Moteur de coordonnées spatiales WebXR : maîtriser la gestion du système de coordonnées

WebXR offre un potentiel incroyable pour créer des expériences de réalité augmentée et virtuelle immersives et interactives directement dans le navigateur. Un aspect fondamental du développement d'applications XR robustes et précises est la compréhension et la gestion du moteur de coordonnées spatiales. Cet article de blog fournit un guide complet sur le système de coordonnées de WebXR, couvrant les espaces de référence, les transformations de coordonnées et les meilleures pratiques pour créer des expériences XR captivantes pour un public mondial.

Comprendre le système de coordonnées WebXR

À la base, WebXR s'appuie sur un système de coordonnées cartésiennes tridimensionnelles. Ce système utilise trois axes (X, Y et Z) pour définir la position et l'orientation des objets dans l'espace. Comprendre comment ces axes sont définis et comment WebXR les utilise est crucial pour créer des expériences XR précises et intuitives.

• Axe X : Représente généralement l'axe horizontal, avec des valeurs positives s'étendant vers la droite.
• Axe Y : Représente habituellement l'axe vertical, avec des valeurs positives s'étendant vers le haut.
• Axe Z : Représente l'axe de la profondeur, avec des valeurs positives s'étendant vers le spectateur. Notez que dans certaines conventions (comme OpenGL), l'axe Z s'étend *à l'opposé* du spectateur ; cependant, WebXR utilise généralement la convention inverse.

L'origine (0, 0, 0) est le point où les trois axes se croisent. Toutes les positions et orientations dans la scène XR sont définies par rapport à cette origine.

Chiralité du système de coordonnées

WebXR utilise généralement un système de coordonnées droitier. Dans un système droitier, si vous enroulez les doigts de votre main droite de l'axe X positif vers l'axe Y positif, votre pouce pointera dans la direction de l'axe Z positif. Il est important de se souvenir de cette convention lors de l'exécution de calculs et de transformations.

Espaces de référence : le fondement de la compréhension spatiale

Les espaces de référence sont le socle de la compréhension spatiale en WebXR. Ils fournissent le contexte pour interpréter les positions et les orientations des objets dans la scène XR. Chaque espace de référence définit son propre système de coordonnées, permettant aux développeurs d'ancrer le contenu virtuel à différents points de référence.

WebXR définit plusieurs types d'espaces de référence, chacun servant un objectif spécifique :

• Espace de référence du spectateur (Viewer) : Cet espace de référence est attaché à la tête du spectateur. Son origine est généralement située entre les yeux de l'utilisateur. Lorsque l'utilisateur bouge la tête, l'espace de référence du spectateur se déplace avec lui. Ceci est utile pour créer du contenu verrouillé à la tête, comme un affichage tête haute (ATH).
• Espace de référence local : L'espace de référence local est ancré à la position de départ de l'utilisateur. Il reste fixe par rapport à l'environnement du monde réel, même lorsque l'utilisateur se déplace. C'est idéal pour créer des expériences où les objets virtuels doivent rester ancrés à un endroit spécifique dans l'espace physique de l'utilisateur. Imaginez une plante virtuelle placée sur une table du monde réel - un espace de référence local maintiendrait la plante à cet endroit.
• Espace de référence délimité (Bounded) : Similaire à l'espace de référence local, mais il définit également une limite ou un volume à l'intérieur duquel l'expérience XR est conçue pour fonctionner. Cela aide à garantir que l'utilisateur reste dans une zone sûre et contrôlée. C'est particulièrement important pour les expériences de RV à l'échelle d'une pièce (room-scale).
• Espace de référence non délimité (Unbounded) : Cet espace de référence n'a pas de limites prédéfinies. Il permet à l'utilisateur de se déplacer librement dans un environnement virtuel potentiellement illimité. C'est courant dans les expériences de RV comme les simulateurs de vol ou l'exploration de vastes paysages virtuels.
• Espace de référence de suivi (Tracking) : C'est l'espace le plus fondamental. Il reflète directement la pose suivie par le matériel. En général, vous n'interagissez pas directement avec lui, mais les autres espaces de référence s'appuient dessus.

