درک تبدیلات فضای مرجع WebXR: نگاهی عمیق به سیستم‌های مختصات

WebXR در را به روی خلق تجربیات باورنکردنی واقعیت مجازی و افزوده مستقیماً در مرورگر باز می‌کند. با این حال، تسلط بر WebXR نیازمند درک قوی از فضاهای مرجع و تبدیلات مختصات است. این راهنما یک نمای کلی جامع از این مفاهیم ارائه می‌دهد و شما را برای ساخت برنامه‌های VR/AR همه‌جانبه و دقیق توانمند می‌سازد.

فضاهای مرجع WebXR چه هستند؟

در دنیای واقعی، ما درک مشترکی از مکان اشیاء داریم. اما در دنیای مجازی، به راهی برای تعریف سیستم مختصاتی نیاز داریم که اشیاء مجازی را به کاربر و محیط مرتبط کند. اینجاست که فضاهای مرجع وارد می‌شوند. یک فضای مرجع، مبدأ و جهت‌گیری دنیای مجازی را تعریف می‌کند و چارچوبی برای موقعیت‌یابی اشیاء مجازی و ردیابی حرکت کاربر فراهم می‌آورد.

این‌طور به آن فکر کنید: تصور کنید در حال توصیف مکان یک ماشین اسباب‌بازی برای شخصی هستید. ممکن است بگویید: «دو قدم جلوتر از تو و یک قدم سمت چپ توست.» شما به طور ضمنی یک فضای مرجع با مرکزیت شنونده تعریف کرده‌اید. فضاهای مرجع WebXR نقاط لنگر مشابهی برای صحنه مجازی شما فراهم می‌کنند.

انواع فضاهای مرجع در WebXR

WebXR چندین نوع فضای مرجع را ارائه می‌دهد که هر کدام ویژگی‌ها و موارد استفاده خاص خود را دارند:

• فضای بیننده (Viewer Space): این فضا بر روی چشمان کاربر متمرکز است. این یک فضای نسبتاً ناپایدار است، زیرا با حرکات سر کاربر دائماً تغییر می‌کند. این فضا برای محتوای قفل‌شده به سر، مانند نمایشگر بالای سر (HUD)، بهترین گزینه است.
• فضای محلی (Local Space): این فضا یک نمای پایدار و وابسته به صفحه نمایش را فراهم می‌کند. مبدأ نسبت به نمایشگر ثابت است، اما کاربر همچنان می‌تواند در داخل فضا حرکت کند. این فضا برای تجربیات نشسته یا ثابت مفید است.
• فضای کف محلی (Local Floor Space): مشابه فضای محلی است، اما مبدأ آن روی زمین قرار دارد. این فضا برای خلق تجربیاتی که در آن کاربر ایستاده و در یک منطقه محدود راه می‌رود، ایده‌آل است. ارتفاع اولیه از سطح زمین معمولاً توسط کالیبراسیون دستگاه کاربر تعیین می‌شود و سیستم WebXR تمام تلاش خود را می‌کند تا این مبدأ را روی زمین حفظ کند.
• فضای کف محدود (Bounded Floor Space): این فضا با تعریف یک ناحیه محدود (یک چندضلعی) که کاربر می‌تواند در آن حرکت کند، فضای کف محلی را گسترش می‌دهد. این فضا برای جلوگیری از خروج کاربران از ناحیه ردیابی مفید است، که به ویژه در فضاهایی که محیط فیزیکی واقعی به دقت نقشه‌برداری نشده، اهمیت دارد.
• فضای نامحدود (Unbounded Space): این فضا هیچ مرزی ندارد و به کاربر اجازه می‌دهد آزادانه در دنیای واقعی حرکت کند. این فضا برای تجربیات VR در مقیاس بزرگ، مانند راه رفتن در یک شهر مجازی، مناسب است. با این حال، به یک سیستم ردیابی قوی‌تر نیاز دارد. این فضا اغلب برای برنامه‌های AR استفاده می‌شود، جایی که کاربر می‌تواند آزادانه در دنیای واقعی حرکت کند و اشیاء مجازی را روی نمای خود از دنیای واقعی ببیند.

درک سیستم‌های مختصات

یک سیستم مختصات نحوه نمایش موقعیت‌ها و جهت‌گیری‌ها را در یک فضای مرجع تعریف می‌کند. WebXR از یک سیستم مختصات راست‌گرد استفاده می‌کند، به این معنی که محور X مثبت به سمت راست، محور Y مثبت به سمت بالا و محور Z مثبت به سمت بیننده اشاره دارد.

درک سیستم مختصات برای موقعیت‌یابی و جهت‌دهی صحیح اشیاء در صحنه مجازی شما حیاتی است. به عنوان مثال، اگر می‌خواهید یک شیء را یک متر جلوی کاربر قرار دهید، مختصات Z آن را روی -1 تنظیم می‌کنید (به یاد داشته باشید، محور Z به سمت بیننده اشاره دارد).

