Comprendre les transformations de l'espace de référence WebXR : Une exploration approfondie des systèmes de coordonnées

WebXR ouvre la porte à la création d'expériences de réalité virtuelle et augmentée incroyables directement dans le navigateur. Cependant, maîtriser WebXR nécessite une solide compréhension des espaces de référence et des transformations de coordonnées. Ce guide offre un aperçu complet de ces concepts, vous permettant de créer des applications VR/AR immersives et précises.

Que sont les espaces de référence WebXR ?

Dans le monde réel, nous avons une compréhension partagée de l'emplacement des choses. Mais dans le monde virtuel, nous avons besoin d'un moyen de définir le système de coordonnées qui relie les objets virtuels à l'utilisateur et à l'environnement. C'est là qu'interviennent les espaces de référence. Un espace de référence définit l'origine et l'orientation du monde virtuel, fournissant un cadre pour positionner les objets virtuels et suivre les mouvements de l'utilisateur.

Imaginez ceci : vous décrivez l'emplacement d'une petite voiture jouet à quelqu'un. Vous pourriez dire : "Elle est à soixante centimètres devant vous et à trente centimètres à votre gauche." Vous avez implicitement défini un espace de référence centré sur l'auditeur. Les espaces de référence WebXR fournissent des points d'ancrage similaires pour votre scène virtuelle.

Types d'espaces de référence dans WebXR

WebXR offre plusieurs types d'espaces de référence, chacun avec ses propres caractéristiques et cas d'utilisation :

• Espace du spectateur (Viewer Space) : Cet espace est centré sur les yeux de l'utilisateur. C'est un espace relativement instable, car il change constamment avec les mouvements de la tête de l'utilisateur. Il est mieux adapté au contenu lié à la tête, comme un affichage tête haute (HUD).
• Espace local (Local Space) : Cet espace offre une vue stable, relative à l'écran. L'origine est fixe par rapport à l'affichage, mais l'utilisateur peut toujours se déplacer dans cet espace. Il est utile pour les expériences assises ou stationnaires.
• Espace local au sol (Local Floor Space) : Similaire à l'espace local, mais avec l'origine située au niveau du sol. C'est idéal pour créer des expériences où l'utilisateur est debout et se déplace dans une zone limitée. La hauteur initiale par rapport au sol est généralement déterminée par l'étalonnage de l'appareil de l'utilisateur, et le système WebXR fait de son mieux pour maintenir cette origine au niveau du sol.
• Espace au sol borné (Bounded Floor Space) : Cela étend l'espace local au sol en définissant une zone bornée (un polygone) dans laquelle l'utilisateur peut se déplacer. C'est utile pour empêcher les utilisateurs de s'éloigner de la zone de suivi, ce qui est particulièrement important dans les espaces où l'environnement physique réel n'a pas été soigneusement cartographié.
• Espace illimité (Unbounded Space) : Cet espace n'a pas de limites et permet à l'utilisateur de se déplacer librement dans le monde réel. Il convient aux expériences VR à grande échelle, comme la marche dans une ville virtuelle. Cependant, il nécessite un système de suivi plus robuste. Il est souvent utilisé pour les applications de RA, où l'utilisateur peut se déplacer librement dans le monde réel tout en voyant des objets virtuels superposés à sa vue du monde réel.

Comprendre les systèmes de coordonnées

Un système de coordonnées définit la manière dont les positions et les orientations sont représentées dans un espace de référence. WebXR utilise un système de coordonnées droitier, ce qui signifie que l'axe X positif pointe vers la droite, l'axe Y positif pointe vers le haut et l'axe Z positif pointe vers le spectateur.

Comprendre le système de coordonnées est crucial pour positionner et orienter correctement les objets dans votre scène virtuelle. Par exemple, si vous souhaitez placer un objet à un mètre devant l'utilisateur, vous devrez définir sa coordonnée Z à -1 (rappelez-vous, l'axe Z pointe vers le spectateur).

WebXR utilise les mètres comme unité de mesure standard. Il est important de s'en souvenir lorsque vous travaillez avec des outils de modélisation 3D ou des bibliothèques qui pourraient utiliser des unités différentes (par exemple, des centimètres ou des pouces).

Transformations de coordonnées : La clé pour positionner et orienter les objets

Les transformations de coordonnées sont les opérations mathématiques qui convertissent les positions et les orientations d'un système de coordonnées à un autre. Dans WebXR, les transformations sont essentielles pour :

• Positionner les objets par rapport à l'utilisateur : Convertir la position d'un objet de l'espace monde (le système de coordonnées global) à l'espace spectateur (la position de la tête de l'utilisateur).
• Orienter correctement les objets : S'assurer que les objets font face à la bonne direction, quelle que soit l'orientation de l'utilisateur.
• Suivre les mouvements de l'utilisateur : Mettre à jour la position et l'orientation du point de vue de l'utilisateur en fonction des données des capteurs.

