رایانش فضایی WebXR: ردیابی در مقیاس اتاق و انسداد

WebXR در حال متحول کردن نحوه تعامل ما با وب است و از رابط‌های کاربری سنتی دوبعدی فراتر رفته تا تجربیات رایانش فضایی فراگیر و تعاملی ایجاد کند. دو فناوری بنیادی که زیربنای این انقلاب هستند، ردیابی در مقیاس اتاق و انسداد (occlusion) هستند. درک و بهره‌برداری از این ویژگی‌ها برای ساخت برنامه‌های WebXR جذاب و واقع‌گرایانه حیاتی است.

رایانش فضایی چیست؟

رایانش فضایی، تکامل بعدی محاسبات است که مرزهای بین دنیای فیزیکی و دیجیتال را محو می‌کند. این حوزه شامل تعامل بین انسان، کامپیوتر و فضاهای فیزیکی است. برخلاف محاسبات سنتی که به صفحه‌نمایش‌ها و کیبوردها محدود می‌شود، رایانش فضایی به کاربران اجازه می‌دهد تا با اطلاعات و محیط‌های دیجیتال در یک فضای سه‌بعدی تعامل داشته باشند. این شامل فناوری‌هایی مانند واقعیت افزوده (AR)، واقعیت مجازی (VR) و واقعیت ترکیبی (MR) می‌شود.

WebXR رایانش فضایی را به وب می‌آورد و به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا این تجربیات را مستقیماً در مرورگر اجرا کنند و نیاز به نصب برنامه‌های بومی را از بین ببرند. این امر رایانش فضایی را در دسترس‌تر و دموکراتیک‌تر می‌کند.

ردیابی در مقیاس اتاق: حرکت فراگیر

ردیابی در مقیاس اتاق به کاربران این امکان را می‌دهد که در حین استفاده از هدست VR یا AR، آزادانه در یک فضای فیزیکی تعریف‌شده حرکت کنند. سیستم، موقعیت و جهت‌گیری کاربر را ردیابی کرده و حرکات دنیای واقعی او را به محیط مجازی ترجمه می‌کند. این امر حس حضور و غوطه‌وری بیشتری ایجاد کرده و تجربه را بسیار جذاب‌تر و واقع‌گرایانه‌تر از VR ایستا می‌کند.

ردیابی در مقیاس اتاق چگونه کار می‌کند

ردیابی در مقیاس اتاق معمولاً به یکی از چندین فناوری متکی است:

• ردیابی از داخل به خارج (Inside-Out Tracking): هدست خود از دوربین‌ها برای ردیابی موقعیت خود نسبت به محیط استفاده می‌کند. این رایج‌ترین رویکرد است که توسط دستگاه‌هایی مانند سری Meta Quest و HTC Vive Focus استفاده می‌شود. هدست ویژگی‌های بصری محیط را برای تعیین مکان و جهت‌گیری خود تجزیه و تحلیل می‌کند. این روش برای عملکرد بهینه به یک محیط با نور خوب و غنی از نظر بصری نیاز دارد.
• ردیابی از خارج به داخل (Outside-In Tracking): ایستگاه‌های پایه یا سنسورهای خارجی در اطراف اتاق قرار می‌گیرند و سیگنال‌هایی را منتشر می‌کنند که هدست برای تعیین موقعیت خود از آن‌ها استفاده می‌کند. این رویکرد که توسط HTC Vive اصلی استفاده می‌شد، می‌تواند ردیابی بسیار دقیقی را ارائه دهد اما به راه‌اندازی و کالیبراسیون بیشتری نیاز دارد.

پیاده‌سازی ردیابی در مقیاس اتاق در WebXR

WebXR یک API استاندارد برای دسترسی به داده‌های ردیابی دستگاه فراهم می‌کند. در اینجا یک مثال ساده با استفاده از جاوا اسکریپت و کتابخانه‌ای مانند three.js آورده شده است:

            
  // Assuming you have a WebXR session established
  xrSession.requestAnimationFrame(function animate(time, frame) {
    const pose = frame.getViewerPose(xrReferenceSpace);

    if (pose) {
      const transform = pose.transform;
      const position = transform.position;
      const orientation = transform.orientation;

      // Update the position and rotation of your 3D scene based on the tracked pose
      camera.position.set(position.x, position.y, position.z);
      camera.quaternion.set(orientation.x, orientation.y, orientation.z, orientation.w);
    }

    renderer.render(scene, camera);
    xrSession.requestAnimationFrame(animate);
  });

