Naviguer dans l'espace WebXR : Maîtriser la gestion des systèmes de coordonnées pour des expériences immersives

WebXR ouvre la porte à la création d'expériences immersives, estompant les frontières entre les mondes numérique et physique. Au cœur de cette technologie se trouve le concept de systèmes de coordonnées. Comprendre et gérer efficacement ces systèmes est crucial pour construire des applications WebXR précises, intuitives et engageantes.

Pourquoi les systèmes de coordonnées sont-ils importants en WebXR

Imaginez que vous construisiez un musée virtuel. Vous voulez que les utilisateurs explorent des expositions placées avec précision dans l'espace virtuel. Ou peut-être développez-vous une application de réalité augmentée qui superpose du contenu numérique sur le monde réel. Dans les deux scénarios, vous avez besoin d'un moyen de définir la position et l'orientation des objets et de suivre le mouvement de l'utilisateur. C'est là que les systèmes de coordonnées entrent en jeu. Ils fournissent le cadre pour définir les relations spatiales au sein de votre scène WebXR.

Sans une solide compréhension des systèmes de coordonnées, vous rencontrerez des problèmes tels que :

• Placement incorrect des objets : Objets apparaissant au mauvais endroit ou avec une mauvaise orientation.
• Suivi instable : Objets virtuels qui dérivent ou tremblent par rapport au monde réel.
• Expérience utilisateur incohérente : Variations dans la manière dont la scène est perçue sur différents appareils ou environnements.

Les espaces de coordonnées clés en WebXR

WebXR utilise plusieurs espaces de coordonnées clés, chacun servant un objectif spécifique. Comprendre la relation entre ces espaces est essentiel pour un suivi spatial et un placement d'objets précis.

1. Espace monde (ou Espace global)

L'espace monde est le système de coordonnées principal pour l'ensemble de votre scène WebXR. C'est le cadre de référence ultime par rapport auquel tous les autres objets et espaces sont positionnés. Considérez-le comme le point d'ancrage absolu pour tout ce qui se trouve dans votre monde virtuel ou augmenté.

Caractéristiques clés de l'espace monde :

• Statique : L'espace monde lui-même ne se déplace ni ne pivote.
• Origine (0, 0, 0) : L'origine de l'espace monde est le point de référence central pour toutes les coordonnées.
• Grande échelle : L'espace monde englobe généralement une zone beaucoup plus vaste que les autres espaces de coordonnées.

Cas d'utilisation : Imaginez la création d'un système solaire virtuel. Le soleil, les planètes et leurs orbites sont tous définis par rapport à l'origine de l'espace monde. La position du soleil pourrait être (0, 0, 0) dans l'espace monde, tandis que la position et la rotation de la Terre sont définies par rapport à cela. Vous pourriez représenter une galaxie s'étendant sur de vastes distances dans les limites de votre environnement virtuel.

2. Espace local (ou Espace objet)

L'espace local est le système de coordonnées spécifique à un objet individuel. Il est défini par rapport à la propre origine de l'objet. Chaque objet de votre scène possède son propre espace local, vous permettant de gérer facilement sa structure interne et ses transformations.

Caractéristiques clés de l'espace local :

• Centré sur l'objet : L'origine de l'espace local est généralement le centre ou un point clé de l'objet.
• Indépendant : Chaque objet possède son propre espace local indépendant.
• Hiérarchique : Les espaces locaux peuvent être imbriqués les uns dans les autres, créant des relations hiérarchiques (par exemple, une main attachée à un bras, lui-même attaché à un corps).

Cas d'utilisation : Prenons une voiture virtuelle. Son espace local pourrait avoir son origine au centre du châssis de la voiture. Les roues, les sièges et le volant sont tous positionnés et orientés par rapport à l'espace local de la voiture. Lorsque vous déplacez la voiture dans l'espace monde, tous ses composants se déplacent ensemble car ils sont enfants de la transformation de l'espace local de la voiture.

3. Espace de référence

Les espaces de référence sont cruciaux pour suivre la position et l'orientation de l'utilisateur dans l'environnement WebXR. Ils fournissent un moyen d'établir une relation entre le monde physique et le monde virtuel. WebXR propose plusieurs types d'espaces de référence, chacun adapté à différents scénarios de suivi.