La manière la plus courante de représenter les transformations de coordonnées est d'utiliser une matrice de transformation 4x4. Cette matrice combine la translation (position), la rotation (orientation) et la mise à l'échelle dans une représentation unique et efficace.

Explication des matrices de transformation

Une matrice de transformation 4x4 ressemble à ceci :

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

Où :

• R00-R22 : Représentent la composante de rotation (une matrice de rotation 3x3).
• Tx, Ty, Tz : Représentent la composante de translation (la quantité à déplacer le long des axes X, Y et Z).

Pour transformer un point (x, y, z) à l'aide d'une matrice de transformation, vous traitez le point comme un vecteur 4D (x, y, z, 1) et le multipliez par la matrice. Le vecteur résultant représente le point transformé dans le nouveau système de coordonnées.

La plupart des frameworks WebXR (comme Three.js et Babylon.js) fournissent des fonctions intégrées pour travailler avec des matrices de transformation, ce qui facilite l'exécution de ces calculs sans avoir à manipuler manuellement les éléments de la matrice.

Application des transformations dans WebXR

Prenons un exemple pratique. Supposons que vous souhaitiez placer un cube virtuel à un mètre devant les yeux de l'utilisateur.

1. Obtenir la pose du spectateur : Utilisez l'interface XRFrame pour obtenir la pose actuelle du spectateur dans l'espace de référence choisi.
2. Créer une matrice de transformation : Créez une matrice de transformation qui représente la position et l'orientation souhaitées du cube par rapport au spectateur. Dans ce cas, vous créeriez probablement une matrice de translation qui déplace le cube d'un mètre le long de l'axe Z négatif (vers le spectateur).
3. Appliquer la transformation : Multipliez la matrice de transformation originale du cube (représentant sa position dans l'espace monde) par la nouvelle matrice de transformation (représentant sa position par rapport au spectateur). Cela mettra à jour la position du cube dans la scène.

Voici un exemple simplifié utilisant Three.js :

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);
  }
});

Cet extrait de code obtient la pose du spectateur, crée un vecteur représentant la position souhaitée du cube (1 mètre devant), applique la matrice de transformation du spectateur à la position, puis met à jour la position du cube dans la scène. Il copie également l'orientation du spectateur sur le cube.

Exemples pratiques : Scénarios et solutions

Explorons quelques scénarios courants et comment les transformations de l'espace de référence peuvent être utilisées pour les résoudre :

1. Créer un panneau de contrôle virtuel fixé au poignet de l'utilisateur

Imaginez que vous souhaitez créer un panneau de contrôle virtuel toujours visible et fixé au poignet de l'utilisateur. Vous pourriez utiliser un espace de référence relatif au spectateur (ou calculer la transformation par rapport au contrôleur). Voici comment vous pourriez aborder cela :

1. Utiliser l'espace du spectateur ou l'espace du contrôleur : Demandez un espace de référence viewer ou `hand` pour obtenir les poses relatives à la tête ou à la main de l'utilisateur.
2. Créer une matrice de transformation : Définissez une matrice de transformation qui positionne le panneau de contrôle légèrement au-dessus et devant le poignet.
3. Appliquer la transformation : Multipliez la matrice de transformation du panneau de contrôle par la matrice de transformation du spectateur ou du contrôleur. Cela maintiendra le panneau de contrôle attaché au poignet de l'utilisateur lorsqu'il bouge la tête ou la main.

Cette approche est souvent utilisée dans les jeux et applications VR pour offrir aux utilisateurs une interface pratique et accessible.

2. Ancrage d'objets virtuels sur des surfaces du monde réel en RA

En réalité augmentée, vous souhaitez souvent ancrer des objets virtuels à des surfaces du monde réel, telles que des tables ou des murs. Cela nécessite une approche plus sophistiquée qui implique la détection et le suivi de ces surfaces.

1. Utiliser la détection de plan : Utilisez l'API de détection de plan WebXR (si prise en charge par l'appareil) pour identifier les surfaces horizontales et verticales dans l'environnement de l'utilisateur.
2. Créer un ancrage : Créez un XRAnchor sur la surface détectée. Cela fournit un point de référence stable dans le monde réel.
3. Positionner les objets par rapport à l'ancrage : Positionnez les objets virtuels par rapport à la matrice de transformation de l'ancrage. Cela garantira que les objets restent attachés à la surface, même lorsque l'utilisateur se déplace.

ARKit (iOS) et ARCore (Android) offrent de robustes capacités de détection de plan, qui peuvent être accédées via l'API WebXR Device.

3. Téléportation en VR

La téléportation est une technique courante utilisée en VR pour permettre aux utilisateurs de se déplacer rapidement dans de grands environnements virtuels. Cela implique une transition douce du point de vue de l'utilisateur d'un endroit à un autre.

