Silnik przestrzennych układów współrzędnych WebXR: Opanowanie zarządzania systemami współrzędnych

WebXR oferuje niesamowity potencjał do tworzenia immersyjnych i interaktywnych doświadczeń rozszerzonej i wirtualnej rzeczywistości bezpośrednio w przeglądarce. Fundamentalnym aspektem tworzenia solidnych i dokładnych aplikacji XR jest zrozumienie i zarządzanie silnikiem współrzędnych przestrzennych. Ten wpis na blogu stanowi kompleksowy przewodnik po systemie współrzędnych WebXR, obejmujący przestrzenie referencyjne, transformacje współrzędnych oraz najlepsze praktyki tworzenia fascynujących doświadczeń XR dla globalnej publiczności.

Zrozumienie systemu współrzędnych WebXR

U podstaw WebXR leży trójwymiarowy kartezjański układ współrzędnych. System ten wykorzystuje trzy osie (X, Y i Z) do definiowania położenia i orientacji obiektów w przestrzeni. Zrozumienie, jak te osie są zdefiniowane i jak WebXR je wykorzystuje, jest kluczowe dla budowania precyzyjnych i intuicyjnych doświadczeń XR.

• Oś X: Zazwyczaj reprezentuje oś poziomą, z dodatnimi wartościami rozciągającymi się w prawo.
• Oś Y: Zwykle reprezentuje oś pionową, z dodatnimi wartościami rozciągającymi się w górę.
• Oś Z: Reprezentuje oś głębokości, z dodatnimi wartościami rozciągającymi się w stronę widza. Należy zauważyć, że w niektórych konwencjach (jak OpenGL) oś Z rozciąga się *od* widza; WebXR jednak zazwyczaj używa odwrotnej konwencji.

Początek układu (0, 0, 0) to punkt, w którym przecinają się wszystkie trzy osie. Wszystkie pozycje i orientacje w scenie XR są definiowane względem tego początku.

Skrętność układu współrzędnych

WebXR zazwyczaj używa prawoskrętnego układu współrzędnych. W systemie prawoskrętnym, jeśli zwiniesz palce prawej dłoni od dodatniej osi X do dodatniej osi Y, twój kciuk wskaże kierunek dodatniej osi Z. Ważne jest, aby pamiętać o tej konwencji podczas wykonywania obliczeń i transformacji.

Przestrzenie referencyjne: Fundament rozumienia przestrzeni

Przestrzenie referencyjne są fundamentem rozumienia przestrzeni w WebXR. Dostarczają one kontekstu do interpretacji położeń i orientacji obiektów w scenie XR. Każda przestrzeń referencyjna definiuje swój własny układ współrzędnych, pozwalając deweloperom na zakotwiczenie wirtualnej zawartości w różnych punktach odniesienia.

WebXR definiuje kilka typów przestrzeni referencyjnych, z których każda służy określonemu celowi:

• Przestrzeń referencyjna obserwatora (Viewer Reference Space): Ta przestrzeń referencyjna jest przywiązana do głowy obserwatora. Jej początek zazwyczaj znajduje się między oczami użytkownika. Gdy użytkownik porusza głową, przestrzeń referencyjna obserwatora porusza się razem z nim. Jest to przydatne do tworzenia treści zablokowanych względem głowy, takich jak wyświetlacz przezierny (HUD).
• Lokalna przestrzeń referencyjna (Local Reference Space): Lokalna przestrzeń referencyjna jest zakotwiczona w początkowej pozycji użytkownika. Pozostaje ona stała względem rzeczywistego otoczenia, nawet gdy użytkownik się porusza. Jest to idealne rozwiązanie do tworzenia doświadczeń, w których wirtualne obiekty muszą pozostać zakotwiczone w określonym miejscu w fizycznej przestrzeni użytkownika. Wyobraź sobie wirtualną roślinę umieszczoną na prawdziwym stole - lokalna przestrzeń referencyjna utrzymałaby roślinę w tej lokalizacji.
• Ograniczona przestrzeń referencyjna (Bounded Reference Space): Podobna do lokalnej przestrzeni referencyjnej, ale definiuje również granicę lub objętość, w której ma działać doświadczenie XR. Pomaga to zapewnić, że użytkownik pozostaje w bezpiecznym i kontrolowanym obszarze. Jest to szczególnie ważne w przypadku doświadczeń VR na skalę pokoju.
• Nieograniczona przestrzeń referencyjna (Unbounded Reference Space): Ta przestrzeń referencyjna nie ma żadnych predefiniowanych granic. Pozwala użytkownikowi na swobodne poruszanie się w potencjalnie nieograniczonym wirtualnym środowisku. Jest to powszechne w doświadczeniach VR, takich jak symulatory lotu czy eksploracja rozległych wirtualnych krajobrazów.
• Przestrzeń referencyjna śledzenia (Tracking Reference Space): Jest to najbardziej fundamentalna przestrzeń. Bezpośrednio odzwierciedla śledzoną pozę sprzętu. Zazwyczaj nie wchodzi się z nią w bezpośrednią interakcję, ale inne przestrzenie referencyjne są na niej oparte.

