Понимание преобразований систем отсчёта WebXR: Глубокое погружение в системы координат

WebXR открывает двери для создания невероятных впечатлений в виртуальной и дополненной реальности прямо в браузере. Однако для освоения WebXR требуется твёрдое понимание систем отсчёта и преобразований координат. Это руководство предоставляет исчерпывающий обзор этих концепций, позволяя вам создавать иммерсивные и точные VR/AR-приложения.

Что такое системы отсчёта WebXR?

В реальном мире у нас есть общее понимание того, где находятся вещи. Но в виртуальном мире нам нужен способ определить систему координат, которая связывает виртуальные объекты с пользователем и окружением. Именно здесь на помощь приходят системы отсчёта. Система отсчёта определяет начало и ориентацию виртуального мира, предоставляя основу для позиционирования виртуальных объектов и отслеживания движений пользователя.

Представьте это так: вы описываете кому-то местоположение игрушечной машинки. Вы можете сказать: "Она в двух футах перед тобой и в одном футе слева от тебя". Вы неявно определили систему отсчёта, центрированную на слушателе. Системы отсчёта WebXR предоставляют аналогичные опорные точки для вашей виртуальной сцены.

Типы систем отсчёта в WebXR

WebXR предлагает несколько типов систем отсчёта, каждый со своими характеристиками и вариантами использования:

• Пространство наблюдателя (Viewer Space): Это пространство центрировано на глазах пользователя. Это относительно нестабильное пространство, так как оно постоянно меняется с движениями головы пользователя. Оно лучше всего подходит для контента, привязанного к голове, например, для проекционного дисплея (HUD).
• Локальное пространство (Local Space): Это пространство обеспечивает стабильный, относительный к экрану вид. Начало координат зафиксировано относительно дисплея, но пользователь все еще может перемещаться в этом пространстве. Оно полезно для сидячих или стационарных приложений.
• Локальное пространство с уровнем пола (Local Floor Space): Похоже на локальное пространство, но с началом координат, расположенным на полу. Это идеально подходит для создания приложений, где пользователь стоит и перемещается в ограниченной области. Начальная высота над полом обычно определяется калибровкой устройства пользователя, и система WebXR делает все возможное, чтобы поддерживать это начало координат на полу.
• Ограниченное пространство с уровнем пола (Bounded Floor Space): Это расширение локального пространства с уровнем пола, определяющее ограниченную область (многоугольник), в пределах которой пользователь может перемещаться. Это полезно для предотвращения выхода пользователей за пределы зоны отслеживания, что особенно важно в пространствах, где реальное физическое окружение не было тщательно картографировано.
• Неограниченное пространство (Unbounded Space): Это пространство не имеет границ и позволяет пользователю свободно перемещаться в реальном мире. Оно подходит для крупномасштабных VR-приложений, таких как прогулка по виртуальному городу. Однако для этого требуется более надежная система отслеживания. Этот тип часто используется для AR-приложений, где пользователь может свободно перемещаться в реальном мире, видя виртуальные объекты, наложенные на его вид реального мира.

Понимание систем координат

Система координат определяет, как положения и ориентации представляются в пределах системы отсчёта. WebXR использует правостороннюю систему координат, что означает, что положительная ось X направлена вправо, положительная ось Y — вверх, а положительная ось Z — в сторону наблюдателя.

Понимание системы координат имеет решающее значение для правильного позиционирования и ориентации объектов в вашей виртуальной сцене. Например, если вы хотите разместить объект в одном метре перед пользователем, вы установите его координату Z в -1 (помните, ось Z направлена в сторону наблюдателя).

WebXR использует метры в качестве стандартной единицы измерения. Это важно помнить при работе с инструментами 3D-моделирования или библиотеками, которые могут использовать другие единицы (например, сантиметры или дюймы).

Преобразования координат: Ключ к позиционированию и ориентации объектов

Преобразования координат — это математические операции, которые преобразуют положения и ориентации из одной системы координат в другую. В WebXR преобразования необходимы для:

• Позиционирование объектов относительно пользователя: Преобразование положения объекта из мирового пространства (глобальной системы координат) в пространство наблюдателя (положение головы пользователя).
• Правильная ориентация объектов: Гарантия того, что объекты смотрят в правильном направлении, независимо от ориентации пользователя.
• Отслеживание движений пользователя: Обновление положения и ориентации точки обзора пользователя на основе данных сенсоров.