Types d'espaces de référence :

• Espace de référence 'Viewer' : Représente la position et l'orientation de la tête de l'utilisateur. Il est intrinsèquement instable et change à chaque image lorsque l'utilisateur bouge la tête. Il n'est pas idéal pour placer des objets de manière persistante dans l'environnement.
• Espace de référence 'Local' : Fournit un espace de suivi stable ancré à la position initiale de l'utilisateur au début de la session WebXR. Il convient aux expériences où l'utilisateur reste dans une petite zone (par exemple, la RV en position assise).
• Espace de référence 'Bounded' : Similaire à l'espace de référence local, mais définit une limite spécifique (par exemple, une zone rectangulaire) à l'intérieur de laquelle l'utilisateur est censé se déplacer. Utile pour les expériences de RV à l'échelle d'une pièce (room-scale).
• Espace de référence 'Unbounded' : Permet à l'utilisateur de se déplacer librement dans le volume de suivi sans aucune limite artificielle. Idéal pour les expériences où l'utilisateur peut se promener dans un espace plus grand ou explorer un environnement virtuel au-delà des environs immédiats.
• Espace de référence au niveau du sol ('Floor-Level') : Ancre l'espace de suivi au sol. Ceci est utile en réalité augmentée, afin que les objets apparaissent comme s'ils étaient sur le sol, quelle que soit la hauteur de l'appareil de l'utilisateur.

Choisir le bon espace de référence : Le choix de l'espace de référence dépend des exigences spécifiques de votre application WebXR. Tenez compte des facteurs suivants :

• Stabilité du suivi : Quel niveau de stabilité le suivi doit-il avoir ? Pour un placement précis des objets, vous voudrez un espace de référence plus stable.
• Mouvement de l'utilisateur : Quelle liberté de mouvement l'utilisateur aura-t-il ? Choisissez un espace de référence qui s'adapte à l'amplitude de mouvement attendue.
• Type d'application : S'agit-il d'une expérience de RV assise, d'une application de RA à l'échelle d'une pièce ou autre chose ?

Exemple : Pour une application de RA qui place une tasse de café virtuelle sur une table du monde réel, vous utiliseriez probablement un espace de référence au niveau du sol. Cela garantit que la tasse reste sur la table même lorsque l'utilisateur se déplace.

Transformations de systèmes de coordonnées : Combler les écarts

Travailler avec plusieurs systèmes de coordonnées nécessite la capacité de transformer des objets entre eux. Cela implique de translater (déplacer) et de faire pivoter des objets d'un espace à un autre. Comprendre ces transformations est vital pour un placement et un suivi précis des objets.

Transformations clés :

• Local vers Monde : Convertit les coordonnées de l'espace local d'un objet vers l'espace monde. Ceci est utilisé pour déterminer la position absolue de l'objet dans la scène.
• Monde vers Local : Convertit les coordonnées de l'espace monde vers l'espace local d'un objet. Ceci est utile pour déterminer la position d'un autre objet par rapport à l'objet en question.
• Espace de référence vers Monde : Convertit les coordonnées d'un espace de référence (par exemple, la position suivie de l'utilisateur) vers l'espace monde. Cela vous permet de positionner des objets par rapport à l'utilisateur.
• Monde vers Espace de référence : Convertit les coordonnées de l'espace monde vers un espace de référence. Ceci est utile pour déterminer où se trouve un objet de votre monde par rapport à la position actuelle de l'utilisateur.

Matrices de transformation : En pratique, les transformations de systèmes de coordonnées sont généralement représentées à l'aide de matrices de transformation. Ce sont des matrices 4x4 qui encodent à la fois les informations de translation et de rotation. Les bibliothèques WebXR comme Three.js et Babylon.js fournissent des fonctions pour créer et appliquer des matrices de transformation.

Exemple (Conceptuel) :

Disons que vous avez une fleur virtuelle dans l'espace monde, dont la position est connue. Vous voulez l'attacher à la main de l'utilisateur, suivie à l'aide d'un espace de référence `viewer`. Les étapes seraient les suivantes :

1. Obtenir la matrice de transformation de l'origine de l'espace monde vers l'espace de référence 'viewer'.
2. Inverser cette matrice pour obtenir la transformation de l'espace de référence 'viewer' vers l'espace monde.
3. Obtenir la matrice de transformation représentant la position de la fleur dans l'espace monde.
4. Multiplier la matrice viewer-vers-monde par la matrice de position mondiale de la fleur. Le résultat est la position de la fleur par rapport au 'viewer'.
5. Enfin, ajuster la position de la fleur par rapport à la main en ajoutant un décalage local dans l'espace de coordonnées local de la main.

Cet exemple illustre la chaîne de transformations requise pour positionner un objet par rapport à un espace de référence suivi dynamiquement comme la tête ou la main de l'utilisateur.

Exemples pratiques et extraits de code

Illustrons ces concepts avec des exemples de code utilisant Three.js, une bibliothèque JavaScript populaire pour les graphiques 3D.

