Informatique Spatiale WebXR : Suivi à l'échelle d'une pièce et occlusion

WebXR révolutionne la façon dont nous interagissons avec le web, dépassant les interfaces 2D traditionnelles pour créer des expériences d'informatique spatiale immersives et interactives. Deux technologies fondamentales qui sous-tendent cette révolution sont le suivi à l'échelle d'une pièce (room-scale tracking) et l'occlusion. Comprendre et exploiter ces fonctionnalités est crucial pour créer des applications WebXR convaincantes et réalistes.

Qu'est-ce que l'informatique spatiale ?

L'informatique spatiale est la prochaine évolution de l'informatique, brouillant les frontières entre les mondes physique et numérique. Elle implique l'interaction entre les humains, les ordinateurs et les espaces physiques. Contrairement à l'informatique traditionnelle, confinée aux écrans et aux claviers, l'informatique spatiale permet aux utilisateurs d'interagir avec des informations et des environnements numériques dans un espace tridimensionnel. Cela inclut des technologies comme la réalité augmentée (RA), la réalité virtuelle (RV) et la réalité mixte (RM).

WebXR apporte l'informatique spatiale au web, permettant aux développeurs de créer ces expériences qui s'exécutent directement dans le navigateur, éliminant le besoin d'installer des applications natives. Cela rend l'informatique spatiale plus accessible et démocratisée.

Suivi à l'échelle d'une pièce : Mouvement immersif

Le suivi à l'échelle d'une pièce permet aux utilisateurs de se déplacer librement dans un espace physique défini tout en portant un casque de RV ou de RA. Le système suit la position et l'orientation de l'utilisateur, traduisant ses mouvements du monde réel dans l'environnement virtuel. Cela crée un plus grand sentiment de présence et d'immersion, rendant l'expérience beaucoup plus engageante et réaliste que la RV stationnaire.

Comment fonctionne le suivi à l'échelle d'une pièce

Le suivi à l'échelle d'une pièce repose généralement sur l'une des technologies suivantes :

• Suivi Inside-Out : Le casque lui-même utilise des caméras pour suivre sa position par rapport à l'environnement. C'est l'approche la plus courante, utilisée par des appareils comme la série Meta Quest et le HTC Vive Focus. Le casque analyse les caractéristiques visuelles de l'environnement pour déterminer sa localisation et son orientation. Cela nécessite un environnement bien éclairé et visuellement riche pour des performances optimales.
• Suivi Outside-In : Des stations de base ou des capteurs externes sont placés dans la pièce, émettant des signaux que le casque utilise pour déterminer sa position. Cette approche, utilisée par le HTC Vive original, peut fournir un suivi très précis mais nécessite plus d'installation et de calibration.

Implémentation du suivi à l'échelle d'une pièce en WebXR

WebXR fournit une API standardisée pour accéder aux données de suivi de l'appareil. Voici un exemple simplifié utilisant JavaScript et une bibliothèque comme three.js :

            
  // 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);
  });

            

              
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Explication :

1. La boucle `xrSession.requestAnimationFrame` demande continuellement des images d'animation à la session WebXR.
2. `frame.getViewerPose(xrReferenceSpace)` récupère la pose actuelle (position et orientation) de la tête de l'utilisateur par rapport au `xrReferenceSpace` défini.
3. Les données de position et d'orientation sont extraites de la propriété `transform` de la pose.
4. La position et l'orientation sont ensuite appliquées à la caméra dans la scène three.js, déplaçant ainsi le monde virtuel en même temps que l'utilisateur.

