WebXR空間座標エンジン：座標系管理のマスター

WebXRは、ブラウザで直接、没入型でインタラクティブな拡張現実（AR）および仮想現実（VR）体験を構築するための驚異的な可能性を提供します。堅牢で正確なXRアプリケーションを開発する上での基本的な側面は、空間座標エンジンを理解し管理することです。このブログ記事では、WebXRの座標系に関する包括的なガイドを提供し、参照空間、座標変換、そして世界中のユーザーに向けて魅力的なXR体験を創造するためのベストプラクティスについて解説します。

WebXR座標系の理解

WebXRの中核は、三次元のデカルト座標系に依存しています。このシステムは、空間内のオブジェクトの位置と向きを定義するために3つの軸（X、Y、Z）を使用します。これらの軸がどのように定義され、WebXRがそれらをどのように使用するかを理解することは、正確で直感的なXR体験を構築するために不可欠です。

• X軸：通常は水平軸を表し、正の値は右方向に伸びます。
• Y軸：通常は垂直軸を表し、正の値は上方向に伸びます。
• Z軸：奥行き軸を表し、正の値はビューワー（見る人）に向かって伸びます。注意点として、一部の規約（OpenGLなど）ではZ軸はビューワーから*遠ざかる*方向に伸びますが、WebXRは通常、その逆の規約を使用します。

原点（0, 0, 0）は、3つの軸すべてが交差する点です。XRシーン内のすべての位置と向きは、この原点を基準として定義されます。

座標系の利き手（Handedness）

WebXRは通常、右手座標系を使用します。右手座標系では、右手の指を正のX軸から正のY軸に向かって丸めると、親指が正のZ軸の方向を指します。この規約は、計算や変換を行う際に覚えておくことが重要です。

参照空間：空間理解の基礎

参照空間は、WebXRにおける空間理解の基盤です。これらはXRシーン内のオブジェクトの位置と向きを解釈するためのコンテキストを提供します。各参照空間は独自の座標系を定義し、開発者が仮想コンテンツを異なる基準点に固定（アンカー）することを可能にします。

WebXRは、それぞれが特定の目的を果たすいくつかのタイプの参照空間を定義しています：

• ビューワー参照空間（Viewer Reference Space）：この参照空間は、ビューワーの頭部にアタッチされます。その原点は通常、ユーザーの両目の間に位置します。ユーザーが頭を動かすと、ビューワー参照空間も一緒に動きます。これは、ヘッズアップディスプレイ（HUD）のような頭部に固定されたコンテンツを作成するのに役立ちます。
• ローカル参照空間（Local Reference Space）：ローカル参照空間は、ユーザーの開始位置に固定されます。ユーザーが動き回っても、現実世界の環境に対して固定されたままです。これは、仮想オブジェクトをユーザーの物理空間の特定の位置に固定し続ける必要がある体験を作成するのに理想的です。例えば、現実世界のテーブルに置かれた仮想の植物を想像してみてください。ローカル参照空間はその植物をその場所に保ちます。
• 有界参照空間（Bounded Reference Space）：ローカル参照空間に似ていますが、XR体験が動作するように設計された境界または体積も定義します。これにより、ユーザーが安全で管理されたエリア内にとどまることが保証されます。これは、ルームスケールのVR体験にとって特に重要です。
• 無界参照空間（Unbounded Reference Space）：この参照空間には、事前に定義された境界がありません。ユーザーは、潜在的に無限の仮想環境内を自由に動き回ることができます。これは、フライトシミュレーターや広大な仮想風景を探索するようなVR体験で一般的です。
• トラッキング参照空間（Tracking Reference Space）：これは最も基本的な空間です。ハードウェアが追跡したポーズ（姿勢）を直接反映します。通常、これを直接操作することはありませんが、他の参照空間はこれを基に構築されます。

