ทำความเข้าใจ WebXR Reference Space Transforms: เจาะลึกระบบพิกัด

WebXR เปิดประตูสู่การสร้างประสบการณ์เสมือนจริงและเทคโนโลยีความจริงเสริมอันน่าทึ่งได้โดยตรงภายในเบราว์เซอร์ อย่างไรก็ตาม การจะเชี่ยวชาญ WebXR ได้นั้นจำเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับ reference spaces และการแปลงพิกัด (coordinate transformations) คู่มือนี้จะให้ภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับแนวคิดเหล่านี้ เพื่อช่วยให้คุณสามารถสร้างแอปพลิเคชัน VR/AR ที่สมจริงและแม่นยำได้

WebXR Reference Spaces คืออะไร?

ในโลกแห่งความเป็นจริง เรามีความเข้าใจร่วมกันว่าสิ่งต่างๆ อยู่ที่ไหน แต่ในโลกเสมือน เราต้องการวิธีการกำหนดระบบพิกัดที่เชื่อมโยงวัตถุเสมือนเข้ากับผู้ใช้และสภาพแวดล้อม นี่คือจุดที่ reference spaces เข้ามามีบทบาท โดย reference space จะกำหนดจุดกำเนิดและทิศทางของโลกเสมือน ซึ่งเป็นกรอบสำหรับการกำหนดตำแหน่งของวัตถุเสมือนและติดตามการเคลื่อนไหวของผู้ใช้

ลองนึกภาพตามนี้: สมมติว่าคุณกำลังอธิบายตำแหน่งของรถของเล่นให้ใครสักคนฟัง คุณอาจจะพูดว่า "มันอยู่ข้างหน้าคุณไปสองฟุตและอยู่ทางซ้ายของคุณหนึ่งฟุต" เท่ากับว่าคุณได้กำหนด reference space โดยปริยายโดยมีผู้ฟังเป็นศูนย์กลาง WebXR reference spaces ก็ทำหน้าที่เป็นจุดยึดที่คล้ายกันสำหรับฉากเสมือนของคุณ

ประเภทของ Reference Spaces ใน WebXR

WebXR มี reference spaces หลายประเภท ซึ่งแต่ละประเภทมีลักษณะและกรณีการใช้งานที่แตกต่างกันไป:

• Viewer Space: พื้นที่นี้มีศูนย์กลางอยู่ที่ดวงตาของผู้ใช้ เป็นพื้นที่ที่ไม่ค่อยเสถียรนัก เนื่องจากจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาตามการเคลื่อนไหวของศีรษะผู้ใช้ เหมาะที่สุดสำหรับเนื้อหาที่ล็อกติดกับศีรษะ เช่น heads-up display (HUD)
• Local Space: พื้นที่นี้ให้มุมมองที่เสถียรและสัมพันธ์กับหน้าจอ จุดกำเนิดจะถูกตรึงไว้กับจอแสดงผล แต่ผู้ใช้ยังคงสามารถเคลื่อนที่ไปมาภายในพื้นที่ได้ เหมาะสำหรับประสบการณ์แบบนั่งหรืออยู่กับที่
• Local Floor Space: คล้ายกับ local space แต่มีจุดกำเนิดอยู่ที่พื้น เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างประสบการณ์ที่ผู้ใช้ยืนและเดินไปมาในพื้นที่จำกัด ความสูงเริ่มต้นจากพื้นมักจะถูกกำหนดโดยการปรับเทียบอุปกรณ์ของผู้ใช้ และระบบ WebXR จะพยายามอย่างเต็มที่เพื่อรักษาจุดกำเนิดนี้ไว้บนพื้น
• Bounded Floor Space: เป็นการขยายจาก Local Floor Space โดยกำหนดพื้นที่ที่มีขอบเขต (รูปหลายเหลี่ยม) ซึ่งผู้ใช้สามารถเคลื่อนที่ภายในได้ มีประโยชน์ในการป้องกันไม่ให้ผู้ใช้เดินออกนอกพื้นที่ติดตาม ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในพื้นที่ที่สภาพแวดล้อมทางกายภาพจริงยังไม่ได้รับการจับตำแหน่งอย่างละเอียด
• Unbounded Space: พื้นที่นี้ไม่มีขอบเขตและอนุญาตให้ผู้ใช้เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในโลกแห่งความเป็นจริง เหมาะสำหรับประสบการณ์ VR ขนาดใหญ่ เช่น การเดินชมเมืองเสมือนจริง อย่างไรก็ตาม พื้นที่นี้ต้องการระบบติดตามที่แข็งแกร่งกว่า มักใช้สำหรับแอปพลิเคชัน AR ซึ่งผู้ใช้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในโลกแห่งความเป็นจริงพร้อมกับเห็นวัตถุเสมือนซ้อนทับอยู่บนมุมมองของโลกจริง