Exemples pratiques du suivi à l'échelle d'une pièce

• Simulations de formation interactives : Une entreprise manufacturière pourrait utiliser la RV à l'échelle d'une pièce pour former ses employés à l'assemblage de machines complexes. Les utilisateurs pourraient se déplacer autour de la machine virtuelle, interagir avec ses composants dans un environnement réaliste et sûr. Cela pourrait être appliqué dans des secteurs comme l'aérospatiale, l'automobile et la pharmacie à l'échelle mondiale.
• Visualisation architecturale : Des acheteurs potentiels pourraient explorer un modèle virtuel d'une maison ou d'un appartement, se promenant dans les pièces et découvrant l'espace avant même sa construction. Cela peut être proposé à l'international pour présenter des propriétés partout dans le monde.
• Jeux et divertissement : Le suivi à l'échelle d'une pièce permet des expériences de jeu plus engageantes et interactives. Les joueurs peuvent physiquement esquiver des obstacles, attraper des objets virtuels et explorer des mondes de jeu immersifs. Des développeurs du Japon, d'Europe et d'Amérique du Nord innovent continuellement dans ce domaine.
• Conception collaborative : Des équipes de concepteurs et d'ingénieurs peuvent collaborer sur des modèles 3D dans un espace virtuel partagé, se déplaçant autour du modèle, ajoutant des annotations et discutant des modifications de conception en temps réel. C'est inestimable pour les équipes internationales travaillant sur des projets d'ingénierie complexes.

Occlusion : Intégrer les objets virtuels de manière réaliste

L'occlusion est la capacité des objets virtuels à être correctement cachés ou partiellement cachés par des objets du monde réel. Sans occlusion, les objets virtuels sembleront flotter devant les objets du monde réel, brisant l'illusion d'immersion. L'occlusion est essentielle pour créer des expériences de réalité augmentée crédibles.

Comment fonctionne l'occlusion

L'occlusion en WebXR fonctionne généralement en utilisant les capacités de détection de profondeur de l'appareil de RA. L'appareil utilise des caméras et des capteurs pour créer une carte de profondeur de l'environnement. Cette carte de profondeur est ensuite utilisée pour déterminer quelles parties des objets virtuels doivent être cachées derrière des objets du monde réel.

Différentes technologies sont utilisées pour générer la carte de profondeur :

• Capteurs de temps de vol (ToF) : Les capteurs ToF émettent une lumière infrarouge et mesurent le temps qu'il faut à la lumière pour revenir, leur permettant de calculer la distance des objets.
• Caméras stéréo : En utilisant deux caméras, le système peut calculer la profondeur en se basant sur la parallaxe entre les deux images.
• Lumière structurée : L'appareil projette un motif de lumière sur l'environnement et analyse la distorsion du motif pour déterminer la profondeur.

Implémentation de l'occlusion en WebXR

L'implémentation de l'occlusion en WebXR implique plusieurs étapes :

1. Demander la fonctionnalité `XRDepthSensing` : Vous devez demander la fonctionnalité `XRDepthSensing` lors de la création de la session WebXR.
2. Acquérir les informations de profondeur : L'API WebXR fournit des méthodes pour accéder aux informations de profondeur capturées par l'appareil. Cela implique souvent d'utiliser `XRCPUDepthInformation` ou `XRWebGLDepthInformation` selon la méthode de rendu.
3. Utiliser les informations de profondeur dans le pipeline de rendu : Les informations de profondeur doivent être intégrées dans le pipeline de rendu pour déterminer quels pixels des objets virtuels doivent être occultés par les objets du monde réel. Cela se fait généralement en utilisant un shader personnalisé ou en utilisant les fonctionnalités intégrées du moteur de rendu (comme three.js ou Babylon.js).

Voici un exemple simplifié utilisant three.js (note : ceci est une illustration de haut niveau ; l'implémentation réelle implique une programmation de shaders plus complexe) :

            
  // 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);
  });

            

              
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Explication :

1. `frame.getDepthInformation(xrView)` récupère les informations de profondeur pour une vue XR spécifique.
2. `depthInfo.data` contient les données de profondeur brutes, généralement sous forme de tableau de nombres à virgule flottante.
3. Une `DataTexture` de three.js est créée à partir du tampon de profondeur, ce qui permet de l'utiliser dans les shaders.
4. La texture de profondeur est passée en tant qu'uniforme à un shader personnalisé.
5. Le shader compare la profondeur de chaque pixel de l'objet virtuel à la valeur de profondeur correspondante dans la texture. Si la profondeur du monde réel est plus proche, le pixel de l'objet virtuel est ignoré, réalisant ainsi l'occlusion.

