موتور مختصات فضایی WebXR: تسلط بر مدیریت سیستم‌های مختصات

WebXR پتانسیل فوق‌العاده‌ای برای ساخت تجربیات واقعیت افزوده و مجازی فراگیر و تعاملی مستقیماً در مرورگر ارائه می‌دهد. یک جنبه اساسی در توسعه برنامه‌های XR قوی و دقیق، درک و مدیریت موتور مختصات فضایی است. این پست وبلاگ یک راهنمای جامع برای سیستم مختصات WebXR ارائه می‌دهد که فضاهای مرجع، تبدیلات مختصات و بهترین شیوه‌ها برای ایجاد تجربیات XR جذاب برای مخاطبان جهانی را پوشش می‌دهد.

درک سیستم مختصات WebXR

در هسته خود، WebXR بر یک سیستم مختصات دکارتی سه‌بعدی تکیه دارد. این سیستم از سه محور (X, Y, و Z) برای تعریف موقعیت و جهت‌گیری اشیاء در فضا استفاده می‌کند. درک اینکه این محورها چگونه تعریف شده‌اند و WebXR چگونه از آنها استفاده می‌کند، برای ساخت تجربیات XR دقیق و شهودی حیاتی است.

• محور X: معمولاً محور افقی را نشان می‌دهد، با مقادیر مثبت که به سمت راست امتداد می‌یابند.
• محور Y: معمولاً محور عمودی را نشان می‌دهد، با مقادیر مثبت که به سمت بالا امتداد می‌یابند.
• محور Z: محور عمق را نشان می‌دهد، با مقادیر مثبت که به سمت بیننده امتداد می‌یابند. توجه داشته باشید که در برخی قراردادها (مانند OpenGL)، محور Z از بیننده *دور* می‌شود؛ با این حال، WebXR معمولاً از قرارداد مخالف استفاده می‌کند.

مبدأ (0, 0, 0) نقطه‌ای است که هر سه محور در آن تلاقی می‌کنند. تمام موقعیت‌ها و جهت‌گیری‌ها در صحنه XR نسبت به این مبدأ تعریف می‌شوند.

قاعده دست در سیستم مختصات

WebXR معمولاً از یک سیستم مختصات راست‌گرد استفاده می‌کند. در یک سیستم راست‌گرد، اگر انگشتان دست راست خود را از محور X مثبت به سمت محور Y مثبت خم کنید، انگشت شست شما در جهت محور Z مثبت قرار می‌گیرد. به خاطر سپردن این قرارداد هنگام انجام محاسبات و تبدیلات مهم است.

فضاهای مرجع: بنیاد درک فضایی

فضاهای مرجع، سنگ بنای درک فضایی در WebXR هستند. آنها زمینه‌ای برای تفسیر موقعیت‌ها و جهت‌گیری‌های اشیاء در صحنه XR فراهم می‌کنند. هر فضای مرجع سیستم مختصات خود را تعریف می‌کند و به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد محتوای مجازی را به نقاط مرجع مختلف متصل کنند.

WebXR چندین نوع فضای مرجع را تعریف می‌کند که هر کدام هدف خاصی را دنبال می‌کنند:

• فضای مرجع بیننده (Viewer Reference Space): این فضای مرجع به سر بیننده متصل است. مبدأ آن معمولاً بین چشمان کاربر قرار دارد. با حرکت سر کاربر، فضای مرجع بیننده نیز با او حرکت می‌کند. این فضا برای ایجاد محتوای قفل‌شده به سر، مانند نمایشگر سربالا (HUD)، مفید است.
• فضای مرجع محلی (Local Reference Space): فضای مرجع محلی در موقعیت شروع کاربر لنگر انداخته است. این فضا نسبت به محیط دنیای واقعی ثابت می‌ماند، حتی اگر کاربر حرکت کند. این برای ایجاد تجربیاتی که در آن اشیاء مجازی باید به یک مکان خاص در فضای فیزیکی کاربر متصل بمانند، ایده‌آل است. یک گیاه مجازی را تصور کنید که روی یک میز واقعی قرار داده شده است - یک فضای مرجع محلی گیاه را در آن مکان نگه می‌دارد.
• فضای مرجع محدود (Bounded Reference Space): مشابه فضای مرجع محلی است، اما یک مرز یا حجم را نیز تعریف می‌کند که تجربه XR برای کار در آن طراحی شده است. این به اطمینان از اینکه کاربر در یک منطقه امن و کنترل شده باقی می‌ماند کمک می‌کند. این امر به ویژه برای تجربیات VR در مقیاس اتاق (room-scale) مهم است.
• فضای مرجع نامحدود (Unbounded Reference Space): این فضای مرجع هیچ مرز از پیش تعریف شده‌ای ندارد. این فضا به کاربر اجازه می‌دهد آزادانه در یک محیط مجازی بالقوه نامحدود حرکت کند. این امر در تجربیات VR مانند شبیه‌سازهای پرواز یا کاوش در مناظر مجازی وسیع رایج است.
• فضای مرجع ردیابی (Tracking Reference Space): این بنیادی‌ترین فضا است. این فضا مستقیماً ژست ردیابی شده توسط سخت‌افزار را منعکس می‌کند. شما معمولاً مستقیماً با این فضا تعامل ندارید، اما فضاهای مرجع دیگر بر اساس آن ساخته می‌شوند.