ทำความเข้าใจระบบพิกัด

ระบบพิกัดเป็นตัวกำหนดวิธีการแสดงตำแหน่งและทิศทางภายใน reference space WebXR ใช้ระบบพิกัดแบบมือขวา (right-handed coordinate system) ซึ่งหมายความว่าแกน X บวกชี้ไปทางขวา แกน Y บวกชี้ขึ้นด้านบน และแกน Z บวกชี้มาทางผู้ดู

การทำความเข้าใจระบบพิกัดเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดตำแหน่งและทิศทางของวัตถุในฉากเสมือนของคุณอย่างถูกต้อง ตัวอย่างเช่น หากคุณต้องการวางวัตถุไว้ข้างหน้าผู้ใช้หนึ่งเมตร คุณจะต้องตั้งค่าพิกัด Z ของวัตถุนั้นเป็น -1 (จำไว้ว่า แกน Z ชี้มาทางผู้ดู)

WebXR ใช้เมตรเป็นหน่วยวัดมาตรฐาน สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้เมื่อทำงานกับเครื่องมือสร้างโมเดล 3 มิติหรือไลบรารีที่อาจใช้หน่วยวัดที่แตกต่างกัน (เช่น เซนติเมตรหรือนิ้ว)

การแปลงพิกัด: กุญแจสำคัญในการกำหนดตำแหน่งและทิศทางของวัตถุ

การแปลงพิกัดคือการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ที่ใช้แปลงตำแหน่งและทิศทางจากระบบพิกัดหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง ใน WebXR การแปลงพิกัดมีความจำเป็นสำหรับ:

• การกำหนดตำแหน่งวัตถุเทียบกับผู้ใช้: การแปลงตำแหน่งของวัตถุจาก world space (ระบบพิกัดสากล) ไปยัง viewer space (ตำแหน่งศีรษะของผู้ใช้)
• การกำหนดทิศทางวัตถุให้ถูกต้อง: การทำให้แน่ใจว่าวัตถุหันไปในทิศทางที่ถูกต้อง โดยไม่คำนึงถึงทิศทางของผู้ใช้
• การติดตามการเคลื่อนไหวของผู้ใช้: การอัปเดตตำแหน่งและทิศทางของมุมมองผู้ใช้ตามข้อมูลจากเซ็นเซอร์

วิธีที่พบบ่อยที่สุดในการแสดงการแปลงพิกัดคือการใช้เมทริกซ์การแปลงขนาด 4x4 (4x4 transformation matrix) เมทริกซ์นี้จะรวมการเลื่อนตำแหน่ง (translation), การหมุน (rotation) และการปรับขนาด (scaling) เข้าไว้ด้วยกันในรูปแบบเดียวที่มีประสิทธิภาพ

คำอธิบายเมทริกซ์การแปลง

เมทริกซ์การแปลงขนาด 4x4 มีลักษณะดังนี้:

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

โดยที่:

• R00-R22: แสดงองค์ประกอบการหมุน (เมทริกซ์การหมุนขนาด 3x3)
• Tx, Ty, Tz: แสดงองค์ประกอบการเลื่อนตำแหน่ง (ระยะทางที่จะเคลื่อนที่ไปตามแกน X, Y และ Z)

ในการแปลงจุด (x, y, z) โดยใช้เมทริกซ์การแปลง คุณจะต้องพิจารณาจุดนั้นเป็นเวกเตอร์ 4 มิติ (x, y, z, 1) แล้วคูณด้วยเมทริกซ์ เวกเตอร์ผลลัพธ์ที่ได้จะแสดงถึงจุดที่ถูกแปลงในระบบพิกัดใหม่

เฟรมเวิร์ก WebXR ส่วนใหญ่ (เช่น Three.js และ Babylon.js) มีฟังก์ชันในตัวสำหรับทำงานกับเมทริกซ์การแปลง ทำให้การคำนวณเหล่านี้ง่ายขึ้นโดยไม่ต้องจัดการกับองค์ประกอบของเมทริกซ์ด้วยตนเอง

