Naršymas WebXR erdvėje: koordinačių sistemų valdymo įvaldymas įtraukiančioms patirtims

WebXR atveria duris į įtraukiančių patirčių kūrimą, ištrindama ribas tarp skaitmeninio ir fizinio pasaulių. Šios technologijos pagrindas yra koordinačių sistemų koncepcija. Šių sistemų supratimas ir efektyvus valdymas yra gyvybiškai svarbus kuriant tikslias, intuityvias ir patrauklias WebXR programas.

Kodėl koordinačių sistemos yra svarbios WebXR

Įsivaizduokite, kad kuriate virtualų muziejų. Norite, kad vartotojai tyrinėtų eksponatus, tiksliai išdėstytus virtualioje erdvėje. O gal kuriate papildytos realybės programėlę, kuri skaitmeninį turinį uždeda ant realaus pasaulio. Abiem atvejais jums reikia būdo apibrėžti objektų padėtį bei orientaciją ir sekti vartotojo judėjimą. Čia į pagalbą ateina koordinačių sistemos. Jos suteikia pagrindą erdviniams ryšiams jūsų WebXR scenoje apibrėžti.

Be tvirto koordinačių sistemų išmanymo, susidursite su tokiomis problemomis kaip:

• Neteisingas objektų išdėstymas: Objektai atsiranda neteisingoje vietoje ar yra neteisingai pasukti.
• Nestabilus sekimas: Virtualūs objektai dreifuoja arba trūkčioja realaus pasaulio atžvilgiu.
• Nenuosekli vartotojo patirtis: Skirtinguose įrenginiuose ar aplinkose scena suvokiama nevienodai.

Pagrindinės koordinačių erdvės WebXR

WebXR naudoja kelias pagrindines koordinačių erdves, kurių kiekviena atlieka tam tikrą funkciją. Suprasti ryšį tarp šių erdvių yra būtina norint tiksliai sekti erdvę ir išdėstyti objektus.

1. Pasaulio erdvė (arba globali erdvė)

Pasaulio erdvė yra pagrindinė visos jūsų WebXR scenos koordinačių sistema. Tai yra galutinis atskaitos taškas, kurio atžvilgiu yra pozicionuojami visi kiti objektai ir erdvės. Galvokite apie ją kaip apie absoliutų inkarą viskam, kas yra jūsų virtualiame ar papildytame pasaulyje.

Pagrindinės pasaulio erdvės savybės:

• Statiška: Pati pasaulio erdvė nejuda ir nesisuka.
• Pradžios taškas (0, 0, 0): Pasaulio erdvės pradžios taškas yra centrinis atskaitos taškas visoms koordinatėms.
• Didelis mastelis: Pasaulio erdvė paprastai apima daug didesnį plotą nei kitos koordinačių erdvės.

Panaudojimo pavyzdys: Įsivaizduokite, kad kuriate virtualią saulės sistemą. Saulė, planetos ir jų orbitos yra apibrėžtos pasaulio erdvės pradžios taško atžvilgiu. Saulės padėtis pasaulio erdvėje galėtų būti (0, 0, 0), o Žemės padėtis ir sukimasis būtų apibrėžti jos atžvilgiu. Galėtumėte pavaizduoti galaktiką, apimančią didžiulius atstumus jūsų virtualios aplinkos ribose.

2. Vietinė erdvė (arba objekto erdvė)

Vietinė erdvė yra koordinačių sistema, būdinga konkrečiam objektui. Ji apibrėžiama paties objekto pradžios taško atžvilgiu. Kiekvienas objektas jūsų scenoje turi savo vietinę erdvę, leidžiančią lengvai valdyti jo vidinę struktūrą ir transformacijas.

Pagrindinės vietinės erdvės savybės:

• Orientuota į objektą: Vietinės erdvės pradžios taškas paprastai yra objekto centras arba svarbus taškas.
• Nepriklausoma: Kiekvienas objektas turi savo nepriklausomą vietinę erdvę.
• Hierarchinė: Vietinės erdvės gali būti viena kitoje, sudarydamos hierarchinius ryšius (pvz., ranka prijungta prie rankos, kuri prijungta prie kūno).