Choisir le bon espace de référence

La sélection de l'espace de référence approprié est cruciale pour créer l'expérience XR souhaitée. Tenez compte des facteurs suivants lors de votre décision :

• Mobilité : L'utilisateur se déplacera-t-il dans le monde réel ? Si c'est le cas, un espace de référence local ou délimité pourrait être plus approprié qu'un espace de référence du spectateur.
• Ancrage : Avez-vous besoin d'ancrer des objets virtuels à des emplacements spécifiques dans le monde réel ? Si oui, un espace de référence local est le meilleur choix.
• Échelle : Quelle est l'échelle de l'expérience XR ? Un espace de référence délimité est important si l'expérience est conçue pour un espace physique spécifique.
• Confort de l'utilisateur : Assurez-vous que l'espace de référence choisi correspond aux mouvements et interactions attendus de l'utilisateur. Utiliser un espace non délimité pour une petite zone de jeu pourrait entraîner un inconfort.

Par exemple, imaginez que vous construisez une application de RA qui permet aux utilisateurs de placer des meubles virtuels dans leur salon. Un espace de référence local serait le choix parfait, car il permettrait aux utilisateurs de se déplacer dans la pièce tandis que les meubles virtuels resteraient ancrés à leur emplacement d'origine.

Transformations de coordonnées : combler le fossé entre les espaces

Les transformations de coordonnées sont essentielles pour traduire les positions et les orientations entre différents espaces de référence. Elles vous permettent de positionner et d'orienter correctement les objets virtuels dans la scène XR, quels que soient les mouvements de l'utilisateur ou l'espace de référence choisi. Pensez-y comme à une traduction entre différentes langues : les transformations de coordonnées permettent à WebXR de comprendre où se trouvent les choses, peu importe la "langue" (l'espace de référence) dans laquelle elles sont décrites.

WebXR utilise des matrices de transformation pour représenter les transformations de coordonnées. Une matrice de transformation est une matrice 4x4 qui encode la translation, la rotation et l'échelle nécessaires pour transformer un point d'un système de coordonnées à un autre.

Comprendre les matrices de transformation

Une matrice de transformation combine plusieurs opérations en une seule matrice :

• Translation : Déplacer un objet le long des axes X, Y et Z.
• Rotation : Faire pivoter un objet autour des axes X, Y et Z. Ceci est souvent représenté par des quaternions en interne, mais se résout finalement en une composante de matrice de rotation au sein de la transformation globale.
• Échelle : Changer la taille d'un objet le long des axes X, Y et Z.

En multipliant les coordonnées d'un point (représentées par un vecteur 4D) par la matrice de transformation, vous pouvez obtenir les coordonnées transformées dans le nouveau système de coordonnées. De nombreuses API WebXR se chargeront de la multiplication matricielle pour vous, mais la compréhension des mathématiques sous-jacentes est cruciale pour les scénarios avancés.

Appliquer des transformations en WebXR

WebXR fournit plusieurs méthodes pour obtenir et appliquer des transformations :

• XRFrame.getViewerPose() : Renvoie la pose (position et orientation) du spectateur dans un espace de référence donné. Cela vous permet de déterminer la position du spectateur par rapport à un point de référence spécifique.
• XRFrame.getPose() : Renvoie la pose d'une XRInputSource (par exemple, une manette) ou d'un XRAnchor dans un espace de référence donné. C'est essentiel pour suivre la position et l'orientation des manettes et autres objets suivis.
• Utilisation de bibliothèques de matrices : Des bibliothèques comme gl-matrix (https://glmatrix.net/) fournissent des fonctions pour créer, manipuler et appliquer des matrices de transformation. Ces bibliothèques simplifient le processus de réalisation de transformations complexes.

Par exemple, pour positionner un objet virtuel à 1 mètre devant la tête de l'utilisateur, vous obtiendriez d'abord la pose du spectateur en utilisant XRFrame.getViewerPose(). Ensuite, vous créeriez une matrice de transformation qui translate l'objet de 1 mètre le long de l'axe Z de l'espace de référence du spectateur. Enfin, vous appliqueriez cette transformation à la position de l'objet pour le placer au bon endroit.