การประยุกต์ใช้การแปลงพิกัดใน WebXR

ลองพิจารณาตัวอย่างการใช้งานจริง สมมติว่าคุณต้องการวางลูกบาศก์เสมือนไว้ที่ระยะหนึ่งเมตรตรงหน้าดวงตาของผู้ใช้

1. รับค่า pose ของผู้ดู: ใช้ XRFrame interface เพื่อรับ pose ปัจจุบันของผู้ดูใน reference space ที่เลือก
2. สร้างเมทริกซ์การแปลง: สร้างเมทริกซ์การแปลงที่แสดงตำแหน่งและทิศทางที่ต้องการของลูกบาศก์เทียบกับผู้ดู ในกรณีนี้ คุณอาจจะต้องสร้างเมทริกซ์การเลื่อนตำแหน่งที่ย้ายลูกบาศก์ไปหนึ่งเมตรตามแกน Z ที่เป็นลบ (เข้าหาผู้ดู)
3. ใช้การแปลง: คูณเมทริกซ์การแปลงดั้งเดิมของลูกบาศก์ (ซึ่งแสดงตำแหน่งใน world space) ด้วยเมทริกซ์การแปลงใหม่ (ซึ่งแสดงตำแหน่งเทียบกับผู้ดู) การทำเช่นนี้จะอัปเดตตำแหน่งของลูกบาศก์ในฉาก

นี่คือตัวอย่างแบบง่ายโดยใช้ 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);
  }
});

โค้ดส่วนนี้จะรับ pose ของผู้ดู, สร้างเวกเตอร์ที่แสดงตำแหน่งที่ต้องการของลูกบาศก์ (1 เมตรด้านหน้า), ใช้เมทริกซ์การแปลงของผู้ดูเพื่อแปลงตำแหน่งนั้น แล้วอัปเดตตำแหน่งของลูกบาศก์ในฉาก นอกจากนี้ยังคัดลอกทิศทางของผู้ดูไปยังลูกบาศก์ด้วย

ตัวอย่างการใช้งานจริง: สถานการณ์และแนวทางแก้ไข

เรามาดูสถานการณ์ทั่วไปบางอย่างและวิธีที่การแปลง reference space สามารถนำมาใช้เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านั้น:

1. การสร้างแผงควบคุมเสมือนที่ยึดติดกับข้อมือของผู้ใช้

สมมติว่าคุณต้องการสร้างแผงควบคุมเสมือนที่มองเห็นได้ตลอดเวลาและยึดติดกับข้อมือของผู้ใช้ คุณสามารถใช้ reference space ที่สัมพันธ์กับผู้ดู (viewer-relative) หรือคำนวณการแปลงเทียบกับคอนโทรลเลอร์ นี่คือแนวทางที่คุณอาจทำได้:

1. ใช้ viewer space หรือ controller space: ขอ viewer หรือ `hand` reference space เพื่อรับ pose ที่สัมพันธ์กับศีรษะหรือมือของผู้ใช้
2. สร้างเมทริกซ์การแปลง: กำหนดเมทริกซ์การแปลงที่จัดตำแหน่งแผงควบคุมให้อยู่เหนือและด้านหน้าข้อมือเล็กน้อย
3. ใช้การแปลง: คูณเมทริกซ์การแปลงของแผงควบคุมด้วยเมทริกซ์การแปลงของผู้ดูหรือคอนโทรลเลอร์ วิธีนี้จะทำให้แผงควบคุมล็อกติดอยู่กับข้อมือของผู้ใช้ขณะที่พวกเขาขยับศีรษะหรือมือ

แนวทางนี้มักใช้ในเกม VR และแอปพลิเคชันต่างๆ เพื่อให้อินเทอร์เฟซที่สะดวกและเข้าถึงง่ายแก่ผู้ใช้

2. การยึดวัตถุเสมือนกับพื้นผิวในโลกจริงใน AR

ในเทคโนโลยีความจริงเสริม บ่อยครั้งที่คุณต้องการยึดวัตถุเสมือนเข้ากับพื้นผิวในโลกแห่งความเป็นจริง เช่น โต๊ะหรือผนัง ซึ่งต้องใช้วิธีการที่ซับซ้อนกว่าที่เกี่ยวข้องกับการตรวจจับและติดตามพื้นผิวเหล่านี้

