WebXR Spatial Computing: Śledzenie w skali pokoju i okluzja

WebXR rewolucjonizuje sposób, w jaki wchodzimy w interakcję z internetem, wykraczając poza tradycyjne interfejsy 2D, aby tworzyć immersyjne i interaktywne doświadczenia w ramach spatial computing. Dwie fundamentalne technologie, które leżą u podstaw tej rewolucji, to śledzenie w skali pokoju i okluzja. Zrozumienie i wykorzystanie tych funkcji jest kluczowe do budowania fascynujących i realistycznych aplikacji WebXR.

Czym jest Spatial Computing?

Spatial computing to kolejna ewolucja informatyki, zacierająca granice między światem fizycznym a cyfrowym. Obejmuje interakcję między ludźmi, komputerami i przestrzenią fizyczną. W przeciwieństwie do tradycyjnej informatyki, ograniczonej do ekranów i klawiatur, spatial computing pozwala użytkownikom na interakcję z cyfrowymi informacjami i środowiskami w trójwymiarowej przestrzeni. Obejmuje to technologie takie jak rozszerzona rzeczywistość (AR), wirtualna rzeczywistość (VR) i mieszana rzeczywistość (MR).

WebXR przenosi spatial computing do internetu, umożliwiając deweloperom tworzenie tych doświadczeń, które działają bezpośrednio w przeglądarce, eliminując potrzebę instalacji natywnych aplikacji. To sprawia, że spatial computing staje się bardziej dostępne i zdemokratyzowane.

Śledzenie w skali pokoju: Immersyjny ruch

Śledzenie w skali pokoju pozwala użytkownikom na swobodne poruszanie się w zdefiniowanej przestrzeni fizycznej podczas noszenia gogli VR lub AR. System śledzi pozycję i orientację użytkownika, przenosząc jego ruchy ze świata rzeczywistego do środowiska wirtualnego. Tworzy to większe poczucie obecności i immersji, sprawiając, że doświadczenie jest znacznie bardziej angażujące i realistyczne niż stacjonarne VR.

Jak działa śledzenie w skali pokoju

Śledzenie w skali pokoju zazwyczaj opiera się на jednej z kilku technologii:

• Śledzenie typu Inside-Out: Same gogle używają kamer do śledzenia swojej pozycji względem otoczenia. Jest to najczęstsze podejście, stosowane w urządzeniach takich jak seria Meta Quest i HTC Vive Focus. Gogle analizują cechy wizualne otoczenia, aby określić swoją lokalizację i orientację. Wymaga to dobrze oświetlonego i bogatego wizualnie środowiska dla optymalnej wydajności.
• Śledzenie typu Outside-In: Zewnętrzne stacje bazowe lub czujniki są umieszczone w pokoju i emitują sygnały, które gogle wykorzystują do określenia swojej pozycji. To podejście, używane przez oryginalny HTC Vive, może zapewnić bardzo precyzyjne śledzenie, ale wymaga więcej konfiguracji i kalibracji.

Implementacja śledzenia w skali pokoju w WebXR

WebXR dostarcza ustandaryzowane API do dostępu do danych śledzenia urządzenia. Oto uproszczony przykład z użyciem JavaScript i biblioteki takiej jak 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);
  });

            

              
                Copy
              
            
          

Wyjaśnienie:

1. Pętla `xrSession.requestAnimationFrame` ciągle żąda klatek animacji od sesji WebXR.
2. `frame.getViewerPose(xrReferenceSpace)` pobiera bieżącą pozę (pozycję i orientację) głowy użytkownika względem zdefiniowanej `xrReferenceSpace`.
3. Dane o pozycji i orientacji są wyodrębniane z właściwości `transform` pozy.
4. Pozycja i orientacja są następnie stosowane do kamery w scenie three.js, skutecznie przesuwając wirtualny świat wraz z użytkownikiem.