Panaudojimo pavyzdys: Apsvarstykite virtualų automobilį. Jo vietinės erdvės pradžios taškas galėtų būti automobilio važiuoklės centre. Ratai, sėdynės ir vairas yra išdėstyti ir pasukti automobilio vietinės erdvės atžvilgiu. Kai judinate automobilį pasaulio erdvėje, visi jo komponentai juda kartu, nes jie yra automobilio vietinės erdvės transformacijos vaikai.

3. Atskaitos erdvė

Atskaitos erdvės yra itin svarbios norint sekti vartotojo padėtį ir orientaciją WebXR aplinkoje. Jos suteikia būdą nustatyti ryšį tarp fizinio ir virtualaus pasaulių. WebXR siūlo kelis atskaitos erdvių tipus, kiekvienas pritaikytas skirtingiems sekimo scenarijams.

Atskaitos erdvių tipai:

• Žiūrovo atskaitos erdvė: Atspindi vartotojo galvos padėtį ir orientaciją. Ji yra iš prigimties nestabili ir keičiasi su kiekvienu kadru, kai vartotojas judina galvą. Ji nėra ideali norint ilgam laikui išdėstyti objektus aplinkoje.
• Vietinė atskaitos erdvė: Suteikia stabilią sekimo erdvę, pririštą prie pradinės vartotojo padėties, kai pradedama WebXR sesija. Ji tinka patirtims, kai vartotojas lieka nedideliame plote (pvz., sėdima VR).
• Apribota atskaitos erdvė: Panaši į vietinę atskaitos erdvę, bet apibrėžia konkrečią ribą (pvz., stačiakampį plotą), kurioje tikimasi, kad vartotojas judės. Naudinga kambario mastelio VR patirtims.
• Neapribota atskaitos erdvė: Leidžia vartotojui laisvai judėti sekimo erdvėje be jokių dirbtinių ribų. Idealiai tinka patirtims, kai vartotojas gali vaikščioti didesnėje erdvėje ar tyrinėti virtualią aplinką toliau nei artimiausia aplinka.
• Grindų lygio atskaitos erdvė: Pririša sekimo erdvę prie grindų. Tai naudinga papildytoje realybėje, kad objektai atrodytų esantys ant žemės, nepriklausomai nuo vartotojo įrenginio aukščio.

Tinkamos atskaitos erdvės pasirinkimas: Atskaitos erdvės pasirinkimas priklauso nuo konkrečių jūsų WebXR programos reikalavimų. Apsvarstykite šiuos veiksnius:

• Sekimo stabilumas: Kiek stabilus turi būti sekimas? Norint tiksliai išdėstyti objektus, reikės stabilesnės atskaitos erdvės.
• Vartotojo judėjimas: Kiek judėjimo laisvės turės vartotojas? Pasirinkite atskaitos erdvę, kuri atitiktų numatomą judėjimo diapazoną.
• Programos tipas: Ar tai sėdima VR patirtis, kambario mastelio AR programa, ar kažkas kita?

Pavyzdys: AR programai, kuri virtualų kavos puodelį padeda ant realaus stalo, greičiausiai naudotumėte grindų lygio atskaitos erdvę. Tai užtikrina, kad puodelis liks ant stalo net vartotojui judant.

Koordinačių sistemos transformacijos: sujungiant erdves

Darbas su keliomis koordinačių sistemomis reikalauja gebėjimo transformuoti objektus tarp jų. Tai apima objektų perkėlimą (transliaciją) ir sukimą iš vienos erdvės į kitą. Suprasti šias transformacijas yra gyvybiškai svarbu norint tiksliai išdėstyti objektus ir juos sekti.

