Движок пространственных координат WebXR: Освоение управления системами координат

WebXR предлагает невероятный потенциал для создания иммерсивных и интерактивных приложений дополненной и виртуальной реальности прямо в браузере. Фундаментальным аспектом разработки надежных и точных XR-приложений является понимание и управление движком пространственных координат. Этот пост в блоге представляет собой исчерпывающее руководство по системе координат WebXR, охватывающее системы отсчета, преобразования координат и лучшие практики для создания увлекательных XR-впечатлений для глобальной аудитории.

Понимание системы координат WebXR

В своей основе WebXR использует трехмерную декартову систему координат. Эта система использует три оси (X, Y и Z) для определения положения и ориентации объектов в пространстве. Понимание того, как определены эти оси и как WebXR их использует, имеет решающее значение для создания точных и интуитивно понятных XR-приложений.

• Ось X: Обычно представляет собой горизонтальную ось, где положительные значения направлены вправо.
• Ось Y: Обычно представляет собой вертикальную ось, где положительные значения направлены вверх.
• Ось Z: Представляет собой ось глубины, где положительные значения направлены к зрителю. Обратите внимание, что в некоторых соглашениях (например, в OpenGL) ось Z направлена *от* зрителя; однако WebXR обычно использует противоположное соглашение.

Начало координат (0, 0, 0) — это точка, в которой пересекаются все три оси. Все положения и ориентации в XR-сцене определяются относительно этого начала координат.

Направленность системы координат

WebXR обычно использует правостороннюю систему координат. В правосторонней системе, если вы согнете пальцы правой руки от положительной оси X к положительной оси Y, ваш большой палец укажет направление положительной оси Z. Это соглашение важно помнить при выполнении вычислений и преобразований.

Системы отсчета: Основа пространственного понимания

Системы отсчета являются основой пространственного понимания в WebXR. Они обеспечивают контекст для интерпретации положений и ориентаций объектов в XR-сцене. Каждая система отсчета определяет свою собственную систему координат, позволяя разработчикам привязывать виртуальный контент к различным точкам отсчета.

WebXR определяет несколько типов систем отсчета, каждая из которых служит определенной цели:

• Система отсчета зрителя (Viewer Reference Space): Эта система отсчета привязана к голове зрителя. Ее начало обычно расположено между глазами пользователя. Когда пользователь двигает головой, система отсчета зрителя движется вместе с ним. Это полезно для создания контента, заблокированного на голове, такого как проекционный дисплей (HUD).
• Локальная система отсчета (Local Reference Space): Локальная система отсчета привязана к начальному положению пользователя. Она остается неподвижной относительно реального окружения, даже когда пользователь перемещается. Это идеально подходит для создания впечатлений, где виртуальные объекты должны оставаться привязанными к определенному месту в физическом пространстве пользователя. Представьте себе виртуальное растение, размещенное на реальном столе — локальная система отсчета будет удерживать растение в этом месте.
• Ограниченная система отсчета (Bounded Reference Space): Похожа на локальную систему отсчета, но также определяет границу или объем, в котором должно работать XR-приложение. Это помогает гарантировать, что пользователь остается в безопасной и контролируемой зоне. Это особенно важно для VR-приложений в масштабе комнаты.
• Неограниченная система отсчета (Unbounded Reference Space): Эта система отсчета не имеет предопределенных границ. Она позволяет пользователю свободно перемещаться в потенциально неограниченной виртуальной среде. Это часто встречается в VR-приложениях, таких как авиасимуляторы или исследование обширных виртуальных ландшафтов.
• Система отсчета для отслеживания (Tracking Reference Space): Это самая фундаментальная система отсчета. Она напрямую отражает отслеживаемую позу оборудования. Обычно вы не взаимодействуете с ней напрямую, но другие системы отсчета строятся на ее основе.

