WebXR-i referentsruumi transformatsioonide mõistmine: sügav sukeldumine koordinaatsüsteemidesse

WebXR avab ukse uskumatute virtuaal- ja liitreaalsuse kogemuste loomiseks otse veebilehitsejas. WebXR-i valdamine eeldab aga referentsruumide ja koordinaatide transformatsioonide põhjalikku mõistmist. See juhend annab nendest mõistetest põhjaliku ülevaate, võimaldades teil luua kaasahaaravaid ja täpseid VR/AR-rakendusi.

Mis on WebXR-i referentsruumid?

Reaalses maailmas on meil ühine arusaam asjade asukohast. Kuid virtuaalses maailmas on meil vaja viisi, kuidas defineerida koordinaatsüsteem, mis seob virtuaalsed objektid kasutaja ja keskkonnaga. Siin tulevadki mängu referentsruumid. Referentsruum määratleb virtuaalmaailma alguspunkti ja orientatsiooni, pakkudes raamistikku virtuaalsete objektide positsioneerimiseks ja kasutaja liikumise jälgimiseks.

Mõelge sellest nii: kujutage ette, et kirjeldade kellelegi mänguauto asukohta. Võiksite öelda: "See on kaks jalga sinu ees ja üks jalg sinust vasakul." Olete kaudselt defineerinud kuulajale keskendunud referentsruumi. WebXR-i referentsruumid pakuvad teie virtuaalsele stseenile sarnaseid ankrupunkte.

WebXR-i referentsruumide tüübid

WebXR pakub mitut tüüpi referentsruume, millest igaühel on oma omadused ja kasutusjuhud:

• Vaataja ruum (Viewer Space): See ruum on keskendatud kasutaja silmadele. See on suhteliselt ebastabiilne ruum, kuna see muutub pidevalt kasutaja pea liikumisega. See sobib kõige paremini peaga lukustatud sisu jaoks, näiteks HUD (heads-up display).
• Kohalik ruum (Local Space): See ruum pakub stabiilset, ekraaniga seotud vaadet. Alguspunkt on ekraani suhtes fikseeritud, kuid kasutaja saab endiselt ruumis ringi liikuda. See on kasulik istuvate või paiksete kogemuste jaoks.
• Kohalik põrandaruum (Local Floor Space): Sarnane kohaliku ruumiga, kuid alguspunkt asub põrandal. See on ideaalne kogemuste loomiseks, kus kasutaja seisab ja kõnnib piiratud alal. Esialgne kõrgus põrandast määratakse tavaliselt kasutaja seadme kalibreerimisega ja WebXR-süsteem annab endast parima, et hoida seda alguspunkti põrandal.
• Piiratud põrandaruum (Bounded Floor Space): See laiendab kohalikku põrandaruumi, määratledes piiratud ala (hulknurga), mille sees kasutaja saab liikuda. See on kasulik, et takistada kasutajatel jälgimisalast välja ekslemist, mis on eriti oluline ruumides, kus tegelikku füüsilist keskkonda pole hoolikalt kaardistatud.
• Piiramatu ruum (Unbounded Space): Sellel ruumil pole piire ja see võimaldab kasutajal reaalses maailmas vabalt liikuda. See sobib suuremahuliste VR-kogemuste jaoks, näiteks virtuaalses linnas jalutamiseks. See nõuab aga robustsemat jälgimissüsteemi. Seda kasutatakse sageli AR-rakenduste jaoks, kus kasutaja saab reaalses maailmas vabalt liikuda, nähes samal ajal virtuaalseid objekte oma vaatele lisatuna.

Koordinaatsüsteemide mõistmine

Koordinaatsüsteem määratleb, kuidas asukohti ja orientatsioone referentsruumis esitatakse. WebXR kasutab parema käe koordinaatsüsteemi, mis tähendab, et positiivne X-telg osutab paremale, positiivne Y-telg osutab üles ja positiivne Z-telg osutab vaataja poole.