Exemple : Transformer des coordonnées avec gl-matrix

Voici un exemple JavaScript simplifié utilisant gl-matrix pour transformer une coordonnée :

// Importer les fonctions de gl-matrix
import { mat4, vec3 } from 'gl-matrix';

// Définir un point dans l'espace local
const localPoint = vec3.fromValues(1, 2, 3); // Coordonnées X, Y, Z

// Créer une matrice de transformation (exemple : translation de (4, 5, 6))
const transformMatrix = mat4.create();
mat4.translate(transformMatrix, transformMatrix, vec3.fromValues(4, 5, 6));

// Créer un vecteur pour stocker le point transformé
const worldPoint = vec3.create();

// Appliquer la transformation
vec3.transformMat4(worldPoint, localPoint, transformMatrix);

// worldPoint contient maintenant les coordonnées transformées
console.log("Point transformé :", worldPoint);

Meilleures pratiques pour la gestion du système de coordonnées en WebXR

Une gestion efficace du système de coordonnées est cruciale pour créer des expériences XR précises, stables et intuitives. Voici quelques meilleures pratiques à suivre :

• Choisir le bon espace de référence : Considérez attentivement les caractéristiques de chaque espace de référence et sélectionnez celui qui convient le mieux aux besoins de votre application.
• Minimiser les changements d'espace de référence : Changer fréquemment d'espace de référence peut entraîner une surcharge de performance et des imprécisions potentielles. Essayez de minimiser le nombre de changements d'espace de référence dans votre application.
• Utiliser les matrices de transformation efficacement : Les matrices de transformation sont coûteuses en calcul. Évitez de créer et d'appliquer des transformations inutiles. Mettez en cache les matrices de transformation chaque fois que possible pour améliorer les performances.
• Gérer les différences de système de coordonnées : Soyez conscient des différences potentielles dans les conventions de système de coordonnées entre les différents appareils et bibliothèques XR. Assurez-vous que votre application gère correctement ces différences. Par exemple, certains anciens systèmes ou contenus peuvent utiliser un système de coordonnées gaucher.
• Tester minutieusement : Testez minutieusement votre application sur différents appareils XR et dans différents environnements pour vous assurer que le système de coordonnées fonctionne correctement. Portez une attention particulière à la précision, la stabilité et les performances.
• Comprendre la représentation de la pose : Les poses WebXR (XRPose) contiennent à la fois une position et une orientation (un quaternion). Assurez-vous d'extraire et d'utiliser correctement les deux composantes. Souvent, les développeurs supposent à tort qu'une pose ne contient *que* des données de position.
• Tenir compte de la latence : Les appareils XR ont une latence inhérente. Essayez de prédire les poses pour compenser cette latence et améliorer la stabilité. L'API WebXR Device fournit des méthodes pour prédire les poses, ce qui peut aider à réduire le décalage perçu.
• Maintenir l'échelle du monde : Gardez l'échelle de votre monde cohérente. Évitez de mettre à l'échelle arbitrairement les objets de votre scène, car cela peut entraîner des artefacts de rendu et des problèmes de performance. Essayez de maintenir une correspondance 1:1 entre les unités virtuelles et celles du monde réel.

Pièges courants et comment les éviter

Travailler avec les systèmes de coordonnées en WebXR peut être difficile, et il est facile de commettre des erreurs. Voici quelques pièges courants et comment les éviter :

• Ordre de multiplication des matrices incorrect : La multiplication de matrices n'est pas commutative, ce qui signifie que l'ordre dans lequel vous multipliez les matrices a de l'importance. Assurez-vous toujours de multiplier les matrices dans le bon ordre pour obtenir la transformation souhaitée. Typiquement, les transformations sont appliquées dans l'ordre : Échelle, Rotation, Translation (SRT).
• Confondre les coordonnées locales et mondiales : Il est important de faire la distinction entre les coordonnées locales (coordonnées relatives au propre système de coordonnées d'un objet) et les coordonnées mondiales (coordonnées relatives au système de coordonnées global de la scène). Assurez-vous d'utiliser le bon système de coordonnées pour chaque opération.
• Ignorer la chiralité du système de coordonnées : Comme mentionné précédemment, WebXR utilise généralement un système de coordonnées droitier. Cependant, certains contenus ou bibliothèques peuvent utiliser un système de coordonnées gaucher. Soyez conscient de ces différences et gérez-les de manière appropriée.
• Ne pas tenir compte de la hauteur des yeux : Lors de l'utilisation d'un espace de référence du spectateur, l'origine est généralement située entre les yeux de l'utilisateur. Si vous souhaitez positionner un objet au niveau des yeux de l'utilisateur, vous devez tenir compte de la hauteur de ses yeux. Les objets XREye renvoyés par XRFrame.getViewerPose() peuvent fournir cette information.
• Accumulation de la dérive : Dans les expériences de RA, le suivi peut parfois dériver avec le temps, ce qui fait que les objets virtuels se désalignent avec le monde réel. Mettez en œuvre des techniques comme la fermeture de boucle (loop closure) ou l'odométrie visuelle-inertielle (VIO) pour atténuer la dérive et maintenir l'alignement.