Exemples pratiques d'occlusion

• Visualisation de produits en RA : Une entreprise de meubles pourrait permettre aux clients de visualiser à quoi ressemblerait un meuble dans leur salon, avec le meuble virtuel correctement occulté par des objets du monde réel comme des tables et des chaises. Une entreprise basée en Suède ou en Italie pourrait proposer ce service.
• Jeux et divertissement en RA : Les jeux en RA peuvent devenir beaucoup plus immersifs lorsque les personnages virtuels peuvent interagir de manière réaliste avec l'environnement, en marchant derrière des tables, en se cachant derrière des murs et en interagissant avec des objets du monde réel. Les studios de jeux en Corée du Sud et en Chine explorent activement cela.
• Visualisation médicale : Les chirurgiens pourraient utiliser la RA pour superposer des modèles 3D d'organes sur le corps d'un patient, avec les organes virtuels correctement occultés par la peau et les tissus du patient. Des hôpitaux en Allemagne et aux États-Unis pilotent cette technologie.
• Éducation et formation : Les étudiants pourraient utiliser la RA pour explorer des modèles virtuels d'artefacts historiques ou de concepts scientifiques, avec les modèles correctement occultés par leurs mains ou d'autres objets physiques. Les établissements d'enseignement du monde entier pourraient en bénéficier.

Choisir le bon framework WebXR

Plusieurs frameworks WebXR peuvent simplifier le processus de développement :

• three.js : Une bibliothèque 3D JavaScript populaire qui offre une large gamme de fonctionnalités, y compris le support WebXR.
• Babylon.js : Un autre moteur 3D JavaScript puissant qui offre une excellente intégration WebXR et un ensemble d'outils robustes.
• A-Frame : Un framework HTML déclaratif pour créer des expériences WebXR, facilitant la prise en main pour les débutants.
• React Three Fiber : Un moteur de rendu React pour three.js, vous permettant de construire des expériences WebXR en utilisant des composants React.

Le choix du framework dépend de vos besoins et préférences spécifiques. three.js et Babylon.js offrent plus de flexibilité et de contrôle, tandis qu'A-Frame fournit un point de départ plus simple et plus accessible.

Défis et considérations

Malgré les possibilités excitantes, le développement d'applications WebXR avec suivi à l'échelle d'une pièce et occlusion présente plusieurs défis :

• Performance : Le suivi à l'échelle d'une pièce et l'occlusion nécessitent une puissance de traitement importante, ce qui peut affecter les performances, en particulier sur les appareils mobiles. L'optimisation de votre code et de vos modèles est cruciale.
• Compatibilité des appareils : Tous les appareils ne prennent pas en charge WebXR ou ne disposent pas des capacités de détection de profondeur nécessaires pour l'occlusion. Vous devez tenir compte de la compatibilité des appareils lors de la conception de votre application et proposer des options de repli pour les appareils non pris en charge.
• Expérience utilisateur : La conception d'une expérience utilisateur confortable et intuitive en WebXR nécessite une attention particulière. Évitez de provoquer le mal des transports et assurez-vous que les utilisateurs peuvent naviguer facilement dans l'environnement virtuel.
• Facteurs environnementaux : Le suivi à l'échelle d'une pièce repose sur les informations visuelles de l'environnement. Un mauvais éclairage, des espaces encombrés ou des surfaces réfléchissantes peuvent avoir un impact négatif sur la précision du suivi. De même, les performances de l'occlusion peuvent être affectées par la qualité du capteur de profondeur et la complexité de la scène.
• Préoccupations en matière de confidentialité : La technologie de détection de profondeur soulève des préoccupations en matière de confidentialité, car elle peut potentiellement capturer des informations détaillées sur l'environnement de l'utilisateur. Il est important d'être transparent sur la manière dont les données de profondeur sont utilisées et de donner aux utilisateurs le contrôle de leurs paramètres de confidentialité.