Koordinaatsüsteemi mõistmine on ülioluline objektide õigeks positsioneerimiseks ja orienteerimiseks teie virtuaalses stseenis. Näiteks, kui soovite paigutada objekti ühe meetri kaugusele kasutaja ette, seadistaksite selle Z-koordinaadi väärtuseks -1 (pidage meeles, et Z-telg osutab vaataja poole).

WebXR kasutab standardse mõõtühikuna meetreid. Seda on oluline meeles pidada, kui töötate 3D-modelleerimise tööriistade või teekidega, mis võivad kasutada erinevaid ühikuid (nt sentimeetrid või tollid).

Koordinaatide transformatsioonid: objektide positsioneerimise ja orienteerimise võti

Koordinaatide transformatsioonid on matemaatilised operatsioonid, mis teisendavad asukohti ja orientatsioone ühest koordinaatsüsteemist teise. WebXR-is on transformatsioonid hädavajalikud:

• Objektide positsioneerimine kasutaja suhtes: Objekti asukoha teisendamine maailmaruumist (globaalne koordinaatsüsteem) vaataja ruumi (kasutaja pea asukoht).
• Objektide õige orienteerimine: Tagamine, et objektid on suunatud õiges suunas, olenemata kasutaja orientatsioonist.
• Kasutaja liikumise jälgimine: Kasutaja vaatepunkti asukoha ja orientatsiooni uuendamine andurite andmete põhjal.

Kõige levinum viis koordinaatide transformatsioonide esitamiseks on 4x4 transformatsioonimaatriksi kasutamine. See maatriks ühendab nihke (asukoht), pöörde (orientatsioon) ja skaleerimise ühte, tõhusasse esitusviisi.

Transformatsioonimaatriksite selgitus

4x4 transformatsioonimaatriks näeb välja selline:

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

Kus:

• R00-R22: Esindavad pöördekomponenti (3x3 pöördematriks).
• Tx, Ty, Tz: Esindavad nihkekomponenti (liikumise ulatus X-, Y- ja Z-teljel).

Punkti (x, y, z) transformeerimiseks transformatsioonimaatriksi abil käsitlete punkti 4D-vektorina (x, y, z, 1) ja korrutate selle maatriksiga. Tulemuseks saadud vektor esindab transformeeritud punkti uues koordinaatsüsteemis.

Enamik WebXR-i raamistikke (nagu Three.js ja Babylon.js) pakuvad sisseehitatud funktsioone transformatsioonimaatriksitega töötamiseks, mis teeb nende arvutuste tegemise lihtsamaks, ilma et peaks maatriksi elemente käsitsi muutma.

Transformatsioonide rakendamine WebXR-is

Vaatleme praktilist näidet. Oletame, et soovite paigutada virtuaalse kuubi ühe meetri kaugusele kasutaja silme ette.

1. Hankige vaataja poos: Kasutage XRFrame-liidest, et saada vaataja hetkepoos valitud referentsruumis.
2. Looge transformatsioonimaatriks: Looge transformatsioonimaatriks, mis esindab kuubi soovitud asukohta ja orientatsiooni vaataja suhtes. Sel juhul loote tõenäoliselt nihkemaatriksi, mis liigutab kuubi ühe meetri võrra piki negatiivset Z-telge (vaataja poole).
3. Rakendage transformatsioon: Korrutage kuubi algne transformatsioonimaatriks (mis esindab selle asukohta maailmaruumis) uue transformatsioonimaatriksiga (mis esindab selle asukohta vaataja suhtes). See uuendab kuubi asukohta stseenis.

Siin on lihtsustatud näide, kasutades Three.js-i:

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

// Animatsioonitsükli sees:
const xrFrame = session.requestAnimationFrame( (time, frame) => {
  const pose = frame.getViewerPose(referenceSpace);

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

See koodilõik hangib vaataja poosi, loob vektori, mis esindab kuubi soovitud asukohta (1 meeter eespool), rakendab vaataja transformatsioonimaatriksi asukohale ja seejärel uuendab kuubi asukohta stseenis. Samuti kopeerib see vaataja orientatsiooni kuubile.