WebXR از متر به عنوان واحد استاندارد اندازه‌گیری استفاده می‌کند. به خاطر سپردن این نکته هنگام کار با ابزارهای مدل‌سازی سه‌بعدی یا کتابخانه‌هایی که ممکن است از واحدهای مختلفی (مانند سانتی‌متر یا اینچ) استفاده کنند، مهم است.

تبدیلات مختصات: کلید موقعیت‌یابی و جهت‌دهی اشیاء

تبدیلات مختصات، عملیات ریاضی هستند که موقعیت‌ها و جهت‌گیری‌ها را از یک سیستم مختصات به سیستم دیگر تبدیل می‌کنند. در WebXR، تبدیلات برای موارد زیر ضروری هستند:

• موقعیت‌یابی اشیاء نسبت به کاربر: تبدیل موقعیت یک شیء از فضای جهانی (سیستم مختصات سراسری) به فضای بیننده (موقعیت سر کاربر).
• جهت‌دهی صحیح اشیاء: اطمینان از اینکه اشیاء صرف‌نظر از جهت‌گیری کاربر، در جهت صحیح قرار گرفته‌اند.
• ردیابی حرکت کاربر: به‌روزرسانی موقعیت و جهت‌گیری دید کاربر بر اساس داده‌های حسگر.

رایج‌ترین راه برای نمایش تبدیلات مختصات، استفاده از یک ماتریس تبدیل 4x4 است. این ماتریس، انتقال (موقعیت)، چرخش (جهت‌گیری) و مقیاس را در یک نمایش واحد و کارآمد ترکیب می‌کند.

توضیح ماتریس‌های تبدیل

یک ماتریس تبدیل 4x4 به این شکل است:

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

که در آن:

• R00-R22: مؤلفه چرخش را نشان می‌دهد (یک ماتریس چرخش 3x3).
• Tx, Ty, Tz: مؤلفه انتقال را نشان می‌دهد (مقدار حرکت در امتداد محورهای X، Y و Z).

برای تبدیل یک نقطه (x, y, z) با استفاده از یک ماتریس تبدیل، شما آن نقطه را به عنوان یک بردار 4 بعدی (x, y, z, 1) در نظر گرفته و آن را در ماتریس ضرب می‌کنید. بردار حاصل، نقطه تبدیل‌شده در سیستم مختصات جدید را نشان می‌دهد.

اکثر فریم‌ورک‌های WebXR (مانند Three.js و Babylon.js) توابع داخلی برای کار با ماتریس‌های تبدیل فراهم می‌کنند، که انجام این محاسبات را بدون نیاز به دستکاری دستی عناصر ماتریس، آسان‌تر می‌کند.

اعمال تبدیلات در WebXR

بیایید یک مثال عملی را در نظر بگیریم. فرض کنید می‌خواهید یک مکعب مجازی را یک متر جلوی چشمان کاربر قرار دهید.

1. دریافت ژست (pose) بیننده: از رابط XRFrame برای دریافت ژست فعلی بیننده در فضای مرجع انتخاب‌شده استفاده کنید.
2. ایجاد یک ماتریس تبدیل: یک ماتریس تبدیل بسازید که موقعیت و جهت‌گیری مطلوب مکعب را نسبت به بیننده نشان دهد. در این مورد، شما احتمالاً یک ماتریس انتقال ایجاد می‌کنید که مکعب را یک متر در امتداد محور منفی Z (به سمت بیننده) حرکت می‌دهد.
3. اعمال تبدیل: ماتریس تبدیل اصلی مکعب (که موقعیت آن را در فضای جهانی نشان می‌دهد) را در ماتریس تبدیل جدید (که موقعیت آن را نسبت به بیننده نشان می‌دهد) ضرب کنید. این کار موقعیت مکعب را در صحنه به‌روز می‌کند.

در اینجا یک مثال ساده با استفاده از Three.js آورده شده است:

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

// Inside the animation loop:
const xrFrame = session.requestAnimationFrame( (time, frame) => {
  const pose = frame.getViewerPose(referenceSpace);

  if ( pose ) {
    const position = new THREE.Vector3(0, 0, -1); // 1 meter in front
    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);
  }
});

این قطعه کد، ژست بیننده را دریافت می‌کند، یک بردار نشان‌دهنده موقعیت مطلوب مکعب (1 متر جلوتر) ایجاد می‌کند، ماتریس تبدیل بیننده را به موقعیت اعمال می‌کند و سپس موقعیت مکعب را در صحنه به‌روز می‌کند. همچنین جهت‌گیری بیننده را به مکعب کپی می‌کند.