Выбор правильной системы отсчета

Выбор подходящей системы отсчета имеет решающее значение для создания желаемого XR-впечатления. При принятии решения учитывайте следующие факторы:

• Мобильность: Будет ли пользователь перемещаться в реальном мире? Если да, то локальная или ограниченная система отсчета может быть более подходящей, чем система отсчета зрителя.
• Привязка: Нужно ли вам привязывать виртуальные объекты к конкретным местам в реальном мире? Если да, то локальная система отсчета — лучший выбор.
• Масштаб: Каков масштаб XR-приложения? Ограниченная система отсчета важна, если приложение предназначено для определенного физического пространства.
• Комфорт пользователя: Убедитесь, что выбранная система отсчета соответствует ожидаемым движениям и взаимодействиям пользователя. Использование неограниченного пространства для небольшой игровой зоны может привести к дискомфорту.

Например, представьте, что вы создаете AR-приложение, которое позволяет пользователям размещать виртуальную мебель в своей гостиной. Локальная система отсчета была бы идеальным выбором, поскольку она позволила бы пользователям перемещаться по комнате, в то время как виртуальная мебель оставалась бы привязанной к своему первоначальному местоположению.

Преобразования координат: Соединяя пространства

Преобразования координат необходимы для пересчета положений и ориентаций между различными системами отсчета. Они позволяют правильно позиционировать и ориентировать виртуальные объекты в XR-сцене, независимо от движения пользователя или выбранной системы отсчета. Думайте об этом как о переводе между разными языками — преобразования координат позволяют WebXR понимать, где находятся объекты, независимо от того, на каком «языке» (в какой системе отсчета) они описаны.

WebXR использует матрицы преобразования для представления преобразований координат. Матрица преобразования — это матрица 4x4, которая кодирует перенос, поворот и масштабирование, необходимые для преобразования точки из одной системы координат в другую.

Понимание матриц преобразования

Матрица преобразования объединяет несколько операций в одну матрицу:

• Перенос (Translation): Перемещение объекта вдоль осей X, Y и Z.
• Поворот (Rotation): Вращение объекта вокруг осей X, Y и Z. Внутренне это часто представляется кватернионами, но в конечном итоге сводится к компоненте матрицы вращения в общей матрице преобразования.
• Масштабирование (Scale): Изменение размера объекта вдоль осей X, Y и Z.

Умножая координаты точки (представленные в виде 4D-вектора) на матрицу преобразования, вы можете получить преобразованные координаты в новой системе координат. Многие API WebXR выполнят умножение матриц за вас, но понимание лежащей в основе математики имеет решающее значение для сложных сценариев.

Применение преобразований в WebXR

WebXR предоставляет несколько методов для получения и применения преобразований:

• XRFrame.getViewerPose(): Возвращает позу зрителя (положение и ориентацию) в заданной системе отсчета. Это позволяет определить положение зрителя относительно определенной точки отсчета.
• XRFrame.getPose(): Возвращает позу XRInputSource (например, контроллера) или XRAnchor в заданной системе отсчета. Это необходимо для отслеживания положения и ориентации контроллеров и других отслеживаемых объектов.
• Использование библиотек для работы с матрицами: Библиотеки, такие как gl-matrix (https://glmatrix.net/), предоставляют функции для создания, манипулирования и применения матриц преобразования. Эти библиотеки упрощают процесс выполнения сложных преобразований.

Например, чтобы расположить виртуальный объект на 1 метр перед головой пользователя, вы сначала получите позу зрителя с помощью XRFrame.getViewerPose(). Затем вы создадите матрицу преобразования, которая переносит объект на 1 метр вдоль оси Z системы отсчета зрителя. Наконец, вы примените это преобразование к положению объекта, чтобы разместить его в нужном месте.