Pagrindinės transformacijos:

• Iš vietinės į pasaulio erdvę: Konvertuoja koordinates iš objekto vietinės erdvės į pasaulio erdvę. Tai naudojama norint nustatyti absoliučią objekto padėtį scenoje.
• Iš pasaulio į vietinę erdvę: Konvertuoja koordinates iš pasaulio erdvės į objekto vietinę erdvę. Tai naudinga norint nustatyti kito objekto padėtį nagrinėjamo objekto atžvilgiu.
• Iš atskaitos erdvės į pasaulio erdvę: Konvertuoja koordinates iš atskaitos erdvės (pvz., sekamos vartotojo padėties) į pasaulio erdvę. Tai leidžia pozicionuoti objektus vartotojo atžvilgiu.
• Iš pasaulio į atskaitos erdvę: Konvertuoja koordinates iš pasaulio erdvės į atskaitos erdvę. Tai naudinga norint nustatyti, kur jūsų pasaulio objektas yra dabartinės vartotojo padėties atžvilgiu.

Transformacijos matricos: Praktiškai koordinačių sistemos transformacijos paprastai vaizduojamos naudojant transformacijos matricas. Tai yra 4x4 matricos, kurios koduoja tiek perkėlimo, tiek sukimo informaciją. WebXR bibliotekos, tokios kaip Three.js ir Babylon.js, teikia funkcijas transformacijos matricoms kurti ir taikyti.

Pavyzdys (konceptualus):

Tarkime, turite virtualią gėlę pasaulio erdvėje, kurios padėtis yra žinoma. Norite ją pritvirtinti prie vartotojo rankos, sekamos naudojant `viewer` atskaitos erdvę. Veiksmai būtų tokie:

1. Gauti transformacijos matricą iš pasaulio erdvės pradžios taško į žiūrovo atskaitos erdvę.
2. Apversti tą matricą, kad gautumėte transformaciją iš žiūrovo atskaitos erdvės į pasaulio erdvę.
3. Gauti transformacijos matricą, atspindinčią gėlės padėtį pasaulio erdvėje.
4. Padauginti žiūrovo-į-pasaulį matricą iš gėlės pasaulio padėties matricos. Tai duos gėlės padėtį žiūrovo atžvilgiu.
5. Galiausiai, pakoreguoti gėlės padėtį rankos atžvilgiu pridedant vietinį poslinkį rankos vietinėje koordinačių erdvėje.

Šis pavyzdys parodo transformacijų grandinę, reikalingą objektui pozicionuoti dinamiškai sekamos atskaitos erdvės, pavyzdžiui, žiūrovo galvos ar rankos, atžvilgiu.

Praktiniai pavyzdžiai ir kodo fragmentai

Iliustruokime šias koncepcijas kodo pavyzdžiais naudojant Three.js, populiarią JavaScript biblioteką 3D grafikai.

1 pavyzdys: Objekto išdėstymas pasaulio erdvėje

Šis kodo fragmentas parodo, kaip sukurti kubą ir jį pozicionuoti pasaulio erdvėje:

// Create a cube geometry
const geometry = new THREE.BoxGeometry( 1, 1, 1 );
// Create a material
const material = new THREE.MeshBasicMaterial( { color: 0x00ff00 } );
// Create a mesh (cube)
const cube = new THREE.Mesh( geometry, material );

// Set the cube's position in world space
cube.position.set( 2, 1, -3 ); // X, Y, Z coordinates

// Add the cube to the scene
scene.add( cube );

Šiame pavyzdyje kubo `position` savybė yra `THREE.Vector3`, atspindinti jo koordinates pasaulio erdvėje. `set()` metodas naudojamas norimoms X, Y ir Z koordinatėms priskirti.

2 pavyzdys: Vietinės hierarchijos kūrimas

Šis kodas parodo, kaip sukurti tėvinį-vaikinį ryšį tarp dviejų objektų, sukuriant vietinę hierarchiją:

// Create a parent object (e.g., a sphere)
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 );

// Create a child object (e.g., a 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 );

// Set the child's position relative to the parent (in parent's local space)
child.position.set( 1.5, 0, 0 );

// Add the child to the parent
parent.add( child );

// Rotate the parent, and the child will rotate around it
parent.rotation.y += 0.01;

Čia `child` objektas pridedamas kaip `parent` objekto vaikas naudojant `parent.add(child)`. Vaiko `position` dabar interpretuojama kaip santykinė tėvinio objekto vietinės erdvės atžvilgiu. Sukant tėvinį objektą, suksis ir vaikas, išlaikydamas jų santykines pozicijas.