            

              
                Copy
              
            
          

توضیح:

1. حلقه `xrSession.requestAnimationFrame` به طور مداوم فریم‌های انیمیشن را از جلسه WebXR درخواست می‌کند.
2. `frame.getViewerPose(xrReferenceSpace)` ژست (موقعیت و جهت‌گیری) فعلی سر کاربر را نسبت به `xrReferenceSpace` تعریف‌شده بازیابی می‌کند.
3. داده‌های موقعیت و جهت‌گیری از ویژگی `transform` ژست استخراج می‌شوند.
4. سپس موقعیت و جهت‌گیری به دوربین در صحنه three.js اعمال می‌شود و به طور موثر دنیای مجازی را همراه با کاربر حرکت می‌دهد.

مثال‌های عملی از ردیابی در مقیاس اتاق

• شبیه‌سازی‌های آموزشی تعاملی: یک شرکت تولیدی می‌تواند از VR در مقیاس اتاق برای آموزش کارکنان در مورد مونتاژ ماشین‌آلات پیچیده استفاده کند. کاربران می‌توانند در اطراف ماشین مجازی قدم بزنند و با اجزای آن در یک محیط واقع‌گرایانه و ایمن تعامل داشته باشند. این می‌تواند در بخش‌هایی مانند هوافضا، خودروسازی و داروسازی در سطح جهانی به کار رود.
• تجسم معماری: خریداران بالقوه خانه می‌توانند یک مدل مجازی از یک خانه یا آپارتمان را کاوش کنند، در اتاق‌ها قدم بزنند و فضا را حتی قبل از ساخته شدن تجربه کنند. این می‌تواند به صورت بین‌المللی برای نمایش املاک در هر نقطه از جهان ارائه شود.
• بازی و سرگرمی: ردیابی در مقیاس اتاق امکان تجربیات بازی جذاب‌تر و تعاملی‌تر را فراهم می‌کند. بازیکنان می‌توانند به صورت فیزیکی از موانع جاخالی دهند، به اشیاء مجازی دست پیدا کنند و دنیاهای بازی فراگیر را کاوش کنند. توسعه‌دهندگان از ژاپن، اروپا و آمریکای شمالی به طور مداوم در این فضا نوآوری می‌کنند.
• طراحی مشترک: تیم‌های طراحان و مهندسان می‌توانند بر روی مدل‌های سه‌بعدی در یک فضای مجازی مشترک همکاری کنند، در اطراف مدل قدم بزنند، حاشیه‌نویسی کنند و تغییرات طراحی را به صورت بلادرنگ مورد بحث قرار دهند. این برای تیم‌های بین‌المللی که روی پروژه‌های مهندسی پیچیده کار می‌کنند، بسیار ارزشمند است.

انسداد (Occlusion): ادغام واقع‌گرایانه اشیاء مجازی

انسداد (Occlusion) توانایی اشیاء مجازی برای پنهان شدن صحیح یا جزئی توسط اشیاء دنیای واقعی است. بدون انسداد، اشیاء مجازی به نظر می‌رسد که در جلوی اشیاء دنیای واقعی شناور هستند و توهم غوطه‌وری را می‌شکنند. انسداد برای ایجاد تجربیات واقعیت افزوده باورپذیر حیاتی است.

انسداد چگونه کار می‌کند

انسداد در WebXR معمولاً با استفاده از قابلیت‌های سنجش عمق دستگاه AR کار می‌کند. دستگاه از دوربین‌ها و سنسورها برای ایجاد یک نقشه عمق از محیط استفاده می‌کند. سپس این نقشه عمق برای تعیین اینکه کدام قسمت‌های اشیاء مجازی باید پشت اشیاء دنیای واقعی پنهان شوند، استفاده می‌شود.

فناوری‌های مختلفی برای تولید نقشه عمق استفاده می‌شود:

• سنسورهای زمان پرواز (Time-of-Flight - ToF): سنسورهای ToF نور مادون قرمز منتشر می‌کنند و زمان بازگشت نور را اندازه‌گیری می‌کنند که به آن‌ها امکان محاسبه فاصله تا اشیاء را می‌دهد.
• دوربین‌های استریو: با استفاده از دو دوربین، سیستم می‌تواند عمق را بر اساس اختلاف منظر (parallax) بین دو تصویر محاسبه کند.
• نور ساختاریافته: دستگاه الگویی از نور را بر روی محیط می‌تاباند و اعوجاج الگو را برای تعیین عمق تجزیه و تحلیل می‌کند.