Sujets avancés : ancres et cartographie spatiale

Au-delà des transformations de coordonnées de base, WebXR offre des fonctionnalités plus avancées pour la compréhension spatiale :

• Ancres (Anchors) : Les ancres vous permettent de créer des relations spatiales persistantes entre les objets virtuels et le monde réel. Une ancre est un point dans l'espace que le système tente de maintenir fixe par rapport à l'environnement. Même si l'appareil perd temporairement le suivi, l'ancre tentera de se relocaliser lorsque le suivi sera restauré. C'est utile pour créer des expériences où les objets virtuels doivent rester ancrés à des emplacements physiques spécifiques, même si l'utilisateur se déplace ou si le suivi de l'appareil est interrompu.
• Cartographie spatiale (Spatial Mapping) : La cartographie spatiale (également connue sous le nom de compréhension de scène ou de suivi du monde) permet au système de créer une représentation 3D de l'environnement de l'utilisateur. Cette représentation peut être utilisée pour occulter des objets virtuels derrière des objets du monde réel, permettre des interactions physiques entre les objets virtuels et réels, et offrir une expérience XR plus immersive et crédible. La cartographie spatiale n'est pas universellement prise en charge et nécessite des capacités matérielles spécifiques.

Utiliser des ancres pour des relations spatiales persistantes

Pour créer une ancre, vous devez d'abord obtenir un XRFrame et une XRPose qui représente l'emplacement souhaité pour l'ancre. Ensuite, vous pouvez appeler la méthode XRFrame.createAnchor(), en lui passant la XRPose. La méthode renvoie un objet XRAnchor, qui représente l'ancre nouvellement créée.

L'extrait de code suivant montre comment créer une ancre :

// Obtenir le XRFrame et la XRPose
const pose = frame.getPose(hitTestResult.localPose, localReferenceSpace);

// Créer l'ancre
const anchor = frame.createAnchor(pose);

// Gérer les erreurs
if (!anchor) {
  console.error("Échec de la création de l'ancre.");
  return;
}

// L'ancre est maintenant créée et tentera de maintenir sa
// position par rapport au monde réel.

Considérations sur l'accessibilité mondiale

Lors de la conception d'expériences WebXR pour un public mondial, il est crucial de prendre en compte l'accessibilité. Cela inclut des facteurs tels que :

• Support linguistique : Fournir des traductions pour tout le contenu textuel et audio.
• Sensibilité culturelle : Soyez attentif aux différences culturelles et évitez d'utiliser des images ou un langage qui pourraient être offensants ou inappropriés dans certaines cultures.
• Méthodes de saisie : Prendre en charge une variété de méthodes de saisie, y compris les manettes, les commandes vocales et l'interaction basée sur le regard.
• Mal des transports (cinétose) : Minimiser le mal des transports en évitant les mouvements rapides ou brusques, en fournissant un cadre de référence stable et en permettant aux utilisateurs d'ajuster le champ de vision.
• Déficiences visuelles : Fournir des options pour ajuster la taille et le contraste du texte et des autres éléments visuels. Envisager d'utiliser des signaux sonores pour fournir des informations supplémentaires.
• Déficiences auditives : Fournir des sous-titres ou des transcriptions pour tout le contenu audio. Envisager d'utiliser des signaux visuels pour fournir des informations supplémentaires.

Conclusion

La maîtrise de la gestion du système de coordonnées est fondamentale pour créer des expériences WebXR captivantes et précises. En comprenant les espaces de référence, les transformations de coordonnées et les meilleures pratiques, vous pouvez créer des applications XR à la fois immersives et intuitives pour les utilisateurs du monde entier. Alors que la technologie WebXR continue d'évoluer, une solide compréhension de ces concepts de base deviendra encore plus essentielle pour les développeurs cherchant à repousser les limites des expériences web immersives.

Cet article de blog a fourni un aperçu complet de la gestion du système de coordonnées en WebXR. Nous vous encourageons à expérimenter avec les concepts et les techniques abordés ici et à explorer la documentation de l'API WebXR pour plus d'informations. En adoptant ces principes, vous pouvez libérer tout le potentiel de WebXR et créer des expériences XR véritablement transformatrices pour un public mondial.