Наиболее распространенным способом представления преобразований координат является использование матрицы преобразования 4x4. Эта матрица объединяет перенос (положение), вращение (ориентация) и масштабирование в единое, эффективное представление.

Объяснение матриц преобразования

Матрица преобразования 4x4 выглядит так:

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

Где:

• R00-R22: Представляют компонент вращения (матрица вращения 3x3).
• Tx, Ty, Tz: Представляют компонент переноса (смещение по осям X, Y и Z).

Чтобы преобразовать точку (x, y, z) с помощью матрицы преобразования, вы рассматриваете точку как 4D-вектор (x, y, z, 1) и умножаете его на матрицу. Результирующий вектор представляет преобразованную точку в новой системе координат.

Большинство фреймворков WebXR (такие как Three.js и Babylon.js) предоставляют встроенные функции для работы с матрицами преобразования, что упрощает выполнение этих вычислений без необходимости вручную манипулировать элементами матрицы.

Применение преобразований в WebXR

Рассмотрим практический пример. Предположим, вы хотите разместить виртуальный куб в одном метре перед глазами пользователя.

1. Получить позу наблюдателя: Используйте интерфейс XRFrame, чтобы получить текущую позу наблюдателя в выбранной системе отсчёта.
2. Создать матрицу преобразования: Создайте матрицу преобразования, которая представляет желаемое положение и ориентацию куба относительно наблюдателя. В этом случае вы, скорее всего, создадите матрицу переноса, которая переместит куб на один метр вдоль отрицательной оси Z (в сторону наблюдателя).
3. Применить преобразование: Умножьте исходную матрицу преобразования куба (представляющую его положение в мировом пространстве) на новую матрицу преобразования (представляющую его положение относительно наблюдателя). Это обновит положение куба на сцене.

Вот упрощенный пример с использованием 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);
  }
});

Этот фрагмент кода получает позу наблюдателя, создает вектор, представляющий желаемое положение куба (1 метр впереди), применяет матрицу преобразования наблюдателя к этому положению, а затем обновляет положение куба на сцене. Он также копирует ориентацию наблюдателя на куб.

Практические примеры: Сценарии и решения

Давайте рассмотрим некоторые распространенные сценарии и то, как преобразования систем отсчёта могут быть использованы для их решения:

1. Создание виртуальной панели управления, закрепленной на запястье пользователя

Представьте, что вы хотите создать виртуальную панель управления, которая всегда видна и закреплена на запястье пользователя. Вы можете использовать систему отсчёта, относительную к наблюдателю (или вычислить преобразование относительно контроллера). Вот как можно подойти к этой задаче:

1. Использовать пространство наблюдателя или контроллера: Запросите систему отсчёта viewer или `hand`, чтобы получить позы относительно головы или руки пользователя.
2. Создать матрицу преобразования: Определите матрицу преобразования, которая позиционирует панель управления немного выше и перед запястьем.
3. Применить преобразование: Умножьте матрицу преобразования панели управления на матрицу преобразования наблюдателя или контроллера. Это позволит панели управления оставаться привязанной к запястью пользователя при движении головы или руки.

Этот подход часто используется в VR-играх и приложениях для предоставления пользователям удобного и доступного интерфейса.

2. Привязка виртуальных объектов к реальным поверхностям в AR

В дополненной реальности часто требуется привязывать виртуальные объекты к реальным поверхностям, таким как столы или стены. Это требует более сложного подхода, включающего обнаружение и отслеживание этих поверхностей.

1. Использовать обнаружение плоскостей: Используйте API обнаружения плоскостей WebXR (если поддерживается устройством) для идентификации горизонтальных и вертикальных поверхностей в окружении пользователя.
2. Создать якорь: Создайте XRAnchor на обнаруженной поверхности. Это обеспечивает стабильную точку отсчёта в реальном мире.
3. Позиционировать объекты относительно якоря: Позиционируйте виртуальные объекты относительно матрицы преобразования якоря. Это гарантирует, что объекты останутся прикрепленными к поверхности, даже когда пользователь перемещается.

ARKit (iOS) и ARCore (Android) предоставляют надежные возможности обнаружения плоскостей, доступ к которым можно получить через WebXR Device API.

3. Телепортация в VR

Телепортация — это распространенный метод, используемый в VR, чтобы позволить пользователям быстро перемещаться по большим виртуальным средам. Это включает в себя плавный переход точки обзора пользователя из одного места в другое.