پیاده‌سازی انسداد در WebXR

پیاده‌سازی انسداد در WebXR شامل چندین مرحله است:

1. درخواست ویژگی `XRDepthSensing`: شما باید هنگام ایجاد جلسه WebXR، ویژگی `XRDepthSensing` را درخواست کنید.
2. به‌دست آوردن اطلاعات عمق: WebXR API متدهایی برای دسترسی به اطلاعات عمق ثبت‌شده توسط دستگاه فراهم می‌کند. این اغلب شامل استفاده از `XRCPUDepthInformation` یا `XRWebGLDepthInformation` بر اساس روش رندرینگ است.
3. استفاده از اطلاعات عمق در خط لوله رندرینگ (Rendering Pipeline): اطلاعات عمق باید در خط لوله رندرینگ ادغام شود تا مشخص شود کدام پیکسل‌های اشیاء مجازی باید توسط اشیاء دنیای واقعی مسدود شوند. این کار معمولاً با استفاده از یک شیدر سفارشی یا با بهره‌گیری از ویژگی‌های داخلی موتور رندرینگ (مانند three.js یا Babylon.js) انجام می‌شود.

در اینجا یک مثال ساده با استفاده از three.js آورده شده است (توجه: این یک تصویر سطح بالا است؛ پیاده‌سازی واقعی شامل برنامه‌نویسی شیدر پیچیده‌تری است):

            
  // Assuming you have a WebXR session with depth sensing enabled
  xrSession.requestAnimationFrame(function animate(time, frame) {
    const depthInfo = frame.getDepthInformation(xrView);

    if (depthInfo) {
      // Access the depth buffer from depthInfo
      const depthBuffer = depthInfo.data;
      const width = depthInfo.width;
      const height = depthInfo.height;

      // Create a texture from the depth buffer
      const depthTexture = new THREE.DataTexture(depthBuffer, width, height, THREE.RedFormat, THREE.FloatType);
      depthTexture.needsUpdate = true;

      // Pass the depth texture to your shader
      material.uniforms.depthTexture.value = depthTexture;

      // In your shader, compare the depth of the virtual object pixel
      // to the depth value from the depth texture.  If the real-world
      // depth is closer, discard the virtual object pixel (occlusion).
    }

    renderer.render(scene, camera);
    xrSession.requestAnimationFrame(animate);
  });

            

              
                Copy
              
            
          

توضیح:

1. `frame.getDepthInformation(xrView)` اطلاعات عمق را برای یک نمای XR خاص بازیابی می‌کند.
2. `depthInfo.data` حاوی داده‌های خام عمق است، معمولاً به صورت یک آرایه ممیز شناور (floating-point).
3. یک `DataTexture` در three.js از بافر عمق ایجاد می‌شود که امکان استفاده از آن را در شیدرها فراهم می‌کند.
4. بافت عمق به عنوان یک uniform به یک شیدر سفارشی ارسال می‌شود.
5. شیدر عمق هر پیکسل شیء مجازی را با مقدار عمق مربوطه در بافت مقایسه می‌کند. اگر عمق دنیای واقعی نزدیک‌تر باشد، پیکسل شیء مجازی حذف می‌شود و انسداد حاصل می‌گردد.

مثال‌های عملی از انسداد

• تجسم محصول با واقعیت افزوده (AR): یک شرکت مبلمان می‌تواند به مشتریان اجازه دهد تا ببینند یک قطعه مبلمان در اتاق نشیمن آن‌ها چگونه به نظر می‌رسد، در حالی که مبلمان مجازی به درستی توسط اشیاء دنیای واقعی مانند میز و صندلی مسدود می‌شود. شرکتی مستقر در سوئد یا ایتالیا ممکن است این سرویس را ارائه دهد.
• بازی‌ها و سرگرمی‌های واقعیت افزوده: بازی‌های AR می‌توانند بسیار فراگیرتر شوند وقتی شخصیت‌های مجازی می‌توانند به طور واقع‌گرایانه با محیط تعامل داشته باشند، پشت میزها راه بروند، پشت دیوارها پنهان شوند و با اشیاء دنیای واقعی تعامل کنند. استودیوهای بازی‌سازی در کره جنوبی و چین به طور فعال در حال کاوش این موضوع هستند.
• تجسم پزشکی: جراحان می‌توانند از AR برای قرار دادن مدل‌های سه‌بعدی اندام‌ها بر روی بدن بیمار استفاده کنند، در حالی که اندام‌های مجازی به درستی توسط پوست و بافت بیمار مسدود می‌شوند. بیمارستان‌های آلمان و ایالات متحده در حال آزمایش این فناوری هستند.
• آموزش و پرورش: دانش‌آموزان می‌توانند از AR برای کاوش مدل‌های مجازی از آثار تاریخی یا مفاهیم علمی استفاده کنند، در حالی که مدل‌ها به درستی توسط دست‌ها یا اشیاء فیزیکی دیگر مسدود می‌شوند. مؤسسات آموزشی در سراسر جهان می‌توانند از این امر بهره‌مند شوند.