Praktyczne przykłady śledzenia w skali pokoju

• Interaktywne symulacje szkoleniowe: Firma produkcyjna mogłaby używać VR w skali pokoju do szkolenia pracowników w montażu skomplikowanych maszyn. Użytkownicy mogliby chodzić wokół wirtualnej maszyny, wchodząc w interakcję z jej komponentami w realistycznym i bezpiecznym środowisku. Można to zastosować w sektorach takich jak lotnictwo, motoryzacja i farmaceutyka na całym świecie.
• Wizualizacja architektoniczna: Potencjalni nabywcy domów mogliby zwiedzać wirtualny model domu lub mieszkania, przechadzając się po pokojach i doświadczając przestrzeni, zanim zostanie ona zbudowana. Może to być oferowane na arenie międzynarodowej do prezentacji nieruchomości w dowolnym miejscu na świecie.
• Gry i rozrywka: Śledzenie w skali pokoju pozwala na bardziej angażujące i interaktywne doświadczenia w grach. Gracze mogą fizycznie unikać przeszkód, sięgać po wirtualne obiekty i eksplorować immersyjne światy gier. Deweloperzy z Japonii, Europy i Ameryki Północnej nieustannie wprowadzają innowacje w tej dziedzinie.
• Współpraca przy projektowaniu: Zespoły projektantów i inżynierów mogą współpracować nad modelami 3D we wspólnej przestrzeni wirtualnej, chodząc wokół modelu, dodając adnotacje i omawiając zmiany projektowe w czasie rzeczywistym. Jest to nieocenione dla międzynarodowych zespołów pracujących nad złożonymi projektami inżynierskimi.

Okluzja: Realistyczna integracja obiektów wirtualnych

Okluzja to zdolność do poprawnego ukrywania wirtualnych obiektów (całkowitego lub częściowego) przez obiekty świata rzeczywistego. Bez okluzji wirtualne obiekty wydają się unosić przed obiektami rzeczywistymi, co niszczy iluzję immersji. Okluzja jest kluczowa do tworzenia wiarygodnych doświadczeń rozszerzonej rzeczywistości.

Jak działa okluzja

Okluzja w WebXR zazwyczaj działa dzięki wykorzystaniu zdolności urządzenia AR do wykrywania głębi. Urządzenie używa kamer i czujników do tworzenia mapy głębi otoczenia. Ta mapa głębi jest następnie używana do określenia, które części wirtualnych obiektów powinny być ukryte za obiektami świata rzeczywistego.

Do generowania mapy głębi używane są różne technologie:

• Czujniki Time-of-Flight (ToF): Czujniki ToF emitują światło podczerwone i mierzą czas jego powrotu, co pozwala im obliczyć odległość do obiektów.
• Kamery stereo: Używając dwóch kamer, system może obliczyć głębię na podstawie paralaksy między dwoma obrazami.
• Światło strukturalne: Urządzenie rzutuje wzór światła na otoczenie i analizuje zniekształcenie wzoru w celu określenia głębi.

Implementacja okluzji w WebXR

Implementacja okluzji w WebXR obejmuje kilka kroków:

1. Zażądanie funkcji `XRDepthSensing`: Musisz zażądać funkcji `XRDepthSensing` podczas tworzenia sesji WebXR.
2. Pozyskiwanie informacji o głębi: API WebXR dostarcza metody dostępu do informacji o głębi przechwyconych przez urządzenie. Często wiąże się to z użyciem `XRCPUDepthInformation` lub `XRWebGLDepthInformation` w zależności od metody renderowania.
3. Wykorzystanie informacji o głębi w potoku renderowania: Informacje o głębi muszą być zintegrowane z potokiem renderowania, aby określić, które piksele wirtualnych obiektów powinny być zasłonięte przez obiekty świata rzeczywistego. Zazwyczaj odbywa się to za pomocą niestandardowego shadera lub wbudowanych funkcji silnika renderującego (jak three.js lub Babylon.js).

Oto uproszczony przykład z użyciem three.js (uwaga: jest to ilustracja na wysokim poziomie; rzeczywista implementacja wymaga bardziej złożonego programowania shaderów):

            
  // 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);
  });

            

              
                Copy
              
            
          

Wyjaśnienie:

1. `frame.getDepthInformation(xrView)` pobiera informacje o głębi dla określonego widoku XR.
2. `depthInfo.data` zawiera surowe dane o głębi, zazwyczaj w postaci tablicy liczb zmiennoprzecinkowych.
3. Z bufora głębi tworzona jest tekstura `DataTexture` z three.js, co pozwala na jej użycie w shaderach.
4. Tekstura głębi jest przekazywana jako uniform do niestandardowego shadera.
5. Shader porównuje głębię każdego piksela obiektu wirtualnego z odpowiednią wartością głębi w teksturze. Jeśli głębia świata rzeczywistego jest mniejsza, piksel obiektu wirtualnego jest odrzucany, co realizuje okluzję.