適切な参照空間の選択

適切な参照空間を選択することは、望ましいXR体験を創造するために不可欠です。決定を下す際には、以下の要素を考慮してください：

• 移動性：ユーザーは現実世界で動き回りますか？もしそうなら、ビューワー参照空間よりもローカルまたは有界参照空間の方が適しているかもしれません。
• 固定（アンカリング）：仮想オブジェクトを現実世界の特定の位置に固定する必要がありますか？もしそうなら、ローカル参照空間が最良の選択です。
• スケール：XR体験のスケールはどのくらいですか？体験が特定の物理空間向けに設計されている場合、有界参照空間が重要になります。
• ユーザーの快適性：選択した参照空間が、ユーザーの予想される動きやインタラクションと一致していることを確認してください。小さなプレイスペースで無界参照空間を使用すると、不快感を引き起こす可能性があります。

例えば、ユーザーがリビングルームに仮想の家具を配置できるARアプリケーションを構築していると想像してください。ローカル参照空間は、ユーザーが部屋を動き回っても仮想の家具が元の位置に固定されたままになるため、完璧な選択です。

座標変換：空間間のギャップを埋める

座標変換は、異なる参照空間間で位置と向きを変換するために不可欠です。これにより、ユーザーの動きや選択した参照空間に関係なく、XRシーン内に仮想オブジェクトを正しく配置および配向できます。これは、異なる言語間で翻訳するようなものです。座標変換によって、WebXRは物事がどの「言語」（参照空間）で記述されていても、それがどこにあるかを理解できます。

WebXRは、座標変換を表現するために変換行列を使用します。変換行列は、ある座標系から別の座標系へ点を変換するために必要な平行移動、回転、拡大縮小をエンコードする4x4の行列です。

変換行列の理解

変換行列は、いくつかの操作を単一の行列に結合します：

• 平行移動（Translation）：オブジェクトをX、Y、Z軸に沿って移動させます。
• 回転（Rotation）：オブジェクトをX、Y、Z軸周りに回転させます。これは内部的にクォータニオンで表現されることが多いですが、最終的には全体の変換行列内の回転行列成分に解決されます。
• 拡大縮小（Scale）：オブジェクトのサイズをX、Y、Z軸に沿って変更します。

点の座標（4Dベクトルとして表現）に変換行列を乗算することで、新しい座標系での変換後の座標を得ることができます。多くのWebXR APIは行列の乗算を自動的に処理してくれますが、高度なシナリオでは、その背後にある数学を理解することが不可欠です。

WebXRでの変換の適用

WebXRは、変換を取得および適用するためのいくつかのメソッドを提供します：

• XRFrame.getViewerPose()：指定された参照空間におけるビューワーのポーズ（位置と向き）を返します。これにより、特定の基準点に対するビューワーの位置を決定できます。
• XRFrame.getPose()：指定された参照空間におけるXRInputSource（例：コントローラー）またはXRAnchorのポーズを返します。これは、コントローラーやその他の追跡対象オブジェクトの位置と向きを追跡するために不可欠です。
• 行列ライブラリの使用：gl-matrix (https://glmatrix.net/) のようなライブラリは、変換行列の作成、操作、適用を行う関数を提供します。これらのライブラリは、複雑な変換を実行するプロセスを簡素化します。

例えば、ユーザーの頭の1メートル前に仮想オブジェクトを配置するには、まずXRFrame.getViewerPose()を使用してビューワーのポーズを取得します。次に、オブジェクトをビューワー参照空間のZ軸に沿って1メートル平行移動させる変換行列を作成します。最後に、この変換をオブジェクトの位置に適用して、正しい場所に配置します。

例：gl-matrixによる座標変換

以下は、gl-matrixを使用して座標を変換する簡単なJavaScriptの例です：

// gl-matrix関数をインポート
import { mat4, vec3 } from 'gl-matrix';

// ローカル空間内の点を定義
const localPoint = vec3.fromValues(1, 2, 3); // X, Y, Z座標

// 変換行列を作成（例：(4, 5, 6)で平行移動）
const transformMatrix = mat4.create();
mat4.translate(transformMatrix, transformMatrix, vec3.fromValues(4, 5, 6));

