WebXR atskaitos erdvės transformacijų supratimas: išsami koordinačių sistemų analizė

WebXR atveria duris neįtikėtinoms virtualios ir papildytos realybės patirtims kurti tiesiog naršyklėje. Tačiau, norint įvaldyti WebXR, būtinas tvirtas atskaitos erdvių ir koordinačių transformacijų supratimas. Šis vadovas pateikia išsamią šių koncepcijų apžvalgą, suteikiančią galimybę kurti įtraukiančias ir tikslias VR/AR programas.

Kas yra WebXR atskaitos erdvės?

Realiame pasaulyje mes bendrai suprantame, kur kas yra. Tačiau virtualiame pasaulyje mums reikia būdo apibrėžti koordinačių sistemą, kuri susietų virtualius objektus su vartotoju ir aplinka. Būtent čia pasitarnauja atskaitos erdvės. Atskaitos erdvė apibrėžia virtualaus pasaulio pradžios tašką ir orientaciją, suteikdama pagrindą virtualiems objektams pozicionuoti ir vartotojo judėjimui sekti.

Pagalvokite apie tai taip: įsivaizduokite, kad kam nors apibūdinate žaislinio automobilio vietą. Galėtumėte pasakyti: „Jis yra dvi pėdos priešais tave ir viena pėda į tavo kairę.“ Jūs netiesiogiai apibrėžėte atskaitos erdvę, kurios centre yra klausytojas. WebXR atskaitos erdvės suteikia panašius atramos taškus jūsų virtualiai scenai.

WebXR atskaitos erdvių tipai

WebXR siūlo keletą atskaitos erdvių tipų, kurių kiekvienas turi savo ypatybes ir pritaikymo atvejus:

• Žiūrovo erdvė (Viewer Space): Ši erdvė yra centruota vartotojo akių atžvilgiu. Tai gana nestabili erdvė, nes ji nuolat keičiasi su vartotojo galvos judesiais. Ji geriausiai tinka turiniui, pririštam prie galvos, pavyzdžiui, informaciniam ekranui (HUD).
• Vietinė erdvė (Local Space): Ši erdvė suteikia stabilų, su ekranu susietą vaizdą. Pradžios taškas yra fiksuotas ekrano atžvilgiu, tačiau vartotojas vis dar gali judėti erdvėje. Ji naudinga sėdimoms ar stacionarioms patirtims.
• Vietinė grindų erdvė (Local Floor Space): Panaši į vietinę erdvę, tačiau pradžios taškas yra ant grindų. Tai idealiai tinka kuriant patirtis, kuriose vartotojas stovi ir vaikšto ribotoje erdvėje. Pradinis aukštis virš grindų paprastai nustatomas pagal vartotojo įrenginio kalibravimą, o WebXR sistema stengiasi išlaikyti šį pradžios tašką ant grindų.
• Ribota grindų erdvė (Bounded Floor Space): Tai išplečia vietinę grindų erdvę, apibrėždama ribotą plotą (daugiakampį), kuriame vartotojas gali judėti. Tai naudinga norint apsaugoti vartotojus nuo išėjimo už sekimo zonos ribų, kas ypač svarbu erdvėse, kuriose reali fizinė aplinka nebuvo kruopščiai suplanuota.
• Neribota erdvė (Unbounded Space): Ši erdvė neturi ribų ir leidžia vartotojui laisvai judėti realiame pasaulyje. Ji tinka didelio masto VR patirtims, pavyzdžiui, vaikščiojimui po virtualų miestą. Tačiau tam reikalinga patikimesnė sekimo sistema. Ji dažnai naudojama AR programose, kur vartotojas gali laisvai judėti realiame pasaulyje, matydamas virtualius objektus, uždėtus ant realaus pasaulio vaizdo.

Koordinačių sistemų supratimas

Koordinačių sistema apibrėžia, kaip pozicijos ir orientacijos yra atvaizduojamos atskaitos erdvėje. WebXR naudoja dešiniarankę koordinačių sistemą, o tai reiškia, kad teigiama X ašis nukreipta į dešinę, teigiama Y ašis – aukštyn, o teigiama Z ašis – žiūrovo link.