Praktilised näited: stsenaariumid ja lahendused

Uurime mõningaid levinud stsenaariume ja seda, kuidas referentsruumi transformatsioone saab nende lahendamiseks kasutada:

1. Kasutaja randmele kinnitatud virtuaalse juhtpaneeli loomine

Kujutage ette, et soovite luua virtuaalse juhtpaneeli, mis on alati nähtav ja kinnitatud kasutaja randmele. Saaksite kasutada vaataja-suhtelist referentsruumi (või arvutada transformatsiooni kontrolleri suhtes). Siin on, kuidas võiksite sellele läheneda:

1. Kasutage vaataja või kontrolleri ruumi: Küsige viewer- või `hand`-referentsruumi, et saada poose kasutaja pea või käe suhtes.
2. Looge transformatsioonimaatriks: Määratlege transformatsioonimaatriks, mis positsioneerib juhtpaneeli veidi randme kohale ja ette.
3. Rakendage transformatsioon: Korrutage juhtpaneeli transformatsioonimaatriks vaataja või kontrolleri transformatsioonimaatriksiga. See hoiab juhtpaneeli lukustatuna kasutaja randme küljes, kui ta pead või kätt liigutab.

Seda lähenemist kasutatakse sageli VR-mängudes ja -rakendustes, et pakkuda kasutajatele mugavat ja ligipääsetavat liidest.

2. Virtuaalsete objektide ankurdamine reaalmaailma pindadele AR-is

Liitreaalsuses soovite sageli ankurdada virtuaalseid objekte reaalmaailma pindadele, näiteks laudadele või seintele. See nõuab keerukamat lähenemist, mis hõlmab nende pindade tuvastamist ja jälgimist.

1. Kasutage tasapinna tuvastamist: Kasutage WebXR-i tasapinna tuvastamise API-t (kui seade seda toetab), et tuvastada kasutaja keskkonnas horisontaalseid ja vertikaalseid pindu.
2. Looge ankur: Looge tuvastatud pinnal XRAnchor. See annab stabiilse referentspunkti reaalses maailmas.
3. Positsioneerige objektid ankru suhtes: Positsioneerige virtuaalsed objektid ankru transformatsioonimaatriksi suhtes. See tagab, et objektid jäävad pinnale kinnitatuks, ka siis, kui kasutaja ringi liigub.

ARKit (iOS) ja ARCore (Android) pakuvad robustseid tasapinna tuvastamise võimalusi, millele pääseb juurde WebXR Device API kaudu.

3. Teleportatsioon VR-is

Teleportatsioon on VR-is levinud tehnika, mis võimaldab kasutajatel kiiresti suurtes virtuaalsetes keskkondades ringi liikuda. See hõlmab kasutaja vaatepunkti sujuvat üleviimist ühest asukohast teise.

1. Hankige sihtasukoht: Määrake teleportatsiooni sihtasukoht. See võib põhineda kasutaja sisendil (nt keskkonnas punktile klõpsamine) või eelnevalt määratletud asukohal.
2. Arvutage transformatsioon: Arvutage transformatsioonimaatriks, mis esindab asukoha ja orientatsiooni muutust, mis on vajalik kasutaja liigutamiseks praegusest asukohast sihtasukohta.
3. Rakendage transformatsioon: Rakendage transformatsioon referentsruumile. See liigutab kasutaja koheselt uude asukohta. Kaaluge sujuva animatsiooni kasutamist, et muuta teleportatsioon mugavamaks.

Parimad praktikad WebXR-i referentsruumidega töötamisel

Siin on mõned parimad praktikad, mida WebXR-i referentsruumidega töötamisel meeles pidada:

• Valige õige referentsruum: Valige oma rakenduse jaoks kõige sobivam referentsruum. Mõelge loodava kogemuse tüübile (nt istuv, seisev, toasuurune) ning nõutavale täpsuse ja stabiilsuse tasemele.
• Käsitlege jälgimise kadu: Olge valmis olukordadeks, kus jälgimine kaob või muutub ebausaldusväärseks. See võib juhtuda, kui kasutaja liigub jälgimisalast välja või kui keskkond on halvasti valgustatud. Pakkuge kasutajale visuaalseid vihjeid ja kaaluge varumehhanismide rakendamist.
• Optimeerige jõudlust: Koordinaatide transformatsioonid võivad olla arvutuslikult kulukad, eriti suure hulga objektidega tegelemisel. Optimeerige oma koodi, et minimeerida iga kaadri kohta tehtavate transformatsioonide arvu. Kasutage vahemälu ja muid tehnikaid jõudluse parandamiseks.
• Testige erinevatel seadmetel: WebXR-i jõudlus ja jälgimise kvaliteet võivad erinevatel seadmetel oluliselt erineda. Testige oma rakendust mitmesugustel seadmetel, et tagada selle hea toimimine kõigi kasutajate jaoks.
• Arvestage kasutaja pikkuse ja IPD-ga: Arvestage erinevate kasutajate pikkuste ja silmavahedega (IPD). Kaamera kõrguse õige seadistamine vastavalt kasutaja pikkusele muudab kogemuse mugavamaks. IPD-ga kohandamine tagab, et stereoskoopiline renderdamine on iga kasutaja jaoks täpne, mis on oluline visuaalse mugavuse ja sügavustaju jaoks. WebXR pakub API-sid kasutaja hinnangulisele IPD-le juurdepääsuks.

Edasijõudnute teemad

Kui teil on WebXR-i referentsruumide ja koordinaatide transformatsioonide põhitõed selged, saate uurida edasijõudnumaid teemasid, näiteks:

• Poosi ennustamine: WebXR pakub API-sid kasutaja pea ja kontrollerite tulevase poosi ennustamiseks. Seda saab kasutada latentsuse vähendamiseks ja teie rakenduse reageerimisvõime parandamiseks.
• Ruumiline heli: Koordinaatide transformatsioonid on realistlike ruumiliste helikogemuste loomiseks hädavajalikud. Paigutades heliallikad 3D-ruumi ja transformeerides nende asukohti kasutaja pea suhtes, saate luua süvenemise ja kohalolu tunde.
• Mitme kasutaja kogemused: Mitme kasutajaga VR/AR-rakenduste loomisel peate sünkroonima kõigi kasutajate asukohad ja orientatsioonid virtuaalses maailmas. See nõuab referentsruumide ja koordinaatide transformatsioonide hoolikat haldamist.

WebXR-i raamistikud ja teegid

Mitmed JavaScripti raamistikud ja teegid võivad lihtsustada WebXR-i arendust ja pakkuda kõrgema taseme abstraktsioone referentsruumide ja koordinaatide transformatsioonidega töötamiseks. Mõned populaarsed valikud on järgmised:

• Three.js: Laialdaselt kasutatav 3D-graafika teek, mis pakub terviklikku tööriistakomplekti WebXR-rakenduste loomiseks.
• Babylon.js: Teine populaarne 3D-mootor, mis pakub suurepärast WebXR-i tuge ja rikkalikku funktsioonide komplekti.
• A-Frame: Deklaratiivne raamistik, mis muudab WebXR-kogemuste loomise lihtsaks, kasutades HTML-i sarnast süntaksit.
• React Three Fiber: Reacti renderdaja Three.js-ile, mis võimaldab teil ehitada WebXR-rakendusi Reacti komponentide abil.

Kokkuvõte

WebXR-i referentsruumide ja koordinaatide transformatsioonide mõistmine on kaasahaaravate ja täpsete VR/AR-kogemuste loomiseks ülioluline. Nende kontseptsioonide valdamisega saate avada WebXR API täieliku potentsiaali ja luua köitvaid rakendusi, mis nihutavad kaasahaarava veebi piire. Süvenedes WebXR-i arendusse, jätkake katsetamist erinevate referentsruumide ja transformatsioonitehnikatega, et leida oma konkreetsetele vajadustele parimad lahendused. Pidage meeles, et optimeerige oma koodi jõudluse tagamiseks ja testige erinevatel seadmetel, et tagada sujuv ja kaasahaarav kogemus kõigile kasutajatele.