3 pavyzdys: Vartotojo padėties sekimas su atskaitos erdve

Šis kodas parodo, kaip gauti vartotojo pozą (padėtį ir orientaciją) naudojant atskaitos erdvę:

async function onSessionStarted( session ) {
  // Request a local reference space
  const referenceSpace = await session.requestReferenceSpace( 'local' );

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

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

      if ( pose ) {
        // Get the user's position
        const position = pose.transform.position;

        // Get the user's orientation (quaternion)
        const orientation = pose.transform.orientation;

        // Use the position and orientation to update the scene or objects.
        // For example, position a virtual object in front of the user:
        myObject.position.copy(position).add(new THREE.Vector3(0, 0, -2));
        myObject.quaternion.copy(orientation);

      }
    }
  });
}

Šis kodas gauna `ViewerPose` iš `XRFrame`, kuris pateikia vartotojo padėtį ir orientaciją nurodytos `referenceSpace` atžvilgiu. Tada `position` ir `orientation` gali būti naudojami scenai atnaujinti, pavyzdžiui, virtualiam objektui priešais vartotoją padėti.

Gerosios koordinačių sistemos valdymo praktikos

Norėdami užtikrinti tikslias ir patikimas WebXR patirtis, laikykitės šių gerųjų koordinačių sistemos valdymo praktikų:

• Pasirinkite tinkamą atskaitos erdvę: Atidžiai apsvarstykite savo programos sekimo reikalavimus ir pasirinkite tinkamą atskaitos erdvę. Naudojant netinkamą atskaitos erdvę gali kilti nestabilumas ir netikslus objektų išdėstymas.
• Supraskite hierarchiją: Naudokite vietines hierarchijas objektams organizuoti ir transformacijoms supaprastinti. Tai palengvina sudėtingų scenų valdymą ir ryšių tarp objektų palaikymą.
• Naudokite transformacijos matricas: Pasinaudokite transformacijos matricomis efektyviam koordinačių sistemos konvertavimui. WebXR bibliotekos teikia įrankius šioms matricoms kurti ir manipuliuoti.
• Kruopščiai testuokite: Testuokite savo programą skirtinguose įrenginiuose ir įvairiose aplinkose, kad užtikrintumėte nuoseklų veikimą. Koordinačių sistemos elgsena gali skirtis priklausomai nuo platformos.
• Tvarkykitės su sekimo praradimu: Įdiekite mechanizmus, skirtus sklandžiai tvarkytis su sekimo praradimu. Praradus sekimą, apsvarstykite galimybę sustabdyti sceną arba pateikti vartotojui vaizdinius signalus. Jei naudojate vietinę atskaitos erdvę, apsvarstykite galimybę paprašyti naujos atskaitos erdvės ir sklandžiai perkelti vartotoją.
• Atsižvelkite į vartotojo komfortą: Venkite staigių ar netikėtų vartotojo požiūrio taško pokyčių. Staigūs koordinačių sistemos pokyčiai gali sukelti dezorientaciją ir pykinimą.
• Atkreipkite dėmesį į mastelį: Sekite savo objektų ir visos scenos mastelį. Mastelio problemos gali sukelti vizualinius artefaktus ir netikslų erdvinį suvokimą. AR aplinkoje tikslus realaus pasaulio mastelio atvaizdavimas yra itin svarbus tikroviškumui.
• Naudokite derinimo įrankius: Naudokite WebXR derinimo įrankius (pvz., WebXR Device API emuliatorių) koordinačių sistemoms vizualizuoti ir transformacijoms sekti. Šie įrankiai gali padėti jums nustatyti ir išspręsti su koordinačių sistemos valdymu susijusias problemas.