1. ใช้การตรวจจับระนาบ: ใช้ WebXR plane detection API (หากอุปกรณ์รองรับ) เพื่อระบุพื้นผิวแนวนอนและแนวตั้งในสภาพแวดล้อมของผู้ใช้
2. สร้าง anchor: สร้าง XRAnchor ที่พื้นผิวที่ตรวจพบ ซึ่งจะให้จุดอ้างอิงที่มั่นคงในโลกแห่งความเป็นจริง
3. กำหนดตำแหน่งวัตถุเทียบกับ anchor: กำหนดตำแหน่งวัตถุเสมือนโดยเทียบกับเมทริกซ์การแปลงของ anchor วิธีนี้จะช่วยให้แน่ใจว่าวัตถุยังคงติดอยู่กับพื้นผิว แม้ว่าผู้ใช้จะเคลื่อนที่ไปรอบๆ

ARKit (iOS) และ ARCore (Android) มีความสามารถในการตรวจจับระนาบที่แข็งแกร่ง ซึ่งสามารถเข้าถึงได้ผ่าน WebXR Device API

3. การเทเลพอร์ตใน VR

การเทเลพอร์ตเป็นเทคนิคทั่วไปที่ใช้ใน VR เพื่อให้ผู้ใช้สามารถเคลื่อนที่ไปรอบๆ สภาพแวดล้อมเสมือนขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนมุมมองของผู้ใช้อย่างราบรื่นจากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง

1. รับตำแหน่งเป้าหมาย: กำหนดตำแหน่งเป้าหมายสำหรับการเทเลพอร์ต ซึ่งอาจขึ้นอยู่กับการป้อนข้อมูลของผู้ใช้ (เช่น การคลิกที่จุดในสภาพแวดล้อม) หรือตำแหน่งที่กำหนดไว้ล่วงหน้า
2. คำนวณการแปลง: คำนวณเมทริกซ์การแปลงที่แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งและทิศทางที่จำเป็นในการย้ายผู้ใช้จากตำแหน่งปัจจุบันไปยังตำแหน่งเป้าหมาย
3. ใช้การแปลง: ใช้การแปลงกับ reference space การทำเช่นนี้จะย้ายผู้ใช้ไปยังตำแหน่งใหม่ทันที ควรพิจารณาใช้แอนิเมชันที่ราบรื่นเพื่อให้การเทเลพอร์ตให้ความรู้สึกสบายตายิ่งขึ้น

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการทำงานกับ WebXR Reference Spaces

นี่คือแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดบางประการที่ควรคำนึงถึงเมื่อทำงานกับ WebXR reference spaces:

• เลือก reference space ที่เหมาะสม: เลือก reference space ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันของคุณ พิจารณาประเภทของประสบการณ์ที่คุณกำลังสร้าง (เช่น นั่ง ยืน หรือขนาดห้อง) และระดับความแม่นยำและความเสถียรที่ต้องการ
• จัดการกับการสูญเสียการติดตาม: เตรียมพร้อมรับมือกับสถานการณ์ที่การติดตามขาดหายไปหรือไม่น่าเชื่อถือ ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้หากผู้ใช้ออกนอกพื้นที่ติดตามหรือหากสภาพแวดล้อมมีแสงสว่างไม่เพียงพอ ให้แสดงสัญญาณภาพแก่ผู้ใช้และพิจารณาใช้กลไกสำรอง
• เพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน: การแปลงพิกัดอาจใช้ทรัพยากรในการคำนวณสูง โดยเฉพาะเมื่อต้องจัดการกับวัตถุจำนวนมาก เพิ่มประสิทธิภาพโค้ดของคุณเพื่อลดจำนวนการแปลงที่ต้องทำในแต่ละเฟรม ใช้การแคชและเทคนิคอื่นๆ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ
• ทดสอบบนอุปกรณ์ต่างๆ: ประสิทธิภาพและคุณภาพการติดตามของ WebXR อาจแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละอุปกรณ์ ทดสอบแอปพลิเคชันของคุณบนอุปกรณ์ที่หลากหลายเพื่อให้แน่ใจว่าทำงานได้ดีสำหรับผู้ใช้ทุกคน
• คำนึงถึงความสูงและ IPD ของผู้ใช้: พิจารณาความสูงและระยะห่างระหว่างรูม่านตา (interpupillary distances - IPD) ของผู้ใช้ที่แตกต่างกัน การตั้งค่าความสูงของกล้องให้เหมาะสมกับความสูงของผู้ใช้จะทำให้ประสบการณ์สบายตายิ่งขึ้น การปรับค่า IPD ช่วยให้การเรนเดอร์ภาพสามมิติ (stereoscopic) มีความแม่นยำสำหรับผู้ใช้แต่ละคน ซึ่งมีความสำคัญต่อความสบายตาและการรับรู้ความลึก WebXR มี API สำหรับเข้าถึงค่า IPD โดยประมาณของผู้ใช้