Koordinačių sistemos supratimas yra labai svarbus norint teisingai išdėstyti ir orientuoti objektus jūsų virtualioje scenoje. Pavyzdžiui, jei norite pastatyti objektą vieną metrą priešais vartotoją, jo Z koordinatę nustatytumėte į -1 (prisiminkite, kad Z ašis nukreipta žiūrovo link).

WebXR naudoja metrus kaip standartinį matavimo vienetą. Svarbu tai prisiminti dirbant su 3D modeliavimo įrankiais ar bibliotekomis, kurios gali naudoti kitokius vienetus (pvz., centimetrus ar colius).

Koordinačių transformacijos: raktas į objektų pozicionavimą ir orientavimą

Koordinačių transformacijos yra matematinės operacijos, kurios konvertuoja pozicijas ir orientacijas iš vienos koordinačių sistemos į kitą. WebXR transformacijos yra būtinos:

• Objektų pozicionavimui vartotojo atžvilgiu: Objekto pozicijos konvertavimas iš pasaulio erdvės (globalios koordinačių sistemos) į žiūrovo erdvę (vartotojo galvos poziciją).
• Teisingam objektų orientavimui: Užtikrinimas, kad objektai būtų nukreipti teisinga kryptimi, nepriklausomai nuo vartotojo orientacijos.
• Vartotojo judėjimo sekimui: Vartotojo požiūrio taško pozicijos ir orientacijos atnaujinimas remiantis jutiklių duomenimis.

Dažniausias būdas pavaizduoti koordinačių transformacijas yra naudojant 4x4 transformacijos matricą. Ši matrica sujungia poslinkį (poziciją), sukimą (orientaciją) ir mastelį į vieną, efektyvų vaizdavimą.

Transformacijos matricų paaiškinimas

4x4 transformacijos matrica atrodo taip:

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

Kur:

• R00-R22: Atspindi sukimo komponentą (3x3 sukimo matricą).
• Tx, Ty, Tz: Atspindi poslinkio komponentą (atstumą, kuriuo reikia pasislinkti X, Y ir Z ašimis).

Norint transformuoti tašką (x, y, z) naudojant transformacijos matricą, tašką reikia laikyti 4D vektoriumi (x, y, z, 1) ir padauginti jį iš matricos. Gautas vektorius atspindi transformuotą tašką naujoje koordinačių sistemoje.

Dauguma WebXR karkasų (pvz., Three.js ir Babylon.js) suteikia integruotas funkcijas darbui su transformacijos matricomis, todėl šiuos skaičiavimus atlikti yra lengviau, nereikia rankiniu būdu manipuliuoti matricos elementais.

Transformacijų taikymas WebXR

Panagrinėkime praktinį pavyzdį. Tarkime, norite pastatyti virtualų kubą vieną metrą priešais vartotojo akis.

1. Gaukite žiūrovo pozą: Naudokite XRFrame sąsają, kad gautumėte dabartinę žiūrovo pozą pasirinktoje atskaitos erdvėje.
2. Sukurkite transformacijos matricą: Sukurkite transformacijos matricą, kuri atspindi norimą kubo poziciją ir orientaciją žiūrovo atžvilgiu. Šiuo atveju tikriausiai sukurtumėte poslinkio matricą, kuri pastumtų kubą vienu metru neigiama Z ašimi (žiūrovo link).
3. Pritaikykite transformaciją: Padauginkite pradinę kubo transformacijos matricą (atspindinčią jo poziciją pasaulio erdvėje) iš naujos transformacijos matricos (atspindinčios jo poziciją žiūrovo atžvilgiu). Tai atnaujins kubo poziciją scenoje.

Štai supaprastintas pavyzdys naudojant 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);
  }
});

Šis kodo fragmentas gauna žiūrovo pozą, sukuria vektorių, atspindintį norimą kubo poziciją (1 metras priekyje), pritaiko žiūrovo transformacijos matricą pozicijai, o tada atnaujina kubo poziciją scenoje. Jis taip pat nukopijuoja žiūrovo orientaciją į kubą.