Exemple 1 : Placer un objet dans l'espace monde

Cet extrait de code montre comment créer un cube et le positionner dans l'espace monde :

// Créer une géométrie de cube
const geometry = new THREE.BoxGeometry( 1, 1, 1 );
// Créer un matériau
const material = new THREE.MeshBasicMaterial( { color: 0x00ff00 } );
// Créer un maillage (cube)
const cube = new THREE.Mesh( geometry, material );

// Définir la position du cube dans l'espace monde
cube.position.set( 2, 1, -3 ); // Coordonnées X, Y, Z

// Ajouter le cube à la scène
scene.add( cube );

Dans cet exemple, la propriété `position` du cube est un `THREE.Vector3` représentant ses coordonnées dans l'espace monde. La méthode `set()` est utilisée pour assigner les coordonnées X, Y et Z souhaitées.

Exemple 2 : Créer une hiérarchie locale

Ce code montre comment créer une relation parent-enfant entre deux objets, créant une hiérarchie locale :

// Créer un objet parent (par exemple, une sphère)
const parentGeometry = new THREE.SphereGeometry( 1, 32, 32 );
const parentMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial( { color: 0xff0000 } );
const parent = new THREE.Mesh( parentGeometry, parentMaterial );
scene.add( parent );

// Créer un objet enfant (par exemple, un cube)
const childGeometry = new THREE.BoxGeometry( 0.5, 0.5, 0.5 );
const childMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial( { color: 0x0000ff } );
const child = new THREE.Mesh( childGeometry, childMaterial );

// Définir la position de l'enfant par rapport au parent (dans l'espace local du parent)
child.position.set( 1.5, 0, 0 );

// Ajouter l'enfant au parent
parent.add( child );

// Faire pivoter le parent, et l'enfant pivotera autour de lui
parent.rotation.y += 0.01;

Ici, l'objet `child` est ajouté comme enfant de l'objet `parent` en utilisant `parent.add(child)`. La `position` de l'enfant est maintenant interprétée comme étant relative à l'espace local du parent. Faire pivoter le parent fera également pivoter l'enfant, en maintenant leurs positions relatives.

Exemple 3 : Suivre la position de l'utilisateur avec un espace de référence

Ce code montre comment obtenir la pose (position et orientation) de l'utilisateur en utilisant un espace de référence :

async function onSessionStarted( session ) {
  // Demander un espace de référence 'local'
  const referenceSpace = await session.requestReferenceSpace( 'local' );

  session.requestAnimationFrame( function animate(time, frame) {
    session.requestAnimationFrame( animate );

    if ( frame ) {
      const pose = frame.getViewerPose( referenceSpace );

      if ( pose ) {
        // Obtenir la position de l'utilisateur
        const position = pose.transform.position;

        // Obtenir l'orientation de l'utilisateur (quaternion)
        const orientation = pose.transform.orientation;

        // Utiliser la position et l'orientation pour mettre à jour la scène ou les objets.
        // Par exemple, positionner un objet virtuel devant l'utilisateur :
        myObject.position.copy(position).add(new THREE.Vector3(0, 0, -2));
        myObject.quaternion.copy(orientation);

      }
    }
  });
}

Ce code récupère le `ViewerPose` du `XRFrame`, qui fournit la position et l'orientation de l'utilisateur par rapport à l'espace de référence (`referenceSpace`) spécifié. La `position` et l'`orientation` peuvent ensuite être utilisées pour mettre à jour la scène, comme placer un objet virtuel devant l'utilisateur.

Meilleures pratiques pour la gestion des systèmes de coordonnées

Pour garantir des expériences WebXR précises et robustes, suivez ces meilleures pratiques pour la gestion des systèmes de coordonnées :

