Розуміння перетворень систем відліку WebXR: Глибоке занурення в системи координат

WebXR відкриває двері для створення неймовірних досвідів віртуальної та доповненої реальності безпосередньо в браузері. Однак, для опанування WebXR потрібне глибоке розуміння систем відліку та перетворень координат. Цей посібник надає всебічний огляд цих концепцій, що дозволить вам створювати захоплюючі та точні VR/AR-додатки.

Що таке системи відліку WebXR?

У реальному світі ми маємо спільне розуміння того, де знаходяться речі. Але у віртуальному світі нам потрібен спосіб визначити систему координат, яка пов'язує віртуальні об'єкти з користувачем та середовищем. Саме тут на допомогу приходять системи відліку. Система відліку визначає початок координат та орієнтацію віртуального світу, забезпечуючи основу для позиціонування віртуальних об'єктів та відстеження рухів користувача.

Уявіть це так: ви описуєте комусь місцезнаходження іграшкової машинки. Ви можете сказати: "Вона за два фути перед тобою і за один фут ліворуч". Ви неявно визначили систему відліку, центром якої є слухач. Системи відліку WebXR надають аналогічні опорні точки для вашої віртуальної сцени.

Типи систем відліку у WebXR

WebXR пропонує кілька типів систем відліку, кожна з яких має свої характеристики та сфери застосування:

• Простір глядача (Viewer Space): Цей простір центрується на очах користувача. Це відносно нестабільний простір, оскільки він постійно змінюється з рухами голови користувача. Він найкраще підходить для контенту, прив'язаного до голови, наприклад, для індикатора на лобовому склі (HUD).
• Локальний простір (Local Space): Цей простір забезпечує стабільний, відносний до екрана вид. Початок координат фіксований відносно дисплея, але користувач все ще може пересуватися в межах цього простору. Він корисний для досвідів, де користувач сидить або стоїть на місці.
• Локальний простір на рівні підлоги (Local Floor Space): Схожий на локальний простір, але з початком координат, розташованим на підлозі. Це ідеально для створення досвідів, де користувач стоїть і ходить у обмеженій зоні. Початкова висота над підлогою зазвичай визначається калібруванням пристрою користувача, і система WebXR намагається утримувати цей початок координат на підлозі.
• Обмежений простір на рівні підлоги (Bounded Floor Space): Цей тип розширює Local Floor Space, визначаючи обмежену область (полігон), в межах якої користувач може рухатися. Це корисно для запобігання виходу користувачів за межі зони відстеження, що особливо важливо в приміщеннях, де реальне фізичне середовище не було ретельно картографоване.
• Необмежений простір (Unbounded Space): Цей простір не має меж і дозволяє користувачеві вільно пересуватися в реальному світі. Він підходить для масштабних VR-досвідів, таких як прогулянка віртуальним містом. Однак, він вимагає більш надійної системи відстеження. Часто використовується для AR-додатків, де користувач може вільно пересуватися в реальному світі, бачачи віртуальні об'єкти, накладені на його вид реального світу.

Розуміння систем координат

Система координат визначає, як позиції та орієнтації представлені в межах системи відліку. WebXR використовує правосторонню систему координат, що означає, що додатна вісь X спрямована вправо, додатна вісь Y — вгору, а додатна вісь Z — до глядача.

Розуміння системи координат є вирішальним для правильного позиціонування та орієнтації об'єктів у вашій віртуальній сцені. Наприклад, якщо ви хочете розмістити об'єкт на один метр перед користувачем, ви повинні встановити його Z-координату на -1 (пам'ятайте, вісь Z спрямована до глядача).

WebXR використовує метри як стандартну одиницю вимірювання. Це важливо пам'ятати при роботі з інструментами 3D-моделювання або бібліотеками, які можуть використовувати інші одиниці (наприклад, сантиметри або дюйми).

Перетворення координат: ключ до позиціонування та орієнтації об'єктів

Перетворення координат — це математичні операції, які конвертують позиції та орієнтації з однієї системи координат в іншу. У WebXR перетворення є важливими для:

• Позиціонування об'єктів відносно користувача: Перетворення позиції об'єкта зі світового простору (глобальної системи координат) у простір глядача (позиція голови користувача).
• Правильної орієнтації об'єктів: Забезпечення того, що об'єкти спрямовані в правильному напрямку, незалежно від орієнтації користувача.
• Відстеження рухів користувача: Оновлення позиції та орієнтації точки зору користувача на основі даних сенсорів.

Найпоширенішим способом представлення перетворень координат є використання матриці перетворення 4x4. Ця матриця поєднує в собі переміщення (позицію), обертання (орієнтацію) та масштабування в єдиному, ефективному представленні.