// 変換後の点を格納するベクトルを作成
const worldPoint = vec3.create();

// 変換を適用
vec3.transformMat4(worldPoint, localPoint, transformMatrix);

// worldPointには変換後の座標が格納される
console.log("変換後の点：", worldPoint);

WebXRにおける座標系管理のベストプラクティス

効果的な座標系管理は、正確で、安定し、直感的なXR体験を作成するために不可欠です。以下に、従うべきベストプラクティスをいくつか示します：

• 適切な参照空間を選択する：各参照空間の特性を慎重に検討し、アプリケーションのニーズに最も適したものを選択してください。
• 参照空間の切り替えを最小限にする：参照空間を頻繁に切り替えると、パフォーマンスのオーバーヘッドや潜在的な不正確さが生じる可能性があります。アプリケーションでの参照空間の切り替え回数を最小限に抑えるようにしてください。
• 変換行列を効率的に使用する：変換行列は計算コストが高いです。不要な変換の作成や適用を避けてください。可能な限り変換行列をキャッシュして、パフォーマンスを向上させましょう。
• 座標系の違いに対処する：異なるXRデバイスやライブラリ間での座標系の規約の違いに注意してください。アプリケーションがこれらの違いを正しく処理するようにしてください。例えば、一部の古いシステムやコンテンツは左手座標系を使用している場合があります。
• 徹底的にテストする：異なるXRデバイスや環境でアプリケーションを徹底的にテストし、座標系が正しく機能していることを確認してください。正確性、安定性、パフォーマンスに注意を払いましょう。
• ポーズ表現を理解する：WebXRのポーズ（XRPose）には、位置と向き（クォータニオン）の両方が含まれています。両方のコンポーネントを正しく抽出し、使用していることを確認してください。開発者はしばしば、ポーズには位置データ*のみ*が含まれていると誤解しがちです。
• レイテンシーを考慮する：XRデバイスには固有のレイテンシーがあります。このレイテンシーを補い、安定性を向上させるためにポーズを予測するように試みてください。WebXR Device APIはポーズを予測するメソッドを提供しており、これにより知覚されるラグを減らすことができます。
• ワールドスケールを維持する：ワールドスケールを一貫して保ってください。シーン内のオブジェクトを任意にスケーリングすることは避けてください。これはレンダリングのアーティファクトやパフォーマンスの問題につながる可能性があります。仮想単位と現実世界の単位の間で1:1のマッピングを維持するように努めてください。

よくある落とし穴とその回避方法

WebXRで座標系を扱うのは難しく、間違いを犯しやすいです。以下に、よくある落とし穴とその回避方法をいくつか示します：

• 行列乗算の順序が間違っている：行列の乗算は可換ではないため、行列を乗算する順序が重要です。望ましい変換を達成するために、常に行列を正しい順序で乗算していることを確認してください。通常、変換は拡大縮小、回転、平行移動（SRT）の順に適用されます。
• ローカル座標とワールド座標の混同：ローカル座標（オブジェクト自身の座標系を基準とした座標）とワールド座標（シーンのグローバル座標系を基準とした座標）を区別することが重要です。各操作で正しい座標系を使用していることを確認してください。
• 座標系の利き手を無視する：前述の通り、WebXRは通常、右手座標系を使用します。しかし、一部のコンテンツやライブラリは左手座標系を使用している場合があります。これらの違いに注意し、適切に対処してください。
• 目の高さを考慮しない：ビューワー参照空間を使用する場合、原点は通常、ユーザーの両目の間に位置します。オブジェクトをユーザーの目の高さに配置したい場合は、ユーザーの目の高さを考慮する必要があります。XRFrame.getViewerPose()によって返されるXREyeオブジェクトがこの情報を提供できます。
• ドリフトの蓄積：AR体験では、時間の経過とともにトラッキングがドリフトし、仮想オブジェクトが現実世界とずれてしまうことがあります。ドリフトを軽減し、位置合わせを維持するために、ループクロージャーやVisual-Inertial Odometry（VIO）などの技術を実装してください。