• Choisissez le bon espace de référence : Examinez attentivement les exigences de suivi de votre application et sélectionnez l'espace de référence approprié. L'utilisation d'un mauvais espace de référence peut entraîner une instabilité et un placement d'objet incorrect.
• Comprenez la hiérarchie : Utilisez des hiérarchies locales pour organiser les objets et simplifier les transformations. Cela facilite la gestion de scènes complexes et le maintien des relations entre les objets.
• Utilisez des matrices de transformation : Tirez parti des matrices de transformation pour des conversions de systèmes de coordonnées efficaces. Les bibliothèques WebXR fournissent des outils pour créer et manipuler ces matrices.
• Testez minutieusement : Testez votre application sur différents appareils et dans divers environnements pour garantir un comportement cohérent. Le comportement du système de coordonnées peut varier d'une plateforme à l'autre.
• Gérez la perte de suivi : Mettez en œuvre des mécanismes pour gérer la perte de suivi avec élégance. Lorsque le suivi est perdu, envisagez de figer la scène ou de fournir des indices visuels à l'utilisateur. Si vous utilisez un espace de référence local, envisagez de demander un nouvel espace de référence et de faire la transition de l'utilisateur en douceur.
• Pensez au confort de l'utilisateur : Évitez les changements rapides ou inattendus du point de vue de l'utilisateur. Des changements soudains dans le système de coordonnées peuvent causer une désorientation et des nausées.
• Faites attention à l'échelle : Gardez une trace de l'échelle de vos objets et de la scène globale. Les problèmes d'échelle peuvent entraîner des artefacts visuels et une perception spatiale inexacte. En RA, représenter avec précision l'échelle du monde réel est primordial pour la crédibilité.
• Utilisez des outils de débogage : Utilisez des outils de débogage WebXR (par exemple, l'émulateur de l'API WebXR Device) pour visualiser les systèmes de coordonnées et suivre les transformations. Ces outils peuvent vous aider à identifier et à résoudre les problèmes liés à la gestion des systèmes de coordonnées.

Sujets avancés

Espaces de référence multiples

Certaines applications WebXR peuvent bénéficier de l'utilisation simultanée de plusieurs espaces de référence. Par exemple, vous pourriez utiliser un espace de référence local pour le suivi général et un espace de référence au niveau du sol pour placer des objets sur le sol. La gestion de plusieurs espaces de référence nécessite une coordination et une logique de transformation minutieuses.

Ancres (Anchors)

Les ancres WebXR (anchors) fournissent un moyen de créer des relations spatiales persistantes entre les objets virtuels et ceux du monde réel. Les ancres sont particulièrement utiles dans les applications de RA où vous souhaitez vous assurer que les objets virtuels restent fixes par rapport au monde réel, même lorsque l'utilisateur se déplace. Considérez les ancres comme un moyen d'« épingler » en permanence un objet virtuel à un emplacement spécifique dans l'environnement de l'utilisateur.

Exemple : Vous pourriez placer une ancre sur une table du monde réel et y attacher une lampe virtuelle. La lampe resterait alors sur la table, quel que soit le mouvement de l'utilisateur.

Test de positionnement (Hit Testing)

Le test de positionnement (hit testing) vous permet de déterminer si un rayon (une ligne dans l'espace 3D) coupe une surface du monde réel. Ceci est couramment utilisé dans les applications de RA pour placer des objets virtuels sur des surfaces détectées par les capteurs de l'appareil. Le test de positionnement est essentiel pour créer des expériences de RA interactives où les utilisateurs peuvent manipuler des objets virtuels dans le monde réel.

Exemple : Vous pourriez utiliser le test de positionnement pour permettre à l'utilisateur de toucher un sol du monde réel et de placer un personnage virtuel à cet endroit.

Conclusion

La maîtrise de la gestion des systèmes de coordonnées est fondamentale pour créer des expériences WebXR convaincantes et précises. En comprenant les différents types d'espaces de coordonnées, en maîtrisant les transformations et en suivant les meilleures pratiques, vous pouvez créer des applications immersives qui fusionnent de manière transparente les mondes virtuel et physique.

À mesure que la technologie WebXR continue d'évoluer, de nouvelles fonctionnalités et capacités émergeront. Rester à jour avec les derniers développements et expérimenter différentes techniques vous permettra de repousser les limites des expériences immersives et de créer des applications véritablement innovantes.

WebXR gagne rapidement en popularité dans diverses industries à l'échelle mondiale, de l'éducation et la formation à la santé et au divertissement. Une bonne compréhension des systèmes de coordonnées sera cruciale pour les futurs développeurs. Voici des exemples d'applications internationales :

• Tourisme virtuel (Mondial) : Permettre aux utilisateurs d'explorer virtuellement des sites du monde entier avec une échelle et un positionnement précis.
• Collaboration à distance (Équipes internationales) : Permettre aux équipes de collaborer sur des modèles 3D dans un espace virtuel partagé, quel que soit leur emplacement physique.
• Éducation améliorée par la RA (Multilingue) : Superposer des modèles 3D interactifs sur des manuels scolaires, créant des expériences d'apprentissage immersives accessibles en plusieurs langues.
• Formation en santé (Mondial) : Former des médecins et des infirmières sur des procédures chirurgicales à l'aide de simulations réalistes au sein de modèles anatomiques précis.

Les possibilités sont vastes. En vous concentrant sur une solide compréhension spatiale et en adoptant un apprentissage continu, vous pourrez naviguer avec succès dans le paysage passionnant du développement WebXR.