Пример: Преобразование координат с помощью gl-matrix

Вот упрощенный пример на JavaScript с использованием gl-matrix для преобразования координаты:

// Импорт функций gl-matrix
import { mat4, vec3 } from 'gl-matrix';

// Определение точки в локальном пространстве
const localPoint = vec3.fromValues(1, 2, 3); // Координаты X, Y, Z

// Создание матрицы преобразования (пример: перенос на (4, 5, 6))
const transformMatrix = mat4.create();
mat4.translate(transformMatrix, transformMatrix, vec3.fromValues(4, 5, 6));

// Создание вектора для хранения преобразованной точки
const worldPoint = vec3.create();

// Применение преобразования
vec3.transformMat4(worldPoint, localPoint, transformMatrix);

// worldPoint теперь содержит преобразованные координаты
console.log("Преобразованная точка:", worldPoint);

Лучшие практики управления системами координат в WebXR

Эффективное управление системами координат имеет решающее значение для создания точных, стабильных и интуитивно понятных XR-приложений. Вот некоторые лучшие практики, которым стоит следовать:

• Выбирайте правильную систему отсчета: Тщательно рассмотрите характеристики каждой системы отсчета и выберите ту, которая наилучшим образом соответствует потребностям вашего приложения.
• Минимизируйте переключение систем отсчета: Частое переключение между системами отсчета может привести к снижению производительности и потенциальным неточностям. Старайтесь минимизировать количество переключений систем отсчета в вашем приложении.
• Эффективно используйте матрицы преобразования: Матрицы преобразования требуют больших вычислительных затрат. Избегайте создания и применения ненужных преобразований. Кэшируйте матрицы преобразования, когда это возможно, для повышения производительности.
• Учитывайте различия в системах координат: Будьте в курсе потенциальных различий в соглашениях о системах координат между различными XR-устройствами и библиотеками. Убедитесь, что ваше приложение правильно обрабатывает эти различия. Например, некоторые старые системы или контент могут использовать левостороннюю систему координат.
• Тщательно тестируйте: Тщательно тестируйте ваше приложение на разных XR-устройствах и в разных средах, чтобы убедиться, что система координат работает правильно. Обращайте внимание на точность, стабильность и производительность.
• Понимайте представление позы: Позы WebXR (XRPose) содержат как положение, так и ориентацию (кватернион). Убедитесь, что вы правильно извлекаете и используете оба компонента. Часто разработчики ошибочно предполагают, что поза содержит *только* данные о положении.
• Учитывайте задержку: XR-устройства имеют внутреннюю задержку. Пытайтесь предсказывать позы, чтобы компенсировать эту задержку и улучшить стабильность. WebXR Device API предоставляет методы для предсказания поз, что может помочь уменьшить воспринимаемую задержку.
• Поддерживайте мировой масштаб: Сохраняйте постоянство мирового масштаба. Избегайте произвольного масштабирования объектов в вашей сцене, так как это может привести к артефактам рендеринга и проблемам с производительностью. Старайтесь поддерживать соответствие 1:1 между виртуальными и реальными единицами.

Распространенные ошибки и как их избежать

Работа с системами координат в WebXR может быть сложной, и легко совершить ошибки. Вот некоторые распространенные ошибки и способы их избежать:

• Неправильный порядок умножения матриц: Умножение матриц некоммутативно, что означает, что порядок, в котором вы умножаете матрицы, имеет значение. Всегда убеждайтесь, что вы умножаете матрицы в правильном порядке для достижения желаемого преобразования. Обычно преобразования применяются в порядке: Масштабирование, Поворот, Перенос (SRT).
• Путаница между локальными и мировыми координатами: Важно различать локальные координаты (координаты относительно собственной системы координат объекта) и мировые координаты (координаты относительно глобальной системы координат сцены). Убедитесь, что вы используете правильную систему координат для каждой операции.
• Игнорирование направленности системы координат: Как упоминалось ранее, WebXR обычно использует правостороннюю систему координат. Однако некоторый контент или библиотеки могут использовать левостороннюю систему координат. Будьте в курсе этих различий и обрабатывайте их соответствующим образом.
• Неучет высоты глаз: При использовании системы отсчета зрителя начало координат обычно расположено между глазами пользователя. Если вы хотите расположить объект на уровне глаз пользователя, вам необходимо учесть высоту глаз пользователя. Объекты XREye, возвращаемые XRFrame.getViewerPose(), могут предоставить эту информацию.
• Накопление дрейфа: В AR-приложениях отслеживание иногда может дрейфовать со временем, что приводит к смещению виртуальных объектов относительно реального мира. Внедряйте такие методы, как замыкание цикла или визуально-инерциальная одометрия (VIO), чтобы смягчить дрейф и поддерживать выравнивание.