Praktiniai pavyzdžiai: scenarijai ir sprendimai

Panagrinėkime keletą įprastų scenarijų ir kaip atskaitos erdvės transformacijos gali būti naudojamos juos išspręsti:

1. Virtualaus valdymo pulto, pritvirtinto prie vartotojo riešo, kūrimas

Įsivaizduokite, kad norite sukurti virtualų valdymo pultą, kuris visada būtų matomas ir pritvirtintas prie vartotojo riešo. Galėtumėte naudoti su žiūrovu susietą atskaitos erdvę (arba apskaičiuoti transformaciją valdiklio atžvilgiu). Štai kaip galėtumėte tai padaryti:

1. Naudokite žiūrovo arba valdiklio erdvę: Paprašykite viewer arba `hand` atskaitos erdvės, kad gautumėte pozas, susietas su vartotojo galva ar ranka.
2. Sukurkite transformacijos matricą: Apibrėžkite transformacijos matricą, kuri pozicionuoja valdymo pultą šiek tiek virš riešo ir priešais jį.
3. Pritaikykite transformaciją: Padauginkite valdymo pulto transformacijos matricą iš žiūrovo ar valdiklio transformacijos matricos. Tai išlaikys valdymo pultą pririštą prie vartotojo riešo, kai jis judins galvą ar ranką.

Šis metodas dažnai naudojamas VR žaidimuose ir programose, siekiant suteikti vartotojams patogią ir lengvai pasiekiamą sąsają.

2. Virtualių objektų pririšimas prie realaus pasaulio paviršių AR

Papildytoje realybėje dažnai norima pririšti virtualius objektus prie realaus pasaulio paviršių, pavyzdžiui, stalų ar sienų. Tam reikalingas sudėtingesnis metodas, apimantis šių paviršių aptikimą ir sekimą.

1. Naudokite plokštumų aptikimą: Naudokite WebXR plokštumų aptikimo API (jei įrenginys palaiko), kad nustatytumėte horizontalius ir vertikalius paviršius vartotojo aplinkoje.
2. Sukurkite inkarą: Sukurkite XRAnchor ties aptiktu paviršiumi. Tai suteikia stabilų atskaitos tašką realiame pasaulyje.
3. Pozicionuokite objektus inkaro atžvilgiu: Pozicionuokite virtualius objektus pagal inkaro transformacijos matricą. Tai užtikrins, kad objektai liks pritvirtinti prie paviršiaus, net kai vartotojas judės.

ARKit (iOS) ir ARCore (Android) suteikia patikimas plokštumų aptikimo galimybes, kurias galima pasiekti per WebXR Device API.

3. Teleportacija VR

Teleportacija yra įprasta technika, naudojama VR, leidžianti vartotojams greitai judėti didelėse virtualiose aplinkose. Tai apima sklandų vartotojo požiūrio taško perėjimą iš vienos vietos į kitą.

1. Gaukite tikslo vietą: Nustatykite tikslo vietą teleportacijai. Tai gali būti pagrįsta vartotojo įvestimi (pvz., spustelėjus tašką aplinkoje) arba iš anksto nustatyta vieta.
2. Apskaičiuokite transformaciją: Apskaičiuokite transformacijos matricą, kuri atspindi pozicijos ir orientacijos pokytį, reikalingą perkelti vartotoją iš dabartinės vietos į tikslo vietą.
3. Pritaikykite transformaciją: Pritaikykite transformaciją atskaitos erdvei. Tai akimirksniu perkels vartotoją į naują vietą. Apsvarstykite galimybę naudoti sklandžią animaciją, kad teleportacija būtų malonesnė.

Geroji praktika dirbant su WebXR atskaitos erdvėmis

Štai keletas gerosios praktikos patarimų, kuriuos reikėtų atsiminti dirbant su WebXR atskaitos erdvėmis:

• Pasirinkite tinkamą atskaitos erdvę: Pasirinkite atskaitos erdvę, kuri labiausiai tinka jūsų programai. Atsižvelkite į kuriamą patirties tipą (pvz., sėdima, stovimoji, kambario mastelio) ir reikalingą tikslumo bei stabilumo lygį.
• Valdykite sekimo praradimą: Būkite pasirengę situacijoms, kai sekimas prarandamas arba tampa nepatikimas. Taip gali nutikti, jei vartotojas išeina už sekimo zonos ribų arba jei aplinka yra prastai apšviesta. Pateikite vartotojui vaizdinius signalus ir apsvarstykite atsarginių mechanizmų įdiegimą.
• Optimizuokite našumą: Koordinačių transformacijos gali būti skaičiavimo požiūriu brangios, ypač dirbant su dideliu objektų skaičiumi. Optimizuokite savo kodą, kad sumažintumėte transformacijų, kurias reikia atlikti kiekviename kadre, skaičių. Naudokite podėliavimą (caching) ir kitas technikas našumui pagerinti.
• Testuokite skirtinguose įrenginiuose: WebXR našumas ir sekimo kokybė gali labai skirtis priklausomai nuo įrenginio. Išbandykite savo programą įvairiuose įrenginiuose, kad užtikrintumėte, jog ji gerai veikia visiems vartotojams.
• Atsižvelkite į vartotojo ūgį ir IPD: Atsižvelkite į skirtingą vartotojų ūgį ir atstumą tarp vyzdžių (IPD). Tinkamas kameros aukščio nustatymas pagal vartotojo ūgį padarys patirtį patogesnę. Prisitaikymas prie IPD užtikrina, kad stereoskopinis vaizdavimas būtų tikslus kiekvienam vartotojui, o tai svarbu vizualiniam komfortui ir gylio suvokimui. WebXR suteikia API, leidžiančias gauti numanomą vartotojo IPD.

Sudėtingesnės temos

Kai gerai suprasite WebXR atskaitos erdvių ir koordinačių transformacijų pagrindus, galėsite tyrinėti sudėtingesnes temas, tokias kaip:

• Pozos numatymas: WebXR suteikia API, leidžiančias numatyti būsimą vartotojo galvos ir valdiklių pozą. Tai gali būti naudojama siekiant sumažinti delsą ir pagerinti jūsų programos reakcijos laiką.
• Erdvinis garsas: Koordinačių transformacijos yra būtinos kuriant realistiškas erdvinio garso patirtis. Išdėstydami garso šaltinius 3D erdvėje ir transformuodami jų pozicijas vartotojo galvos atžvilgiu, galite sukurti įsitraukimo ir buvimo pojūtį.
• Kelių vartotojų patirtys: Kuriant kelių vartotojų VR/AR programas, reikia sinchronizuoti visų vartotojų pozicijas ir orientacijas virtualiame pasaulyje. Tam reikalingas kruopštus atskaitos erdvių ir koordinačių transformacijų valdymas.

WebXR karkasai ir bibliotekos

Keletas JavaScript karkasų ir bibliotekų gali supaprastinti WebXR kūrimą ir suteikti aukštesnio lygio abstrakcijas darbui su atskaitos erdvėmis ir koordinačių transformacijomis. Keletas populiarių variantų:

• Three.js: Plačiai naudojama 3D grafikos biblioteka, kuri suteikia išsamų įrankių rinkinį WebXR programoms kurti.
• Babylon.js: Kitas populiarus 3D variklis, siūlantis puikų WebXR palaikymą ir gausų funkcijų rinkinį.
• A-Frame: Deklaratyvus karkasas, leidžiantis lengvai kurti WebXR patirtis naudojant į HTML panašią sintaksę.
• React Three Fiber: „React“ atvaizdavimo priemonė (renderer) skirta Three.js, leidžianti kurti WebXR programas naudojant „React“ komponentus.

Išvada

WebXR atskaitos erdvių ir koordinačių transformacijų supratimas yra labai svarbus kuriant įtraukiančias ir tikslias VR/AR patirtis. Įvaldę šias koncepcijas, galėsite išnaudoti visą WebXR API potencialą ir kurti įtikinamas programas, kurios plečia įtraukiančio interneto ribas. Gilindamiesi į WebXR kūrimą, toliau eksperimentuokite su skirtingomis atskaitos erdvėmis ir transformacijos technikomis, kad rastumėte geriausius sprendimus savo specifiniams poreikiams. Nepamirškite optimizuoti kodo našumo ir testuoti įvairiuose įrenginiuose, kad užtikrintumėte sklandžią ir patrauklią patirtį visiems vartotojams.