انتخاب فضای مرجع مناسب

انتخاب فضای مرجع مناسب برای ایجاد تجربه XR مورد نظر بسیار مهم است. هنگام تصمیم‌گیری، عوامل زیر را در نظر بگیرید:

• تحرک: آیا کاربر در دنیای واقعی حرکت خواهد کرد؟ اگر چنین است، یک فضای مرجع محلی یا محدود ممکن است مناسب‌تر از یک فضای مرجع بیننده باشد.
• لنگر انداختن: آیا نیاز به اتصال اشیاء مجازی به مکان‌های خاص در دنیای واقعی دارید؟ اگر چنین است، یک فضای مرجع محلی بهترین انتخاب است.
• مقیاس: مقیاس تجربه XR چقدر است؟ اگر تجربه برای یک فضای فیزیکی خاص طراحی شده باشد، یک فضای مرجع محدود مهم است.
• راحتی کاربر: اطمینان حاصل کنید که فضای مرجع انتخاب شده با حرکت و تعامل مورد انتظار کاربر هماهنگ است. استفاده از یک فضای نامحدود برای یک فضای بازی کوچک می‌تواند منجر به ناراحتی شود.

به عنوان مثال، تصور کنید در حال ساخت یک برنامه AR هستید که به کاربران اجازه می‌دهد مبلمان مجازی را در اتاق نشیمن خود قرار دهند. یک فضای مرجع محلی انتخاب عالی خواهد بود، زیرا به کاربران اجازه می‌دهد در اتاق حرکت کنند در حالی که مبلمان مجازی در مکان اصلی خود لنگر انداخته باقی می‌ماند.

تبدیلات مختصات: پر کردن شکاف بین فضاها

تبدیلات مختصات برای ترجمه موقعیت‌ها و جهت‌گیری‌ها بین فضاهای مرجع مختلف ضروری هستند. آنها به شما اجازه می‌دهند تا اشیاء مجازی را به درستی در صحنه XR موقعیت‌دهی و جهت‌دهی کنید، صرف نظر از حرکت کاربر یا فضای مرجع انتخاب شده. این را مانند ترجمه بین زبان‌های مختلف در نظر بگیرید - تبدیلات مختصات به WebXR اجازه می‌دهد بفهمد اشیاء کجا هستند، صرف نظر از اینکه در کدام "زبان" (فضای مرجع) توصیف شده‌اند.

WebXR از ماتریس‌های تبدیل برای نمایش تبدیلات مختصات استفاده می‌کند. ماتریس تبدیل یک ماتریس 4x4 است که انتقال، چرخش و مقیاس لازم برای تبدیل یک نقطه از یک سیستم مختصات به سیستم دیگر را رمزگذاری می‌کند.

درک ماتریس‌های تبدیل

یک ماتریس تبدیل چندین عملیات را در یک ماتریس واحد ترکیب می‌کند:

• انتقال (Translation): حرکت دادن یک شیء در امتداد محورهای X، Y و Z.
• چرخش (Rotation): چرخاندن یک شیء حول محورهای X، Y و Z. این اغلب به صورت داخلی توسط کواترنیون‌ها نمایش داده می‌شود، اما در نهایت به یک جزء ماتریس چرخش در داخل تبدیل کلی تبدیل می‌شود.
• مقیاس (Scale): تغییر اندازه یک شیء در امتداد محورهای X، Y و Z.

با ضرب مختصات یک نقطه (که به عنوان یک بردار 4 بعدی نمایش داده می‌شود) در ماتریس تبدیل، می‌توانید مختصات تبدیل شده را در سیستم مختصات جدید به دست آورید. بسیاری از APIهای WebXR ضرب ماتریس را برای شما انجام می‌دهند، اما درک ریاضیات زیربنایی برای سناریوهای پیشرفته بسیار مهم است.