หัวข้อขั้นสูง

เมื่อคุณมีความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับ WebXR reference spaces และการแปลงพิกัดแล้ว คุณสามารถสำรวจหัวข้อขั้นสูงเพิ่มเติมได้ เช่น:

• Pose Prediction (การคาดการณ์ Pose): WebXR มี API สำหรับคาดการณ์ pose ในอนาคตของศีรษะและคอนโทรลเลอร์ของผู้ใช้ ซึ่งสามารถใช้เพื่อลดความหน่วงและปรับปรุงการตอบสนองของแอปพลิเคชันของคุณ
• Spatial Audio (เสียงเชิงพื้นที่): การแปลงพิกัดเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสร้างประสบการณ์เสียงเชิงพื้นที่ที่สมจริง โดยการกำหนดตำแหน่งแหล่งกำเนิดเสียงในพื้นที่ 3 มิติและแปลงตำแหน่งเทียบกับศีรษะของผู้ใช้ คุณสามารถสร้างความรู้สึกสมจริงและดำดิ่งได้
• Multi-user Experiences (ประสบการณ์แบบผู้เล่นหลายคน): เมื่อสร้างแอปพลิเคชัน VR/AR แบบผู้เล่นหลายคน คุณต้องซิงโครไนซ์ตำแหน่งและทิศทางของผู้ใช้ทุกคนในโลกเสมือน ซึ่งต้องการการจัดการ reference spaces และการแปลงพิกัดอย่างระมัดระวัง

เฟรมเวิร์กและไลบรารีของ WebXR

มีเฟรมเวิร์กและไลบรารี JavaScript หลายตัวที่สามารถช่วยให้การพัฒนา WebXR ง่ายขึ้น และมี abstraction ระดับสูงสำหรับทำงานกับ reference spaces และการแปลงพิกัด ตัวเลือกยอดนิยมบางส่วน ได้แก่:

• Three.js: ไลบรารีกราฟิก 3 มิติที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งมีชุดเครื่องมือที่ครอบคลุมสำหรับการสร้างแอปพลิเคชัน WebXR
• Babylon.js: เอนจิ้น 3 มิติยอดนิยมอีกตัวหนึ่งที่ให้การสนับสนุน WebXR ที่ยอดเยี่ยมและมีฟีเจอร์มากมาย
• A-Frame: เฟรมเวิร์กแบบ declarative ที่ทำให้การสร้างประสบการณ์ WebXR เป็นเรื่องง่ายโดยใช้ไวยากรณ์คล้าย HTML
• React Three Fiber: ตัวเรนเดอร์ React สำหรับ Three.js ช่วยให้คุณสร้างแอปพลิเคชัน WebXR โดยใช้คอมโพเนนต์ของ React

บทสรุป

ความเข้าใจใน WebXR reference spaces และการแปลงพิกัดเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างประสบการณ์ VR/AR ที่สมจริงและแม่นยำ การเชี่ยวชาญแนวคิดเหล่านี้จะช่วยให้คุณสามารถปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของ WebXR API และสร้างแอปพลิเคชันที่น่าสนใจซึ่งขยายขอบเขตของเว็บสามมิติ ในขณะที่คุณเจาะลึกการพัฒนา WebXR ต่อไป ให้ทดลองกับ reference spaces และเทคนิคการแปลงต่างๆ เพื่อค้นหาโซลูชันที่ดีที่สุดสำหรับความต้องการเฉพาะของคุณ อย่าลืมเพิ่มประสิทธิภาพโค้ดของคุณและทดสอบบนอุปกรณ์ที่หลากหลายเพื่อให้แน่ใจว่าผู้ใช้ทุกคนจะได้รับประสบการณ์ที่ราบรื่นและน่าดึงดูดใจ