unterschiedliche Benutzergrößen und Augenabstände (IPD). Die korrekte Einstellung der Kamerahöhe basierend auf der Größe des Benutzers macht das Erlebnis komfortabler. Die Anpassung an den IPD stellt sicher, dass das stereoskopische Rendering für jeden Benutzer korrekt ist, was für den visuellen Komfort und die Tiefenwahrnehmung wichtig ist. WebXR bietet APIs zum Abrufen des geschätzten IPD des Benutzers.

Weiterführende Themen

Sobald Sie ein solides Verständnis der Grundlagen von WebXR-Referenzräumen und Koordinatentransformationen haben, können Sie sich mit weiterführenden Themen befassen, wie zum Beispiel:

• Pose-Vorhersage: WebXR bietet APIs zur Vorhersage der zukünftigen Pose des Kopfes und der Controller des Benutzers. Dies kann verwendet werden, um die Latenz zu reduzieren und die Reaktionsfähigkeit Ihrer Anwendung zu verbessern.
• Räumliches Audio: Koordinatentransformationen sind für die Erstellung realistischer räumlicher Audioerlebnisse unerlässlich. Indem Sie Audioquellen im 3D-Raum positionieren und ihre Positionen relativ zum Kopf des Benutzers transformieren, können Sie ein Gefühl von Immersion und Präsenz erzeugen.
• Mehrbenutzer-Erlebnisse: Bei der Erstellung von Mehrbenutzer-VR/AR-Anwendungen müssen Sie die Positionen und Ausrichtungen aller Benutzer in der virtuellen Welt synchronisieren. Dies erfordert eine sorgfältige Verwaltung von Referenzräumen und Koordinatentransformationen.

WebXR-Frameworks und Bibliotheken

Mehrere JavaScript-Frameworks und Bibliotheken können die WebXR-Entwicklung vereinfachen und übergeordnete Abstraktionen für die Arbeit mit Referenzräumen und Koordinatentransformationen bereitstellen. Einige beliebte Optionen sind:

• Three.js: Eine weit verbreitete 3D-Grafikbibliothek, die einen umfassenden Satz von Werkzeugen zur Erstellung von WebXR-Anwendungen bietet.
• Babylon.js: Eine weitere beliebte 3D-Engine, die eine ausgezeichnete WebXR-Unterstützung und einen reichhaltigen Funktionsumfang bietet.
• A-Frame: Ein deklaratives Framework, das die Erstellung von WebXR-Erlebnissen mit einer HTML-ähnlichen Syntax vereinfacht.
• React Three Fiber: Ein React-Renderer für Three.js, mit dem Sie WebXR-Anwendungen mit React-Komponenten erstellen können.

Fazit

Das Verständnis von WebXR-Referenzräumen und Koordinatentransformationen ist entscheidend für die Erstellung immersiver und präziser VR/AR-Erlebnisse. Indem Sie diese Konzepte beherrschen, können Sie das volle Potenzial der WebXR-API ausschöpfen und überzeugende Anwendungen entwickeln, die die Grenzen des immersiven Webs erweitern. Während Sie tiefer in die WebXR-Entwicklung eintauchen, experimentieren Sie weiterhin mit verschiedenen Referenzräumen und Transformationstechniken, um die besten Lösungen für Ihre spezifischen Anforderungen zu finden. Denken Sie daran, Ihren Code auf Leistung zu optimieren und auf einer Vielzahl von Geräten zu testen, um ein reibungsloses und ansprechendes Erlebnis für alle Benutzer zu gewährleisten.