مثال‌های عملی: سناریوها و راه‌حل‌ها

بیایید برخی سناریوهای رایج و نحوه استفاده از تبدیلات فضای مرجع برای حل آنها را بررسی کنیم:

۱. ایجاد یک پنل کنترل مجازی متصل به مچ کاربر

تصور کنید می‌خواهید یک پنل کنترل مجازی ایجاد کنید که همیشه قابل مشاهده و متصل به مچ کاربر باشد. شما می‌توانید از یک فضای مرجع وابسته به بیننده استفاده کنید (یا تبدیل را نسبت به کنترلر محاسبه کنید). در اینجا نحوه رویکرد شما به این موضوع آمده است:

1. استفاده از فضای بیننده یا فضای کنترلر: یک فضای مرجع viewer یا `hand` را برای دریافت ژست‌ها نسبت به سر یا دست کاربر درخواست کنید.
2. ایجاد یک ماتریس تبدیل: یک ماتریس تبدیل تعریف کنید که پنل کنترل را کمی بالاتر و جلوی مچ قرار دهد.
3. اعمال تبدیل: ماتریس تبدیل پنل کنترل را در ماتریس تبدیل بیننده یا کنترلر ضرب کنید. این کار پنل کنترل را با حرکت سر یا دست کاربر، به مچ او قفل نگه می‌دارد.

این رویکرد اغلب در بازی‌ها و برنامه‌های VR برای فراهم کردن یک رابط کاربری راحت و در دسترس برای کاربران استفاده می‌شود.

۲. لنگر انداختن اشیاء مجازی به سطوح دنیای واقعی در AR

در واقعیت افزوده، شما اغلب می‌خواهید اشیاء مجازی را به سطوح دنیای واقعی، مانند میزها یا دیوارها، لنگر بیندازید. این امر نیازمند یک رویکرد پیچیده‌تر است که شامل تشخیص و ردیابی این سطوح می‌شود.

1. استفاده از تشخیص سطح (plane detection): از API تشخیص سطح WebXR (در صورت پشتیبانی توسط دستگاه) برای شناسایی سطوح افقی و عمودی در محیط کاربر استفاده کنید.
2. ایجاد یک لنگر (anchor): یک XRAnchor در سطح شناسایی‌شده ایجاد کنید. این کار یک نقطه مرجع پایدار در دنیای واقعی فراهم می‌کند.
3. موقعیت‌یابی اشیاء نسبت به لنگر: اشیاء مجازی را نسبت به ماتریس تبدیل لنگر موقعیت‌یابی کنید. این کار تضمین می‌کند که اشیاء حتی با حرکت کاربر، به سطح متصل باقی می‌مانند.

ARKit (iOS) و ARCore (Android) قابلیت‌های قوی تشخیص سطح را فراهم می‌کنند که می‌توان از طریق WebXR Device API به آنها دسترسی داشت.

۳. تلپورت در VR

تلپورت یک تکنیک رایج است که در VR برای امکان جابجایی سریع کاربران در محیط‌های مجازی بزرگ استفاده می‌شود. این شامل انتقال روان دید کاربر از یک مکان به مکان دیگر است.

1. دریافت مکان هدف: مکان هدف برای تلپورت را تعیین کنید. این می‌تواند بر اساس ورودی کاربر (مثلاً کلیک بر روی یک نقطه در محیط) یا یک مکان از پیش تعریف‌شده باشد.
2. محاسبه تبدیل: ماتریس تبدیلی را که نشان‌دهنده تغییر در موقعیت و جهت‌گیری مورد نیاز برای انتقال کاربر از مکان فعلی به مکان هدف است، محاسبه کنید.
3. اعمال تبدیل: تبدیل را به فضای مرجع اعمال کنید. این کار فوراً کاربر را به مکان جدید منتقل می‌کند. استفاده از یک انیمیشن روان را برای راحت‌تر کردن حس تلپورت در نظر بگیرید.

بهترین شیوه‌ها برای کار با فضاهای مرجع WebXR

در اینجا برخی از بهترین شیوه‌ها برای به خاطر سپردن هنگام کار با فضاهای مرجع WebXR آورده شده است:

• انتخاب فضای مرجع مناسب: فضای مرجعی را انتخاب کنید که برای برنامه شما مناسب‌ترین باشد. نوع تجربه‌ای که ایجاد می‌کنید (مثلاً نشسته، ایستاده، در مقیاس اتاق) و سطح دقت و پایداری مورد نیاز را در نظر بگیرید.
• مدیریت از دست رفتن ردیابی: برای رسیدگی به شرایطی که ردیابی از دست می‌رود یا غیرقابل اعتماد می‌شود، آماده باشید. این ممکن است در صورتی اتفاق بیفتد که کاربر از ناحیه ردیابی خارج شود یا محیط نور ضعیفی داشته باشد. نشانه‌های بصری به کاربر ارائه دهید و پیاده‌سازی مکانیزم‌های جایگزین را در نظر بگیرید.
• بهینه‌سازی عملکرد: تبدیلات مختصات می‌توانند از نظر محاسباتی سنگین باشند، به ویژه هنگام کار با تعداد زیادی از اشیاء. کد خود را برای به حداقل رساندن تعداد تبدیل‌هایی که باید در هر فریم انجام شود، بهینه کنید. از کش کردن (caching) و سایر تکنیک‌ها برای بهبود عملکرد استفاده کنید.
• تست روی دستگاه‌های مختلف: عملکرد و کیفیت ردیابی WebXR می‌تواند به طور قابل توجهی در دستگاه‌های مختلف متفاوت باشد. برنامه خود را روی انواع دستگاه‌ها آزمایش کنید تا اطمینان حاصل کنید که برای همه کاربران به خوبی کار می‌کند.
• در نظر گرفتن قد و فاصله بین مردمکی (IPD) کاربر: قدها و فواصل بین مردمکی (IPD) مختلف کاربران را در نظر بگیرید. تنظیم صحیح ارتفاع دوربین بر اساس قد کاربر، تجربه را راحت‌تر می‌کند. تنظیم برای IPD تضمین می‌کند که رندر استریوسکوپیک برای هر کاربر دقیق است، که برای راحتی بصری و درک عمق مهم است. WebXR APIهایی برای دسترسی به IPD تخمینی کاربر فراهم می‌کند.

موضوعات پیشرفته

هنگامی که درک قوی از اصول اولیه فضاهای مرجع WebXR و تبدیلات مختصات پیدا کردید، می‌توانید موضوعات پیشرفته‌تری را کاوش کنید، مانند:

• پیش‌بینی ژست (Pose Prediction): WebXR APIهایی برای پیش‌بینی ژست آینده سر و کنترلرهای کاربر فراهم می‌کند. این می‌تواند برای کاهش تأخیر و بهبود پاسخ‌گویی برنامه شما استفاده شود.
• صدای فضایی (Spatial Audio): تبدیلات مختصات برای ایجاد تجربیات صدای فضایی واقع‌گرایانه ضروری هستند. با موقعیت‌یابی منابع صوتی در فضای سه‌بعدی و تبدیل موقعیت آنها نسبت به سر کاربر، می‌توانید حس غوطه‌وری و حضور را ایجاد کنید.
• تجربیات چندکاربره: هنگام ایجاد برنامه‌های VR/AR چندکاربره، باید موقعیت‌ها و جهت‌گیری‌های همه کاربران را در دنیای مجازی همگام‌سازی کنید. این امر نیازمند مدیریت دقیق فضاهای مرجع و تبدیلات مختصات است.

فریم‌ورک‌ها و کتابخانه‌های WebXR

چندین فریم‌ورک و کتابخانه جاوا اسکریپت می‌توانند توسعه WebXR را ساده کرده و انتزاعات سطح بالاتری برای کار با فضاهای مرجع و تبدیلات مختصات فراهم کنند. برخی از گزینه‌های محبوب عبارتند از:

• Three.js: یک کتابخانه گرافیک سه‌بعدی پرکاربرد که مجموعه جامعی از ابزارها را برای ایجاد برنامه‌های WebXR فراهم می‌کند.
• Babylon.js: یک موتور سه‌بعدی محبوب دیگر که پشتیبانی عالی از WebXR و مجموعه ویژگی‌های غنی را ارائه می‌دهد.
• A-Frame: یک فریم‌ورک اعلانی که ایجاد تجربیات WebXR را با استفاده از سینتکسی شبیه به HTML آسان می‌کند.
• React Three Fiber: یک رندرکننده React برای Three.js که به شما امکان می‌دهد برنامه‌های WebXR را با استفاده از کامپوننت‌های React بسازید.

نتیجه‌گیری

درک فضاهای مرجع WebXR و تبدیلات مختصات برای خلق تجربیات VR/AR همه‌جانبه و دقیق حیاتی است. با تسلط بر این مفاهیم، می‌توانید پتانسیل کامل WebXR API را آزاد کرده و برنامه‌های جذابی بسازید که مرزهای وب همه‌جانبه را جابجا می‌کنند. همانطور که عمیق‌تر در توسعه WebXR غرق می‌شوید، به آزمایش با فضاهای مرجع و تکنیک‌های تبدیل مختلف ادامه دهید تا بهترین راه‌حل‌ها را برای نیازهای خاص خود پیدا کنید. به یاد داشته باشید که کد خود را برای عملکرد بهینه کنید و روی انواع دستگاه‌ها آزمایش کنید تا از تجربه‌ای روان و جذاب برای همه کاربران اطمینان حاصل کنید.