Optimisation pour un public mondial

Lors du développement d'expériences WebXR pour un public mondial, il est important de prendre en compte les éléments suivants :

• Localisation : Traduisez le texte et l'audio en plusieurs langues pour atteindre un public plus large. Envisagez d'utiliser un service comme Transifex ou Lokalise.
• Accessibilité : Concevez votre application pour qu'elle soit accessible aux utilisateurs handicapés. Fournissez des méthodes de saisie alternatives, des sous-titres et des descriptions audio. Consultez les directives WCAG.
• Sensibilité culturelle : Évitez les stéréotypes culturels ou les images qui pourraient être offensantes pour certains utilisateurs. Renseignez-vous sur les normes et préférences culturelles dans différentes régions.
• Connectivité réseau : Optimisez votre application pour les connexions à faible bande passante afin de garantir qu'elle puisse être utilisée dans les zones où l'accès à Internet est limité. Envisagez d'utiliser des réseaux de diffusion de contenu (CDN) pour servir les ressources depuis des serveurs plus proches de l'utilisateur.
• Disponibilité des appareils : Différents pays ont des niveaux d'accès différents au matériel XR. Envisagez de fournir des expériences alternatives pour les utilisateurs qui n'ont pas accès aux appareils les plus récents.
• Formats de date et d'heure : Utilisez des formats de date et d'heure internationaux pour éviter toute confusion. La norme ISO 8601 est généralement recommandée.
• Devises et unités de mesure : Permettez aux utilisateurs de choisir leur devise et leurs unités de mesure préférées.

L'avenir du WebXR et de l'informatique spatiale

Le WebXR et l'informatique spatiale n'en sont qu'à leurs débuts, mais ils ont le potentiel de transformer la façon dont nous interagissons avec le web et le monde qui nous entoure. À mesure que le matériel et les logiciels continuent de s'améliorer, nous pouvons nous attendre à voir émerger des expériences WebXR encore plus immersives et interactives.

Les principales tendances à surveiller sont les suivantes :

• Précision de suivi améliorée : Les progrès de la technologie des capteurs et des algorithmes conduiront à un suivi à l'échelle d'une pièce plus précis et plus robuste.
• Occlusion plus réaliste : Des techniques de détection de profondeur plus sophistiquées permettront une occlusion plus réaliste et transparente des objets virtuels.
• Graphismes et performances améliorés : Les améliorations de WebGL et WebAssembly permettront des expériences WebXR plus complexes et visuellement époustouflantes.
• Accessibilité accrue : Le WebXR deviendra plus accessible à un plus large éventail d'appareils et d'utilisateurs, grâce aux avancées du développement multiplateforme et des fonctionnalités d'accessibilité.
• Adoption plus large : À mesure que la technologie mûrit et devient plus abordable, le WebXR sera adopté par un plus large éventail d'industries et d'applications.

Conclusion

Le suivi à l'échelle d'une pièce et l'occlusion sont des outils puissants pour créer des expériences WebXR véritablement immersives et interactives. En comprenant et en exploitant ces technologies, les développeurs peuvent créer des applications convaincantes qui brouillent les frontières entre les mondes physique et numérique. À mesure que WebXR continue d'évoluer, nous pouvons nous attendre à voir émerger des applications encore plus innovantes et passionnantes, transformant notre façon d'apprendre, de travailler et de jouer.

Adoptez ces technologies et commencez à construire l'avenir du web dès aujourd'hui !