高度なトピック：アンカーと空間マッピング

基本的な座標変換を超えて、WebXRは空間理解のためのより高度な機能を提供します：

• アンカー（Anchors）：アンカーを使用すると、仮想オブジェクトと現実世界の間に永続的な空間的関係を作成できます。アンカーは、システムが環境に対して固定を試みる空間内の点です。デバイスが一時的にトラッキングを失っても、トラッキングが回復したときにアンカーは再配置を試みます。これは、ユーザーが動き回ったり、デバイストラッキングが中断されたりしても、仮想オブジェクトを特定の物理的な場所に固定し続ける必要がある体験を作成するのに役立ちます。
• 空間マッピング（Spatial Mapping）：空間マッピング（シーン理解またはワールドトラッキングとも呼ばれます）により、システムはユーザーの環境の3D表現を作成できます。この表現は、現実世界のオブジェクトの背後にある仮想オブジェクトをオクルージョン（遮蔽）したり、仮想オブジェクトと現実世界のオブジェクト間の物理インタラクションを可能にしたり、より没入感のある信憑性の高いXR体験を提供したりするために使用できます。空間マッピングは普遍的にサポートされているわけではなく、特定のハードウェア機能が必要です。

永続的な空間関係のためのアンカーの使用

アンカーを作成するには、まずアンカーの目的の場所を表すXRFrameとXRPoseを取得する必要があります。次に、XRFrame.createAnchor()メソッドを呼び出し、XRPoseを渡します。このメソッドは、新しく作成されたアンカーを表すXRAnchorオブジェクトを返します。

以下のコードスニペットは、アンカーを作成する方法を示しています：

// XRFrameとXRPoseを取得
const pose = frame.getPose(hitTestResult.localPose, localReferenceSpace);

// アンカーを作成
const anchor = frame.createAnchor(pose);

// エラーを処理
if (!anchor) {
  console.error("アンカーの作成に失敗しました。");
  return;
}

// アンカーが作成され、その位置を維持しようとします
// 現実世界に対して。

グローバルなアクセシビリティに関する考慮事項

世界中のユーザー向けにWebXR体験を設計する際には、アクセシビリティを考慮することが不可欠です。これには、次のような要素が含まれます：

• 言語サポート：すべてのテキストおよび音声コンテンツに翻訳を提供します。
• 文化的な配慮：文化的な違いに注意し、特定の文化で不快または不適切と見なされる可能性のある画像や言葉の使用を避けます。
• 入力方法：コントローラー、音声コマンド、視線ベースのインタラクションなど、さまざまな入力方法をサポートします。
• 乗り物酔い：急激または不快な動きを避け、安定した基準フレームを提供し、ユーザーが視野角を調整できるようにすることで、乗り物酔いを最小限に抑えます。
• 視覚障害：テキストやその他の視覚要素のサイズとコントラストを調整するオプションを提供します。追加情報を提供するために音声キューを使用することを検討してください。
• 聴覚障害：すべての音声コンテンツにキャプションまたはトランスクリプトを提供します。追加情報を提供するために視覚的なキューを使用することを検討してください。

結論

座標系管理をマスターすることは、魅力的で正確なWebXR体験を構築するための基本です。参照空間、座標変換、およびベストプラクティスを理解することで、世界中のユーザーにとって没入型で直感的なXRアプリケーションを作成できます。WebXRテクノロジーが進化し続けるにつれて、これらのコアコンセプトの確かな理解は、没入型ウェブ体験の限界を押し広げようとする開発者にとってさらに重要になるでしょう。

このブログ記事では、WebXRにおける座標系管理の包括的な概要を説明しました。ここで説明した概念や技術を試してみて、詳細についてはWebXR APIのドキュメントを調べることをお勧めします。これらの原則を取り入れることで、WebXRの可能性を最大限に引き出し、世界中のユーザーのために真に変革的なXR体験を創造することができます。