انتخاب فریم‌ورک مناسب WebXR

چندین فریم‌ورک WebXR می‌توانند فرآیند توسعه را ساده کنند:

• three.js: یک کتابخانه سه‌بعدی محبوب جاوا اسکریپت که طیف گسترده‌ای از ویژگی‌ها، از جمله پشتیبانی از WebXR را ارائه می‌دهد.
• Babylon.js: یک موتور سه‌بعدی قدرتمند دیگر جاوا اسکریپت که یکپارچگی عالی با WebXR و مجموعه ابزارهای قوی ارائه می‌دهد.
• A-Frame: یک فریم‌ورک اعلانی HTML برای ساخت تجربیات WebXR که شروع کار را برای مبتدیان آسان‌تر می‌کند.
• React Three Fiber: یک رندرکننده React برای three.js که شما را قادر می‌سازد تا با استفاده از کامپوننت‌های React، تجربیات WebXR بسازید.

انتخاب فریم‌ورک به نیازها و ترجیحات خاص شما بستگی دارد. three.js و Babylon.js انعطاف‌پذیری و کنترل بیشتری ارائه می‌دهند، در حالی که A-Frame یک نقطه شروع ساده‌تر و در دسترس‌تر فراهم می‌کند.

چالش‌ها و ملاحظات

علیرغم امکانات هیجان‌انگیز، توسعه برنامه‌های WebXR با ردیابی در مقیاس اتاق و انسداد، چندین چالش را به همراه دارد:

• عملکرد: ردیابی در مقیاس اتاق و انسداد به قدرت پردازشی قابل توجهی نیاز دارند که می‌تواند بر عملکرد، به ویژه در دستگاه‌های تلفن همراه، تأثیر بگذارد. بهینه‌سازی کد و مدل‌های شما حیاتی است.
• سازگاری دستگاه: همه دستگاه‌ها از WebXR پشتیبانی نمی‌کنند یا قابلیت‌های سنجش عمق لازم برای انسداد را ندارند. شما باید هنگام طراحی برنامه خود، سازگاری دستگاه را در نظر بگیرید و گزینه‌های جایگزین برای دستگاه‌های پشتیبانی نشده ارائه دهید.
• تجربه کاربری: طراحی یک تجربه کاربری راحت و شهودی در WebXR نیازمند ملاحظات دقیقی است. از ایجاد بیماری حرکت (motion sickness) خودداری کنید و اطمینان حاصل کنید که کاربران می‌توانند به راحتی در محیط مجازی حرکت کنند.
• عوامل محیطی: ردیابی در مقیاس اتاق به اطلاعات بصری از محیط متکی است. نور ضعیف، فضاهای شلوغ یا سطوح بازتابنده می‌توانند بر دقت ردیابی تأثیر منفی بگذارند. به طور مشابه، عملکرد انسداد می‌تواند تحت تأثیر کیفیت سنسور عمق و پیچیدگی صحنه قرار گیرد.
• نگرانی‌های حریم خصوصی: فناوری سنجش عمق نگرانی‌های مربوط به حریم خصوصی را ایجاد می‌کند، زیرا به طور بالقوه می‌تواند اطلاعات دقیقی در مورد محیط کاربر ثبت کند. مهم است که در مورد نحوه استفاده از داده‌های عمق شفاف باشید و به کاربران کنترل بر تنظیمات حریم خصوصی خود را بدهید.