1. Получить целевое местоположение: Определите целевое местоположение для телепортации. Это может быть основано на вводе пользователя (например, клик по точке в окружении) или на заранее определенном месте.
2. Вычислить преобразование: Вычислите матрицу преобразования, которая представляет изменение положения и ориентации, необходимое для перемещения пользователя из текущего местоположения в целевое.
3. Применить преобразование: Примените преобразование к системе отсчёта. Это мгновенно переместит пользователя в новое место. Рассмотрите возможность использования плавной анимации, чтобы телепортация ощущалась более комфортно.

Лучшие практики работы с системами отсчёта WebXR

Вот несколько лучших практик, которые следует учитывать при работе с системами отсчёта WebXR:

• Выбирайте правильную систему отсчёта: Выберите систему отсчёта, которая наиболее подходит для вашего приложения. Учитывайте тип создаваемого опыта (сидячий, стоячий, в масштабе комнаты) и требуемый уровень точности и стабильности.
• Обрабатывайте потерю отслеживания: Будьте готовы к ситуациям, когда отслеживание теряется или становится ненадежным. Это может произойти, если пользователь выходит за пределы зоны отслеживания или если окружение плохо освещено. Предоставляйте пользователю визуальные подсказки и рассмотрите возможность реализации резервных механизмов.
• Оптимизируйте производительность: Преобразования координат могут быть вычислительно затратными, особенно при работе с большим количеством объектов. Оптимизируйте свой код, чтобы минимизировать количество преобразований, выполняемых в каждом кадре. Используйте кэширование и другие методы для повышения производительности.
• Тестируйте на разных устройствах: Производительность и качество отслеживания WebXR могут значительно различаться на разных устройствах. Тестируйте свое приложение на различных устройствах, чтобы убедиться, что оно хорошо работает для всех пользователей.
• Учитывайте рост и межзрачковое расстояние (IPD) пользователя: Учитывайте разный рост и межзрачковое расстояние пользователей. Правильная установка высоты камеры в зависимости от роста пользователя сделает опыт более комфортным. Регулировка под IPD обеспечивает точность стереоскопического рендеринга для каждого пользователя, что важно для визуального комфорта и восприятия глубины. WebXR предоставляет API для доступа к предполагаемому IPD пользователя.

Продвинутые темы

Как только у вас появится твердое понимание основ систем отсчёта и преобразований координат в WebXR, вы сможете изучить более продвинутые темы, такие как:

• Предсказание позы: WebXR предоставляет API для предсказания будущей позы головы и контроллеров пользователя. Это можно использовать для уменьшения задержки и улучшения отзывчивости вашего приложения.
• Пространственный звук: Преобразования координат необходимы для создания реалистичных пространственных звуковых эффектов. Позиционируя источники звука в 3D-пространстве и преобразуя их положения относительно головы пользователя, вы можете создать ощущение погружения и присутствия.
• Многопользовательские приложения: При создании многопользовательских VR/AR-приложений необходимо синхронизировать положения и ориентации всех пользователей в виртуальном мире. Это требует тщательного управления системами отсчёта и преобразованиями координат.

Фреймворки и библиотеки для WebXR

Несколько фреймворков и библиотек JavaScript могут упростить разработку WebXR и предоставить более высокоуровневые абстракции для работы с системами отсчёта и преобразованиями координат. Некоторые популярные варианты включают:

• Three.js: Широко используемая библиотека 3D-графики, предоставляющая полный набор инструментов для создания приложений WebXR.
• Babylon.js: Еще один популярный 3D-движок, предлагающий отличную поддержку WebXR и богатый набор функций.
• A-Frame: Декларативный фреймворк, который позволяет легко создавать приложения WebXR с использованием HTML-подобного синтаксиса.
• React Three Fiber: Рендерер React для Three.js, позволяющий создавать приложения WebXR с использованием компонентов React.

Заключение

Понимание систем отсчёта и преобразований координат в WebXR имеет решающее значение для создания иммерсивных и точных VR/AR-приложений. Освоив эти концепции, вы сможете раскрыть весь потенциал WebXR API и создавать убедительные приложения, расширяющие границы иммерсивного веба. По мере углубления в разработку WebXR продолжайте экспериментировать с различными системами отсчёта и техниками преобразования, чтобы найти лучшие решения для ваших конкретных потребностей. Не забывайте оптимизировать код для повышения производительности и тестировать на различных устройствах, чтобы обеспечить плавный и увлекательный опыт для всех пользователей.