اعمال تبدیلات در WebXR

WebXR چندین متد برای به دست آوردن و اعمال تبدیلات فراهم می‌کند:

• XRFrame.getViewerPose(): ژست (موقعیت و جهت‌گیری) بیننده را در یک فضای مرجع مشخص برمی‌گرداند. این به شما اجازه می‌دهد موقعیت بیننده را نسبت به یک نقطه مرجع خاص تعیین کنید.
• XRFrame.getPose(): ژست یک XRInputSource (مثلاً یک کنترلر) یا یک XRAnchor را در یک فضای مرجع مشخص برمی‌گرداند. این برای ردیابی موقعیت و جهت‌گیری کنترلرها و سایر اشیاء ردیابی شده ضروری است.
• استفاده از کتابخانه‌های ماتریس: کتابخانه‌هایی مانند gl-matrix (https://glmatrix.net/) توابعی برای ایجاد، دستکاری و اعمال ماتریس‌های تبدیل فراهم می‌کنند. این کتابخانه‌ها فرآیند انجام تبدیلات پیچیده را ساده می‌کنند.

به عنوان مثال، برای قرار دادن یک شیء مجازی در فاصله 1 متری جلوی سر کاربر، ابتدا ژست بیننده را با استفاده از XRFrame.getViewerPose() به دست می‌آورید. سپس، یک ماتریس تبدیل ایجاد می‌کنید که شیء را 1 متر در امتداد محور Z فضای مرجع بیننده منتقل می‌کند. در نهایت، این تبدیل را به موقعیت شیء اعمال می‌کنید تا آن را در مکان صحیح قرار دهید.

مثال: تبدیل مختصات با gl-matrix

در اینجا یک مثال ساده جاوا اسکریپت با استفاده از gl-matrix برای تبدیل یک مختصات آورده شده است:

// وارد کردن توابع gl-matrix
import { mat4, vec3 } from 'gl-matrix';

// تعریف یک نقطه در فضای محلی
const localPoint = vec3.fromValues(1, 2, 3); // مختصات X, Y, Z

// ایجاد یک ماتریس تبدیل (مثال: انتقال به اندازه (4, 5, 6))
const transformMatrix = mat4.create();
mat4.translate(transformMatrix, transformMatrix, vec3.fromValues(4, 5, 6));

// ایجاد یک بردار برای ذخیره نقطه تبدیل شده
const worldPoint = vec3.create();

// اعمال تبدیل
vec3.transformMat4(worldPoint, localPoint, transformMatrix);

// worldPoint اکنون شامل مختصات تبدیل شده است
console.log("Transformed Point:", worldPoint);

بهترین شیوه‌ها برای مدیریت سیستم مختصات در WebXR

مدیریت مؤثر سیستم مختصات برای ایجاد تجربیات XR دقیق، پایدار و شهودی بسیار مهم است. در اینجا برخی از بهترین شیوه‌ها برای دنبال کردن آورده شده است:

• انتخاب فضای مرجع مناسب: ویژگی‌های هر فضای مرجع را با دقت در نظر بگیرید و فضایی را انتخاب کنید که به بهترین وجه با نیازهای برنامه شما مطابقت دارد.
• به حداقل رساندن تغییر فضای مرجع: تغییر مکرر بین فضاهای مرجع می‌تواند سربار عملکرد و عدم دقت‌های بالقوه را به همراه داشته باشد. سعی کنید تعداد تغییرات فضای مرجع را در برنامه خود به حداقل برسانید.
• استفاده کارآمد از ماتریس‌های تبدیل: ماتریس‌های تبدیل از نظر محاسباتی سنگین هستند. از ایجاد و اعمال تبدیلات غیر ضروری خودداری کنید. در صورت امکان ماتریس‌های تبدیل را ذخیره (cache) کنید تا عملکرد بهبود یابد.
• مدیریت تفاوت‌های سیستم مختصات: از تفاوت‌های بالقوه در قراردادهای سیستم مختصات بین دستگاه‌ها و کتابخانه‌های مختلف XR آگاه باشید. اطمینان حاصل کنید که برنامه شما این تفاوت‌ها را به درستی مدیریت می‌کند. به عنوان مثال، برخی از سیستم‌ها یا محتوای قدیمی‌تر ممکن است از یک سیستم مختصات چپ‌گرد استفاده کنند.
• تست کامل: برنامه خود را به طور کامل بر روی دستگاه‌های مختلف XR و در محیط‌های مختلف آزمایش کنید تا اطمینان حاصل شود که سیستم مختصات به درستی کار می‌کند. به دقت، پایداری و عملکرد توجه کنید.
• درک نمایش ژست (Pose): ژست‌های WebXR (XRPose) هم شامل موقعیت و هم جهت‌گیری (یک کواترنیون) هستند. اطمینان حاصل کنید که هر دو جزء را به درستی استخراج و استفاده می‌کنید. اغلب، توسعه‌دهندگان به اشتباه تصور می‌کنند که یک Pose فقط شامل داده‌های موقعیت است.
• در نظر گرفتن تأخیر (Latency): دستگاه‌های XR دارای تأخیر ذاتی هستند. سعی کنید ژست‌ها را برای جبران این تأخیر و بهبود پایداری پیش‌بینی کنید. WebXR Device API متدهایی برای پیش‌بینی ژست‌ها ارائه می‌دهد که می‌تواند به کاهش تأخیر درک شده کمک کند.
• حفظ مقیاس جهانی: مقیاس جهانی خود را ثابت نگه دارید. از مقیاس‌بندی خودسرانه اشیاء در صحنه خودداری کنید، زیرا این امر می‌تواند منجر به مصنوعات رندر و مشکلات عملکرد شود. سعی کنید یک نگاشت 1:1 بین واحدهای مجازی و دنیای واقعی حفظ کنید.