Pažangios temos

Kelios atskaitos erdvės

Kai kurioms WebXR programoms gali būti naudinga vienu metu naudoti kelias atskaitos erdves. Pavyzdžiui, galite naudoti vietinę atskaitos erdvę bendram sekimui ir grindų lygio atskaitos erdvę objektams ant žemės dėti. Kelių atskaitos erdvių valdymas reikalauja kruopštaus koordinavimo ir transformacijos logikos.

Inkarai (Anchors)

WebXR inkarai suteikia būdą sukurti nuolatinius erdvinius ryšius tarp virtualių ir realaus pasaulio objektų. Inkarai ypač naudingi AR programose, kuriose norite užtikrinti, kad virtualūs objektai liktų fiksuoti vietoje realaus pasaulio atžvilgiu, net vartotojui judant. Galvokite apie inkarus kaip apie virtualaus objekto „prisegimą“ prie konkrečios vietos vartotojo aplinkoje.

Pavyzdys: Galėtumėte padėti inkarą ant realaus stalo ir prie to inkaro pritvirtinti virtualią lempą. Lempa tada liktų ant stalo, nepriklausomai nuo vartotojo judėjimo.

Pataikymo testavimas (Hit Testing)

Pataikymo testavimas leidžia nustatyti, ar spindulys (linija 3D erdvėje) kertasi su realaus pasaulio paviršiumi. Tai dažnai naudojama AR programose norint padėti virtualius objektus ant paviršių, kuriuos aptinka įrenginio jutikliai. Pataikymo testavimas yra būtinas kuriant interaktyvias AR patirtis, kuriose vartotojai gali manipuliuoti virtualiais objektais realiame pasaulyje.

Pavyzdys: Galėtumėte naudoti pataikymo testavimą, kad leistumėte vartotojui paliesti realaus pasaulio grindis ir toje vietoje padėti virtualų personažą.

Išvada

Koordinačių sistemos valdymo įvaldymas yra pagrindinis dalykas kuriant įtikinamas ir tikslias WebXR patirtis. Suprasdami skirtingus koordinačių erdvių tipus, įvaldę transformacijas ir laikydamiesi gerųjų praktikų, galite kurti įtraukiančias programas, kurios sklandžiai sujungia virtualų ir fizinį pasaulius.

WebXR technologijai toliau tobulėjant, atsiras naujų funkcijų ir galimybių. Nuolat sekdami naujausius pokyčius ir eksperimentuodami su skirtingomis technikomis, galėsite peržengti įtraukiančių patirčių ribas ir kurti tikrai novatoriškas programas.

WebXR sparčiai populiarėja įvairiose pramonės šakose visame pasaulyje, nuo švietimo ir mokymų iki sveikatos apsaugos ir pramogų. Geras koordinačių sistemų supratimas bus itin svarbus ateities kūrėjams. Tarptautinių programų pavyzdžiai:

• Virtualus turizmas (visame pasaulyje): Leidžia vartotojams virtualiai tyrinėti pasaulio lankytinas vietas su tiksliu masteliu ir pozicionavimu.
• Nuotolinis bendradarbiavimas (tarptautinės komandos): Leidžia komandoms bendradarbiauti ties 3D modeliais bendroje virtualioje erdvėje, nepriklausomai nuo jų fizinės vietos.
• AR praturtintas švietimas (daugiakalbis): Interaktyvių 3D modelių uždėjimas ant vadovėlių, sukuriant įtraukiančias mokymosi patirtis, prieinamas keliomis kalbomis.
• Sveikatos apsaugos mokymai (visame pasaulyje): Gydytojų ir slaugytojų mokymas atlikti chirurgines procedūras naudojant realistiškas simuliacijas tiksliuose anatominiuose modeliuose.

Galimybės yra didžiulės. Susitelkdami į tvirtą erdvinį supratimą ir nuolatinį mokymąsi, galite sėkmingai naršyti įdomiame WebXR kūrimo pasaulyje.