Wybór odpowiedniej przestrzeni referencyjnej

Wybór odpowiedniej przestrzeni referencyjnej jest kluczowy dla stworzenia pożądanego doświadczenia XR. Rozważ następujące czynniki przy podejmowaniu decyzji:

• Mobilność: Czy użytkownik będzie się poruszał w świecie rzeczywistym? Jeśli tak, lokalna lub ograniczona przestrzeń referencyjna może być bardziej odpowiednia niż przestrzeń referencyjna obserwatora.
• Kotwiczenie: Czy musisz zakotwiczyć wirtualne obiekty w określonych miejscach w świecie rzeczywistym? Jeśli tak, lokalna przestrzeń referencyjna jest najlepszym wyborem.
• Skala: Jaka jest skala doświadczenia XR? Ograniczona przestrzeń referencyjna jest ważna, jeśli doświadczenie jest zaprojektowane dla określonej przestrzeni fizycznej.
• Komfort użytkownika: Upewnij się, że wybrana przestrzeń referencyjna jest zgodna z oczekiwanym ruchem i interakcją użytkownika. Używanie nieograniczonej przestrzeni dla małej strefy gry może prowadzić do dyskomfortu.

Na przykład, wyobraź sobie, że budujesz aplikację AR, która pozwala użytkownikom umieszczać wirtualne meble w ich salonie. Lokalna przestrzeń referencyjna byłaby idealnym wyborem, ponieważ pozwoliłaby użytkownikom poruszać się po pokoju, podczas gdy wirtualne meble pozostają zakotwiczone w swoim pierwotnym miejscu.

Transformacje współrzędnych: Przerzucanie mostu między przestrzeniami

Transformacje współrzędnych są niezbędne do przenoszenia położeń i orientacji między różnymi przestrzeniami referencyjnymi. Pozwalają one na prawidłowe pozycjonowanie i orientowanie wirtualnych obiektów w scenie XR, niezależnie od ruchu użytkownika czy wybranej przestrzeni referencyjnej. Pomyśl o tym jak o tłumaczeniu między różnymi językami - transformacje współrzędnych pozwalają WebXR zrozumieć, gdzie znajdują się rzeczy, bez względu na to, w jakim „języku” (przestrzeni referencyjnej) są opisane.

WebXR używa macierzy transformacji do reprezentowania transformacji współrzędnych. Macierz transformacji to macierz 4x4, która koduje przesunięcie, obrót i skalę niezbędne do przekształcenia punktu z jednego układu współrzędnych do drugiego.

Zrozumienie macierzy transformacji

Macierz transformacji łączy kilka operacji w jedną macierz:

• Przesunięcie (Translacja): Przesuwanie obiektu wzdłuż osi X, Y i Z.
• Obrót (Rotacja): Obracanie obiektu wokół osi X, Y i Z. Jest to często reprezentowane wewnętrznie przez kwaterniony, ale ostatecznie sprowadza się do składowej macierzy obrotu w ramach całej transformacji.
• Skalowanie: Zmiana rozmiaru obiektu wzdłuż osi X, Y i Z.