Praktyczne przykłady okluzji

• Wizualizacja produktów w AR: Firma meblarska mogłaby pozwolić klientom na wizualizację, jak mebel będzie wyglądał w ich salonie, przy czym wirtualny mebel byłby poprawnie zasłaniany przez rzeczywiste obiekty, takie jak stoły i krzesła. Firma ze Szwecji lub Włoch mogłaby oferować taką usługę.
• Gry i rozrywka w AR: Gry AR mogą stać się znacznie bardziej immersyjne, gdy wirtualne postacie mogą realistycznie wchodzić w interakcję z otoczeniem, chodząc za stołami, chowając się za ścianami i oddziałując na rzeczywiste obiekty. Studia gier z Korei Południowej i Chin aktywnie badają tę dziedzinę.
• Wizualizacja medyczna: Chirurdzy mogliby używać AR do nakładania modeli 3D organów na ciało pacjenta, przy czym wirtualne organy byłyby poprawnie zasłaniane przez skórę i tkanki pacjenta. Szpitale w Niemczech i USA pilotują tę technologię.
• Edukacja i szkolenia: Studenci mogliby używać AR do eksploracji wirtualnych modeli historycznych artefaktów lub koncepcji naukowych, przy czym modele byłyby poprawnie zasłaniane przez ich ręce lub inne obiekty fizyczne. Instytucje edukacyjne na całym świecie mogłyby z tego skorzystać.

Wybór odpowiedniego frameworka WebXR

Kilka frameworków WebXR może uprościć proces deweloperski:

• three.js: Popularna biblioteka 3D dla JavaScript, która zapewnia szeroki zakres funkcji, w tym wsparcie dla WebXR.
• Babylon.js: Inny potężny silnik 3D dla JavaScript, który oferuje doskonałą integrację z WebXR i solidny zestaw narzędzi.
• A-Frame: Deklaratywny framework HTML do budowania doświadczeń WebXR, ułatwiający rozpoczęcie pracy początkującym.
• React Three Fiber: Renderer React dla three.js, umożliwiający budowanie doświadczeń WebXR przy użyciu komponentów React.

Wybór frameworka zależy od Twoich konkretnych potrzeb i preferencji. three.js i Babylon.js oferują większą elastyczność i kontrolę, podczas gdy A-Frame zapewnia prostszy i bardziej przystępny punkt startowy.

Wyzwania i uwarunkowania

Pomimo ekscytujących możliwości, tworzenie aplikacji WebXR ze śledzeniem w skali pokoju i okluzją stawia przed nami kilka wyzwań:

• Wydajność: Śledzenie w skali pokoju i okluzja wymagają znacznej mocy obliczeniowej, co może wpłynąć na wydajność, zwłaszcza na urządzeniach mobilnych. Optymalizacja kodu i modeli jest kluczowa.
• Kompatybilność urządzeń: Nie wszystkie urządzenia obsługują WebXR lub posiadają niezbędne zdolności wykrywania głębi do okluzji. Należy wziąć pod uwagę kompatybilność urządzeń podczas projektowania aplikacji i zapewnić opcje awaryjne dla nieobsługiwanych urządzeń.
• Doświadczenie użytkownika: Projektowanie komfortowego i intuicyjnego doświadczenia użytkownika w WebXR wymaga starannego przemyślenia. Unikaj powodowania choroby lokomocyjnej i upewnij się, że użytkownicy mogą łatwo nawigować w wirtualnym środowisku.
• Czynniki środowiskowe: Śledzenie w skali pokoju opiera się na informacjach wizualnych z otoczenia. Słabe oświetlenie, zagracone przestrzenie lub powierzchnie odbijające światło mogą negatywnie wpłynąć на dokładność śledzenia. Podobnie, wydajność okluzji może być zaburzona przez jakość czujnika głębi i złożoność sceny.
• Kwestie prywatności: Technologia wykrywania głębi rodzi obawy dotyczące prywatności, ponieważ może potencjalnie przechwytywać szczegółowe informacje o otoczeniu użytkownika. Ważne jest, aby być transparentnym w kwestii wykorzystania danych o głębi i zapewnić użytkownikom kontrolę nad ich ustawieniami prywatności.