Продвинутые темы: Якоря и пространственное картирование

Помимо базовых преобразований координат, WebXR предлагает более продвинутые функции для пространственного понимания:

• Якоря (Anchors): Якоря позволяют создавать постоянные пространственные связи между виртуальными объектами и реальным миром. Якорь — это точка в пространстве, которую система пытается удерживать неподвижной относительно окружения. Даже если устройство временно теряет отслеживание, якорь попытается восстановить свое положение при восстановлении отслеживания. Это полезно для создания впечатлений, где виртуальные объекты должны оставаться привязанными к определенным физическим местам, даже если пользователь перемещается или отслеживание устройства прерывается.
• Пространственное картирование (Spatial Mapping): Пространственное картирование (также известное как понимание сцены или отслеживание мира) позволяет системе создавать 3D-представление окружения пользователя. Это представление может использоваться для перекрытия виртуальных объектов реальными объектами, обеспечения физических взаимодействий между виртуальными и реальными объектами и создания более иммерсивного и правдоподобного XR-впечатления. Пространственное картирование поддерживается не повсеместно и требует определенных аппаратных возможностей.

Использование якорей для постоянных пространственных связей

Чтобы создать якорь, вам сначала нужно получить XRFrame и XRPose, которые представляют желаемое местоположение для якоря. Затем вы можете вызвать метод XRFrame.createAnchor(), передав в него XRPose. Метод возвращает объект XRAnchor, который представляет собой вновь созданный якорь.

Следующий фрагмент кода показывает, как создать якорь:

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

// Создаем якорь
const anchor = frame.createAnchor(pose);

// Обрабатываем ошибки
if (!anchor) {
  console.error("Не удалось создать якорь.");
  return;
}

// Якорь теперь создан и будет пытаться поддерживать свое
// положение относительно реального мира.

Вопросы глобальной доступности

При разработке WebXR-приложений для глобальной аудитории крайне важно учитывать доступность. Это включает в себя такие факторы, как:

• Поддержка языков: Предоставьте переводы для всего текстового и аудиоконтента.
• Культурная чувствительность: Помните о культурных различиях и избегайте использования изображений или языка, которые могут быть оскорбительными или неуместными в определенных культурах.
• Методы ввода: Поддерживайте различные методы ввода, включая контроллеры, голосовые команды и взаимодействие на основе взгляда.
• Укачивание: Минимизируйте укачивание, избегая быстрых или резких движений, обеспечивая стабильную систему отсчета и позволяя пользователям настраивать поле зрения.
• Нарушения зрения: Предоставьте опции для настройки размера и контрастности текста и других визуальных элементов. Рассмотрите возможность использования звуковых подсказок для предоставления дополнительной информации.
• Нарушения слуха: Предоставьте субтитры или транскрипты для всего аудиоконтента. Рассмотрите возможность использования визуальных подсказок для предоставления дополнительной информации.

Заключение

Освоение управления системами координат является основополагающим для создания убедительных и точных WebXR-приложений. Понимая системы отсчета, преобразования координат и лучшие практики, вы можете создавать XR-приложения, которые являются одновременно иммерсивными и интуитивно понятными для пользователей по всему миру. По мере того как технология WebXR продолжает развиваться, твердое понимание этих основных концепций станет еще более важным для разработчиков, стремящихся расширить границы иммерсивного веба.

Этот пост в блоге предоставил всесторонний обзор управления системами координат в WebXR. Мы призываем вас экспериментировать с обсуждаемыми здесь концепциями и методами и изучать документацию WebXR API для получения дополнительной информации. Применяя эти принципы, вы сможете раскрыть весь потенциал WebXR и создать по-настоящему преобразующие XR-впечатления для глобальной аудитории.