1. Obtenir l'emplacement cible : Déterminez l'emplacement cible de la téléportation. Cela peut être basé sur l'entrée de l'utilisateur (par exemple, en cliquant sur un point de l'environnement) ou sur un emplacement prédéfini.
2. Calculer la transformation : Calculez la matrice de transformation qui représente le changement de position et d'orientation requis pour déplacer l'utilisateur de son emplacement actuel à l'emplacement cible.
3. Appliquer la transformation : Appliquez la transformation à l'espace de référence. Cela déplacera instantanément l'utilisateur vers le nouvel emplacement. Envisagez d'utiliser une animation fluide pour rendre la téléportation plus confortable.

Bonnes pratiques pour travailler avec les espaces de référence WebXR

Voici quelques bonnes pratiques à garder à l'esprit lorsque vous travaillez avec les espaces de référence WebXR :

• Choisissez le bon espace de référence : Sélectionnez l'espace de référence le plus approprié pour votre application. Considérez le type d'expérience que vous créez (par exemple, assis, debout, à l'échelle d'une pièce) et le niveau de précision et de stabilité requis.
• Gérer la perte de suivi : Soyez prêt à gérer les situations où le suivi est perdu ou devient peu fiable. Cela peut se produire si l'utilisateur se déplace en dehors de la zone de suivi ou si l'environnement est mal éclairé. Fournissez des indices visuels à l'utilisateur et envisagez de mettre en œuvre des mécanismes de secours.
• Optimiser les performances : Les transformations de coordonnées peuvent être coûteuses en calcul, surtout lorsque vous traitez un grand nombre d'objets. Optimisez votre code pour minimiser le nombre de transformations à effectuer à chaque image. Utilisez la mise en cache et d'autres techniques pour améliorer les performances.
• Tester sur différents appareils : Les performances de WebXR et la qualité du suivi peuvent varier considérablement selon les appareils. Testez votre application sur une variété d'appareils pour vous assurer qu'elle fonctionne bien pour tous les utilisateurs.
• Prendre en compte la hauteur de l'utilisateur et l'IPD : Considérez les différentes hauteurs d'utilisateur et distances interpupillaires (IPD). Définir correctement la hauteur de la caméra en fonction de la hauteur de l'utilisateur rendra l'expérience plus confortable. L'ajustement de l'IPD garantit que le rendu stéréoscopique est précis pour chaque utilisateur, ce qui est important pour le confort visuel et la perception de la profondeur. WebXR fournit des API pour accéder à l'IPD estimé de l'utilisateur.

Sujets avancés

Une fois que vous avez une solide compréhension des bases des espaces de référence WebXR et des transformations de coordonnées, vous pouvez explorer des sujets plus avancés, tels que :

• Prédiction de pose : WebXR fournit des API pour prédire la pose future de la tête et des contrôleurs de l'utilisateur. Cela peut être utilisé pour réduire la latence et améliorer la réactivité de votre application.
• Audio spatial : Les transformations de coordonnées sont essentielles pour créer des expériences audio spatiales réalistes. En positionnant les sources audio dans l'espace 3D et en transformant leurs positions par rapport à la tête de l'utilisateur, vous pouvez créer un sentiment d'immersion et de présence.
• Expériences multi-utilisateurs : Lors de la création d'applications VR/AR multi-utilisateurs, vous devez synchroniser les positions et les orientations de tous les utilisateurs dans le monde virtuel. Cela nécessite une gestion minutieuse des espaces de référence et des transformations de coordonnées.

Frameworks et bibliothèques WebXR

Plusieurs frameworks et bibliothèques JavaScript peuvent simplifier le développement WebXR et fournir des abstractions de plus haut niveau pour travailler avec les espaces de référence et les transformations de coordonnées. Certaines options populaires incluent :

• Three.js : Une bibliothèque graphique 3D largement utilisée qui fournit un ensemble complet d'outils pour créer des applications WebXR.
• Babylon.js : Un autre moteur 3D populaire qui offre un excellent support WebXR et un riche ensemble de fonctionnalités.
• A-Frame : Un framework déclaratif qui facilite la création d'expériences WebXR à l'aide d'une syntaxe de type HTML.
• React Three Fiber : Un rendu React pour Three.js, vous permettant de créer des applications WebXR à l'aide de composants React.

Conclusion

Comprendre les espaces de référence WebXR et les transformations de coordonnées est crucial pour créer des expériences VR/AR immersives et précises. En maîtrisant ces concepts, vous pouvez libérer tout le potentiel de l'API WebXR et créer des applications convaincantes qui repoussent les limites du web immersif. À mesure que vous approfondissez le développement WebXR, continuez à expérimenter différents espaces de référence et techniques de transformation pour trouver les meilleures solutions pour vos besoins spécifiques. N'oubliez pas d'optimiser votre code pour les performances et de tester sur une variété d'appareils pour garantir une expérience fluide et engageante pour tous les utilisateurs.