اشتباهات رایج و نحوه اجتناب از آنها

کار با سیستم‌های مختصات در WebXR می‌تواند چالش برانگیز باشد و به راحتی می‌توان اشتباه کرد. در اینجا برخی از اشتباهات رایج و نحوه اجتناب از آنها آورده شده است:

• ترتیب نادرست ضرب ماتریس: ضرب ماتریس جابجایی‌پذیر نیست، به این معنی که ترتیبی که ماتریس‌ها را در آن ضرب می‌کنید مهم است. همیشه اطمینان حاصل کنید که ماتریس‌ها را به ترتیب صحیح ضرب می‌کنید تا به تبدیل مورد نظر دست یابید. به طور معمول، تبدیلات به ترتیب مقیاس، چرخش، انتقال (SRT) اعمال می‌شوند.
• اشتباه گرفتن مختصات محلی و جهانی: تمایز بین مختصات محلی (مختصات نسبت به سیستم مختصات خود شیء) و مختصات جهانی (مختصات نسبت به سیستم مختصات جهانی صحنه) مهم است. اطمینان حاصل کنید که برای هر عملیات از سیستم مختصات صحیح استفاده می‌کنید.
• نادیده گرفتن قاعده دست سیستم مختصات: همانطور که قبلاً ذکر شد، WebXR معمولاً از یک سیستم مختصات راست‌گرد استفاده می‌کند. با این حال، برخی از محتواها یا کتابخانه‌ها ممکن است از یک سیستم مختصات چپ‌گرد استفاده کنند. از این تفاوت‌ها آگاه باشید و آنها را به درستی مدیریت کنید.
• در نظر نگرفتن ارتفاع چشم: هنگام استفاده از فضای مرجع بیننده، مبدأ معمولاً بین چشمان کاربر قرار دارد. اگر می‌خواهید یک شیء را در سطح چشم کاربر قرار دهید، باید ارتفاع چشم کاربر را در نظر بگیرید. اشیاء XREye که توسط XRFrame.getViewerPose() برگردانده می‌شوند می‌توانند این اطلاعات را فراهم کنند.
• تجمع انحراف (Drift Accumulation): در تجربیات AR، ردیابی گاهی اوقات می‌تواند با گذشت زمان دچار انحراف شود و باعث ناهماهنگی اشیاء مجازی با دنیای واقعی شود. برای کاهش انحراف و حفظ هم‌ترازی، از تکنیک‌هایی مانند بستن حلقه (loop closure) یا اودومتری بصری-اینرسی (VIO) استفاده کنید.

مباحث پیشرفته: لنگرها و نقشه‌برداری فضایی

فراتر از تبدیلات مختصات پایه، WebXR ویژگی‌های پیشرفته‌تری برای درک فضایی ارائه می‌دهد:

• لنگرها (Anchors): لنگرها به شما اجازه می‌دهند روابط فضایی پایداری بین اشیاء مجازی و دنیای واقعی ایجاد کنید. یک لنگر نقطه‌ای در فضا است که سیستم سعی می‌کند آن را نسبت به محیط ثابت نگه دارد. حتی اگر دستگاه به طور موقت ردیابی را از دست بدهد، لنگر سعی می‌کند پس از بازیابی ردیابی، خود را دوباره پیدا کند. این برای ایجاد تجربیاتی که در آن اشیاء مجازی باید به مکان‌های فیزیکی خاصی متصل بمانند، حتی اگر کاربر حرکت کند یا ردیابی دستگاه قطع شود، مفید است.
• نقشه‌برداری فضایی (Spatial Mapping): نقشه‌برداری فضایی (که به عنوان درک صحنه یا ردیابی جهان نیز شناخته می‌شود) به سیستم اجازه می‌دهد تا یک نمایش سه‌بعدی از محیط کاربر ایجاد کند. این نمایش می‌تواند برای پنهان کردن اشیاء مجازی پشت اشیاء دنیای واقعی، فعال کردن تعاملات فیزیکی بین اشیاء مجازی و واقعی و ارائه یک تجربه XR فراگیرتر و باورپذیرتر استفاده شود. نقشه‌برداری فضایی به طور جهانی پشتیبانی نمی‌شود و به قابلیت‌های سخت‌افزاری خاصی نیاز دارد.

استفاده از لنگرها برای روابط فضایی پایدار

برای ایجاد یک لنگر، ابتدا باید یک XRFrame و یک XRPose که مکان مورد نظر برای لنگر را نشان می‌دهد، به دست آورید. سپس، می‌توانید متد XRFrame.createAnchor() را فراخوانی کرده و XRPose را به آن ارسال کنید. این متد یک شیء XRAnchor را برمی‌گرداند که لنگر تازه ایجاد شده را نشان می‌دهد.

قطعه کد زیر نحوه ایجاد یک لنگر را نشان می‌دهد:

// دریافت XRFrame و XRPose
const pose = frame.getPose(hitTestResult.localPose, localReferenceSpace);

// ایجاد لنگر
const anchor = frame.createAnchor(pose);

// مدیریت خطاها
if (!anchor) {
  console.error("Failed to create anchor.");
  return;
}

// لنگر اکنون ایجاد شده و سعی خواهد کرد موقعیت خود را
// نسبت به دنیای واقعی حفظ کند.

ملاحظات دسترسی جهانی

هنگام طراحی تجربیات WebXR برای مخاطبان جهانی، در نظر گرفتن دسترسی‌پذیری بسیار مهم است. این شامل عواملی مانند موارد زیر است:

• پشتیبانی از زبان: ترجمه برای تمام محتوای متنی و صوتی ارائه دهید.
• حساسیت فرهنگی: به تفاوت‌های فرهنگی توجه داشته باشید و از استفاده از تصاویر یا زبانی که ممکن است در برخی فرهنگ‌ها توهین‌آمیز یا نامناسب باشد، خودداری کنید.
• روش‌های ورودی: از انواع روش‌های ورودی، از جمله کنترلرها، دستورات صوتی و تعامل مبتنی بر نگاه، پشتیبانی کنید.
• بیماری حرکت: با اجتناب از حرکات سریع یا تکان‌دهنده، ارائه یک چارچوب مرجع پایدار و اجازه دادن به کاربران برای تنظیم میدان دید، بیماری حرکت را به حداقل برسانید.
• اختلالات بینایی: گزینه‌هایی برای تنظیم اندازه و کنتراست متن و سایر عناصر بصری فراهم کنید. استفاده از نشانه‌های صوتی برای ارائه اطلاعات اضافی را در نظر بگیرید.
• اختلالات شنوایی: زیرنویس یا رونوشت برای تمام محتوای صوتی ارائه دهید. استفاده از نشانه‌های بصری برای ارائه اطلاعات اضافی را در نظر بگیرید.

نتیجه‌گیری

تسلط بر مدیریت سیستم مختصات برای ساخت تجربیات WebXR جذاب و دقیق، امری اساسی است. با درک فضاهای مرجع، تبدیلات مختصات و بهترین شیوه‌ها، می‌توانید برنامه‌های XR ایجاد کنید که هم برای کاربران در سراسر جهان فراگیر و هم شهودی باشند. با ادامه تکامل فناوری WebXR، درک قوی از این مفاهیم اصلی برای توسعه‌دهندگانی که به دنبال پیش بردن مرزهای تجربیات وب فراگیر هستند، حتی حیاتی‌تر خواهد شد.

این پست وبلاگ یک مرور جامع از مدیریت سیستم مختصات در WebXR ارائه داد. ما شما را تشویق می‌کنیم که با مفاهیم و تکنیک‌های مورد بحث در اینجا آزمایش کنید و برای اطلاعات بیشتر، مستندات WebXR API را کاوش کنید. با پذیرش این اصول، می‌توانید پتانسیل کامل WebXR را آزاد کرده و تجربیات XR واقعاً دگرگون‌کننده‌ای برای مخاطبان جهانی ایجاد کنید.