Mnożąc współrzędne punktu (reprezentowane jako wektor 4D) przez macierz transformacji, można uzyskać przekształcone współrzędne w nowym układzie współrzędnych. Wiele API WebXR zajmie się za Ciebie mnożeniem macierzy, ale zrozumienie leżącej u podstaw matematyki jest kluczowe w zaawansowanych scenariuszach.

Stosowanie transformacji w WebXR

WebXR dostarcza kilka metod do uzyskiwania i stosowania transformacji:

• XRFrame.getViewerPose(): Zwraca pozę obserwatora (położenie i orientację) w danej przestrzeni referencyjnej. Pozwala to na określenie pozycji obserwatora względem określonego punktu odniesienia.
• XRFrame.getPose(): Zwraca pozę XRInputSource (np. kontrolera) lub XRAnchor w danej przestrzeni referencyjnej. Jest to niezbędne do śledzenia położenia i orientacji kontrolerów oraz innych śledzonych obiektów.
• Korzystanie z bibliotek macierzy: Biblioteki takie jak gl-matrix (https://glmatrix.net/) dostarczają funkcji do tworzenia, manipulowania i stosowania macierzy transformacji. Biblioteki te upraszczają proces wykonywania złożonych transformacji.

Na przykład, aby umieścić wirtualny obiekt 1 metr przed głową użytkownika, najpierw uzyskałbyś pozę obserwatora za pomocą XRFrame.getViewerPose(). Następnie utworzyłbyś macierz transformacji, która przesuwa obiekt o 1 metr wzdłuż osi Z przestrzeni referencyjnej obserwatora. Na koniec zastosowałbyś tę transformację do pozycji obiektu, aby umieścić go we właściwym miejscu.

Przykład: Transformacja współrzędnych za pomocą gl-matrix

Oto uproszczony przykład w JavaScript z użyciem gl-matrix do transformacji współrzędnych:

// Import funkcji gl-matrix
import { mat4, vec3 } from 'gl-matrix';

// Zdefiniuj punkt w przestrzeni lokalnej
const localPoint = vec3.fromValues(1, 2, 3); // Współrzędne X, Y, Z

// Utwórz macierz transformacji (przykład: przesunięcie o (4, 5, 6))
const transformMatrix = mat4.create();
mat4.translate(transformMatrix, transformMatrix, vec3.fromValues(4, 5, 6));

// Utwórz wektor do przechowywania przekształconego punktu
const worldPoint = vec3.create();

// Zastosuj transformację
vec3.transformMat4(worldPoint, localPoint, transformMatrix);

// worldPoint zawiera teraz przekształcone współrzędne
console.log("Transformed Point:", worldPoint);

Najlepsze praktyki zarządzania systemem współrzędnych w WebXR

Efektywne zarządzanie systemem współrzędnych jest kluczowe dla tworzenia dokładnych, stabilnych i intuicyjnych doświadczeń XR. Oto kilka najlepszych praktyk, których należy przestrzegać:

• Wybierz odpowiednią przestrzeń referencyjną: Uważnie rozważ cechy każdej przestrzeni referencyjnej i wybierz tę, która najlepiej odpowiada potrzebom Twojej aplikacji.
• Minimalizuj przełączanie przestrzeni referencyjnych: Częste przełączanie między przestrzeniami referencyjnymi może wprowadzać narzut wydajnościowy i potencjalne niedokładności. Staraj się minimalizować liczbę przełączeń przestrzeni referencyjnych w swojej aplikacji.
• Efektywnie używaj macierzy transformacji: Macierze transformacji są intensywne obliczeniowo. Unikaj tworzenia i stosowania niepotrzebnych transformacji. Gdy to możliwe, przechowuj w pamięci podręcznej macierze transformacji, aby poprawić wydajność.
• Radź sobie z różnicami w systemach współrzędnych: Bądź świadomy potencjalnych różnic w konwencjach systemów współrzędnych między różnymi urządzeniami XR i bibliotekami. Upewnij się, że Twoja aplikacja prawidłowo obsługuje te różnice. Na przykład niektóre starsze systemy lub treści mogą używać lewoskrętnego układu współrzędnych.
• Testuj dokładnie: Dokładnie przetestuj swoją aplikację na różnych urządzeniach XR i w różnych środowiskach, aby upewnić się, że system współrzędnych działa poprawnie. Zwróć uwagę na dokładność, stabilność i wydajność.
• Zrozum reprezentację pozy (Pose): Pozy WebXR (XRPose) zawierają zarówno pozycję, jak i orientację (kwaternion). Upewnij się, że poprawnie wyodrębniasz i używasz obu komponentów. Często deweloperzy błędnie zakładają, że poza zawiera *tylko* dane o pozycji.
• Uwzględnij opóźnienia (Latency): Urządzenia XR mają nieodłączne opóźnienia. Próbuj przewidywać pozycje, aby skompensować to opóźnienie i poprawić stabilność. WebXR Device API dostarcza metody do przewidywania póz, co może pomóc zredukować odczuwalne opóźnienie.
• Zachowaj spójną skalę świata: Utrzymuj spójną skalę swojego świata. Unikaj arbitralnego skalowania obiektów w scenie, ponieważ może to prowadzić do artefaktów renderowania i problemów z wydajnością. Staraj się utrzymać odwzorowanie 1:1 między jednostkami wirtualnymi a rzeczywistymi.

Częste pułapki i jak ich unikać

Praca z systemami współrzędnych w WebXR może być wyzwaniem i łatwo jest popełnić błędy. Oto niektóre częste pułapki i sposoby ich unikania:

• Nieprawidłowa kolejność mnożenia macierzy: Mnożenie macierzy nie jest przemienne, co oznacza, że kolejność, w jakiej mnożysz macierze, ma znaczenie. Zawsze upewnij się, że mnożysz macierze w prawidłowej kolejności, aby uzyskać pożądaną transformację. Zazwyczaj transformacje stosuje się w kolejności: Skala, Obrót, Przesunięcie (SRT).
• Mylenie współrzędnych lokalnych i światowych: Ważne jest, aby odróżniać współrzędne lokalne (współrzędne względem własnego układu współrzędnych obiektu) od współrzędnych światowych (współrzędne względem globalnego układu współrzędnych sceny). Upewnij się, że używasz prawidłowego układu współrzędnych dla każdej operacji.
• Ignorowanie skrętności układu współrzędnych: Jak wspomniano wcześniej, WebXR zazwyczaj używa prawoskrętnego układu współrzędnych. Jednak niektóre treści lub biblioteki mogą używać lewoskrętnego układu współrzędnych. Bądź świadomy tych różnic i odpowiednio je obsługuj.
• Nieuwzględnienie wysokości oczu: Podczas korzystania z przestrzeni referencyjnej obserwatora, jej początek zazwyczaj znajduje się między oczami użytkownika. Jeśli chcesz umieścić obiekt na poziomie oczu użytkownika, musisz uwzględnić wysokość oczu użytkownika. Obiekty XREye zwracane przez XRFrame.getViewerPose() mogą dostarczyć tych informacji.
• Akumulacja dryftu: W doświadczeniach AR śledzenie może czasami dryfować z biegiem czasu, powodując, że wirtualne obiekty tracą wyrównanie ze światem rzeczywistym. Implementuj techniki takie jak zamykanie pętli (loop closure) lub wizualno-inercyjna odometria (VIO), aby łagodzić dryft i utrzymywać wyrównanie.

Tematy zaawansowane: Kotwice i mapowanie przestrzenne

Oprócz podstawowych transformacji współrzędnych, WebXR oferuje bardziej zaawansowane funkcje do rozumienia przestrzeni:

• Kotwice (Anchors): Kotwice pozwalają tworzyć trwałe relacje przestrzenne między obiektami wirtualnymi a światem rzeczywistym. Kotwica to punkt w przestrzeni, który system próbuje utrzymać w stałym położeniu względem otoczenia. Nawet jeśli urządzenie tymczasowo utraci śledzenie, kotwica spróbuje się zrelokalizować po przywróceniu śledzenia. Jest to przydatne do tworzenia doświadczeń, w których wirtualne obiekty muszą pozostać zakotwiczone w określonych miejscach fizycznych, nawet jeśli użytkownik się porusza lub śledzenie urządzenia jest przerywane.
• Mapowanie przestrzenne (Spatial Mapping): Mapowanie przestrzenne (znane również jako rozumienie sceny lub śledzenie świata) pozwala systemowi na stworzenie trójwymiarowej reprezentacji otoczenia użytkownika. Ta reprezentacja może być używana do zasłaniania wirtualnych obiektów przez obiekty świata rzeczywistego, umożliwiania interakcji fizycznych między obiektami wirtualnymi i rzeczywistymi oraz zapewniania bardziej immersyjnego i wiarygodnego doświadczenia XR. Mapowanie przestrzenne nie jest powszechnie wspierane i wymaga określonych możliwości sprzętowych.

Używanie kotwic do trwałych relacji przestrzennych

Aby utworzyć kotwicę, najpierw musisz uzyskać XRFrame i XRPose, które reprezentują pożądaną lokalizację dla kotwicy. Następnie możesz wywołać metodę XRFrame.createAnchor(), przekazując XRPose. Metoda zwraca obiekt XRAnchor, który reprezentuje nowo utworzoną kotwicę.

Poniższy fragment kodu pokazuje, jak utworzyć kotwicę:

// Pobierz XRFrame i XRPose
const pose = frame.getPose(hitTestResult.localPose, localReferenceSpace);

// Utwórz kotwicę
const anchor = frame.createAnchor(pose);

// Obsłuż błędy
if (!anchor) {
  console.error("Failed to create anchor.");
  return;
}

// Kotwica jest teraz utworzona i będzie próbowała utrzymać swoje
// położenie względem świata rzeczywistego.

Kwestie globalnej dostępności

Projektując doświadczenia WebXR dla globalnej publiczności, kluczowe jest uwzględnienie dostępności. Obejmuje to czynniki takie jak:

• Wsparcie językowe: Zapewnij tłumaczenia dla wszystkich treści tekstowych i dźwiękowych.
• Wrażliwość kulturowa: Bądź świadomy różnic kulturowych i unikaj używania obrazów lub języka, które mogą być obraźliwe lub nieodpowiednie w niektórych kulturach.
• Metody wprowadzania danych: Wspieraj różnorodne metody wprowadzania danych, w tym kontrolery, polecenia głosowe i interakcję opartą na spojrzeniu.
• Choroba lokomocyjna: Minimalizuj chorobę lokomocyjną, unikając szybkich lub gwałtownych ruchów, zapewniając stabilny punkt odniesienia i pozwalając użytkownikom na dostosowanie pola widzenia.
• Wady wzroku: Zapewnij opcje dostosowania rozmiaru i kontrastu tekstu oraz innych elementów wizualnych. Rozważ użycie sygnałów dźwiękowych w celu dostarczenia dodatkowych informacji.
• Wady słuchu: Zapewnij napisy lub transkrypcje dla wszystkich treści dźwiękowych. Rozważ użycie sygnałów wizualnych w celu dostarczenia dodatkowych informacji.

Podsumowanie

Opanowanie zarządzania systemem współrzędnych jest fundamentalne dla tworzenia fascynujących i dokładnych doświadczeń WebXR. Rozumiejąc przestrzenie referencyjne, transformacje współrzędnych i najlepsze praktyki, możesz tworzyć aplikacje XR, które są zarówno immersyjne, jak i intuicyjne dla użytkowników na całym świecie. W miarę jak technologia WebXR będzie się rozwijać, solidne zrozumienie tych podstawowych koncepcji stanie się jeszcze bardziej krytyczne dla deweloperów, którzy chcą przesuwać granice immersyjnych doświadczeń internetowych.

Ten wpis na blogu przedstawił kompleksowy przegląd zarządzania systemem współrzędnych w WebXR. Zachęcamy do eksperymentowania z omówionymi tutaj koncepcjami i technikami oraz do zgłębiania dokumentacji API WebXR w celu uzyskania dodatkowych informacji. Przyjmując te zasady, możesz uwolnić pełny potencjał WebXR i tworzyć prawdziwie transformacyjne doświadczenia XR dla globalnej publiczności.