Optymalizacja dla globalnej publiczności

Podczas tworzenia doświadczeń WebXR dla globalnej publiczności, ważne jest, aby wziąć pod uwagę następujące kwestie:

• Lokalizacja: Przetłumacz tekst i dźwięk na wiele języków, aby dotrzeć do szerszej publiczności. Rozważ użycie usług takich jak Transifex lub Lokalise.
• Dostępność: Zaprojektuj swoją aplikację tak, aby była dostępna dla użytkowników z niepełnosprawnościami. Zapewnij alternatywne metody wprowadzania danych, napisy i audiodeskrypcję. Skonsultuj się z wytycznymi WCAG.
• Wrażliwość kulturowa: Unikaj stereotypów kulturowych lub obrazów, które mogą być obraźliwe для niektórych użytkowników. Zbadaj normy kulturowe i preferencje w różnych regionach.
• Łączność sieciowa: Zoptymalizuj swoją aplikację pod kątem połączeń o niskiej przepustowości, aby zapewnić jej działanie w obszarach z ograniczonym dostępem do internetu. Rozważ użycie sieci dostarczania treści (CDN) do serwowania zasobów z serwerów bliższych użytkownikowi.
• Dostępność urządzeń: Różne kraje mają różny poziom dostępu do sprzętu XR. Rozważ zapewnienie alternatywnych doświadczeń dla użytkowników, którzy nie mają dostępu do najnowszych urządzeń.
• Formaty daty i czasu: Używaj międzynarodowych formatów daty i czasu, aby uniknąć nieporozumień. Zazwyczaj zalecany jest standard ISO 8601.
• Waluta i jednostki miary: Pozwól użytkownikom wybrać preferowaną walutę i jednostki miary.

Przyszłość WebXR i Spatial Computing

WebXR i spatial computing są wciąż na wczesnym etapie rozwoju, ale mają potencjał, by zmienić sposób, w jaki wchodzimy w interakcję z internetem i otaczającym nas światem. W miarę jak sprzęt i oprogramowanie będą się doskonalić, możemy spodziewać się pojawienia jeszcze bardziej immersyjnych i interaktywnych doświadczeń WebXR.

Kluczowe trendy, na które warto zwrócić uwagę, to:

• Poprawiona dokładność śledzenia: Postępy w technologii czujników i algorytmach doprowadzą do bardziej dokładnego i solidnego śledzenia w skali pokoju.
• Bardziej realistyczna okluzja: Bardziej zaawansowane techniki wykrywania głębi umożliwią bardziej realistyczną i płynną okluzję obiektów wirtualnych.
• Ulepszona grafika i wydajność: Udoskonalenia w WebGL i WebAssembly pozwolą na tworzenie bardziej złożonych i oszałamiających wizualnie doświadczeń WebXR.
• Zwiększona dostępność: WebXR stanie się bardziej dostępne dla szerszej gamy urządzeń i użytkowników dzięki postępom w rozwoju wieloplatformowym i funkcjom dostępności.
• Szersza adopcja: W miarę jak technologia dojrzeje i stanie się bardziej przystępna cenowo, WebXR zostanie zaadaptowane przez szerszy zakres branż i zastosowań.

Podsumowanie

Śledzenie w skali pokoju i okluzja to potężne narzędzia do tworzenia prawdziwie immersyjnych i interaktywnych doświadczeń WebXR. Rozumiejąc i wykorzystując te technologie, deweloperzy mogą budować fascynujące aplikacje, które zacierają granice między światem fizycznym a cyfrowym. W miarę jak WebXR będzie się rozwijać, możemy spodziewać się pojawienia jeszcze bardziej innowacyjnych i ekscytujących zastosowań, które zmienią sposób, w jaki się uczymy, pracujemy i bawimy.

Wykorzystaj te technologie i zacznij budować przyszłość internetu już dziś!