بهینه‌سازی برای مخاطبان جهانی

هنگام توسعه تجربیات WebXR برای مخاطبان جهانی، در نظر گرفتن موارد زیر مهم است:

• بومی‌سازی: متن و صدا را به چندین زبان ترجمه کنید تا به مخاطبان گسترده‌تری دسترسی پیدا کنید. استفاده از سرویسی مانند Transifex یا Lokalise را در نظر بگیرید.
• دسترس‌پذیری: برنامه خود را طوری طراحی کنید که برای کاربران دارای معلولیت قابل دسترسی باشد. روش‌های ورودی جایگزین، زیرنویس و توضیحات صوتی ارائه دهید. با دستورالعمل‌های WCAG مشورت کنید.
• حساسیت فرهنگی: از کلیشه‌های فرهنگی یا تصاویری که ممکن است برای برخی کاربران توهین‌آمیز باشد، خودداری کنید. هنجارها و ترجیحات فرهنگی را در مناطق مختلف تحقیق کنید.
• اتصال به شبکه: برنامه خود را برای اتصالات با پهنای باند کم بهینه کنید تا اطمینان حاصل شود که می‌تواند در مناطقی با دسترسی محدود به اینترنت استفاده شود. استفاده از شبکه‌های تحویل محتوا (CDN) را برای ارائه دارایی‌ها از سرورهای نزدیک‌تر به کاربر در نظر بگیرید.
• در دسترس بودن دستگاه: کشورهای مختلف سطوح دسترسی متفاوتی به سخت‌افزار XR دارند. ارائه تجربیات جایگزین برای کاربرانی که به جدیدترین دستگاه‌ها دسترسی ندارند را در نظر بگیرید.
• فرمت‌های تاریخ و زمان: از فرمت‌های بین‌المللی تاریخ و زمان برای جلوگیری از سردرگمی استفاده کنید. استاندارد ISO 8601 به طور کلی توصیه می‌شود.
• واحد پول و اندازه‌گیری: به کاربران اجازه دهید واحد پول و اندازه‌گیری مورد نظر خود را انتخاب کنند.

آینده WebXR و رایانش فضایی

WebXR و رایانش فضایی هنوز در مراحل اولیه خود هستند، اما پتانسیل تحول در نحوه تعامل ما با وب و دنیای اطرافمان را دارند. با ادامه بهبود سخت‌افزار و نرم‌افزار، می‌توان انتظار داشت که تجربیات WebXR فراگیرتر و تعاملی‌تری پدیدار شوند.

روندهای کلیدی که باید به آن‌ها توجه کرد عبارتند از:

• دقت ردیابی بهبود یافته: پیشرفت در فناوری سنسور و الگوریتم‌ها منجر به ردیابی در مقیاس اتاق دقیق‌تر و قوی‌تر خواهد شد.
• انسداد واقع‌گرایانه‌تر: تکنیک‌های سنجش عمق پیچیده‌تر، انسداد واقع‌گرایانه‌تر و یکپارچه‌تر اشیاء مجازی را امکان‌پذیر می‌سازد.
• گرافیک و عملکرد پیشرفته: بهبودها در WebGL و WebAssembly امکان تجربیات WebXR پیچیده‌تر و از نظر بصری خیره‌کننده‌تر را فراهم می‌کند.
• افزایش دسترس‌پذیری: WebXR به لطف پیشرفت‌ها در توسعه چند پلتفرمی و ویژگی‌های دسترس‌پذیری، برای طیف وسیع‌تری از دستگاه‌ها و کاربران قابل دسترس‌تر خواهد شد.
• پذیرش گسترده‌تر: با بالغ شدن و مقرون به صرفه‌تر شدن فناوری، WebXR توسط طیف وسیع‌تری از صنایع و برنامه‌ها پذیرفته خواهد شد.

نتیجه‌گیری

ردیابی در مقیاس اتاق و انسداد ابزارهای قدرتمندی برای ایجاد تجربیات WebXR واقعاً فراگیر و تعاملی هستند. با درک و بهره‌برداری از این فناوری‌ها، توسعه‌دهندگان می‌توانند برنامه‌های جذابی بسازند که مرزهای بین دنیای فیزیکی و دیجیتال را محو می‌کنند. با ادامه تکامل WebXR، می‌توان انتظار داشت که برنامه‌های نوآورانه‌تر و هیجان‌انگیزتری پدیدار شوند و نحوه یادگیری، کار و بازی ما را متحول کنند.

این فناوری‌ها را بپذیرید و ساختن آینده وب را از امروز آغاز کنید!