Пояснення матриць перетворення

Матриця перетворення 4x4 виглядає так:

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

Де:

• R00-R22: Представляють компонент обертання (матриця обертання 3x3).
• Tx, Ty, Tz: Представляють компонент переміщення (величина зсуву вздовж осей X, Y та Z).

Щоб перетворити точку (x, y, z) за допомогою матриці перетворення, ви розглядаєте точку як 4D-вектор (x, y, z, 1) і множите її на матрицю. Отриманий вектор представляє перетворену точку в новій системі координат.

Більшість фреймворків WebXR (таких як Three.js та Babylon.js) надають вбудовані функції для роботи з матрицями перетворення, що полегшує виконання цих обчислень без необхідності вручну маніпулювати елементами матриці.

Застосування перетворень у WebXR

Розглянемо практичний приклад. Припустимо, ви хочете розмістити віртуальний куб на один метр перед очима користувача.

1. Отримайте позу глядача: Використовуйте інтерфейс XRFrame, щоб отримати поточну позу глядача у вибраній системі відліку.
2. Створіть матрицю перетворення: Створіть матрицю перетворення, яка представляє бажану позицію та орієнтацію куба відносно глядача. У цьому випадку ви, ймовірно, створите матрицю переміщення, яка зсуває куб на один метр уздовж від'ємної осі Z (до глядача).
3. Застосуйте перетворення: Помножте вихідну матрицю перетворення куба (яка представляє його позицію у світовому просторі) на нову матрицю перетворення (яка представляє його позицію відносно глядача). Це оновить позицію куба на сцені.

Ось спрощений приклад з використанням Three.js:

const cube = new THREE.Mesh( geometry, material );
scene.add( cube );

// Всередині циклу анімації:
const xrFrame = session.requestAnimationFrame( (time, frame) => {
  const pose = frame.getViewerPose(referenceSpace);

  if ( pose ) {
    const position = new THREE.Vector3(0, 0, -1); // 1 метр попереду
    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);
  }
});

Цей фрагмент коду отримує позу глядача, створює вектор, що представляє бажану позицію куба (1 метр попереду), застосовує матрицю перетворення глядача до позиції, а потім оновлює позицію куба на сцені. Він також копіює орієнтацію глядача до куба.

Практичні приклади: сценарії та рішення

Розглянемо деякі поширені сценарії та як перетворення систем відліку можуть бути використані для їх вирішення:

1. Створення віртуальної панелі керування, закріпленої на зап'ясті користувача

Уявіть, що ви хочете створити віртуальну панель керування, яка завжди видима і закріплена на зап'ясті користувача. Ви могли б використовувати систему відліку, відносну до глядача (або розрахувати перетворення відносно контролера). Ось як ви могли б підійти до цього:

1. Використовуйте простір глядача або контролера: Запросіть систему відліку viewer або `hand`, щоб отримати пози відносно голови або руки користувача.
2. Створіть матрицю перетворення: Визначте матрицю перетворення, яка позиціонує панель керування трохи вище і попереду зап'ястя.
3. Застосуйте перетворення: Помножте матрицю перетворення панелі керування на матрицю перетворення глядача або контролера. Це утримуватиме панель керування прив'язаною до зап'ястя користувача, коли він рухає головою або рукою.

Цей підхід часто використовується у VR-іграх та додатках для надання користувачам зручного та доступного інтерфейсу.

2. Прив'язка віртуальних об'єктів до реальних поверхонь у AR

У доповненій реальності часто потрібно прив'язувати віртуальні об'єкти до реальних поверхонь, таких як столи або стіни. Це вимагає більш складного підходу, який включає виявлення та відстеження цих поверхонь.

1. Використовуйте виявлення площин: Використовуйте API виявлення площин WebXR (якщо підтримується пристроєм) для ідентифікації горизонтальних та вертикальних поверхонь у середовищі користувача.
2. Створіть якір (anchor): Створіть XRAnchor на виявленій поверхні. Це забезпечує стабільну точку відліку в реальному світі.
3. Позиціонуйте об'єкти відносно якоря: Позиціонуйте віртуальні об'єкти відносно матриці перетворення якоря. Це забезпечить, що об'єкти залишатимуться прикріпленими до поверхні, навіть коли користувач пересувається.

ARKit (iOS) та ARCore (Android) надають надійні можливості виявлення площин, до яких можна отримати доступ через WebXR Device API.

3. Телепортація у VR

Телепортація — це поширена техніка, яка використовується у VR, щоб дозволити користувачам швидко пересуватися великими віртуальними середовищами. Це включає плавний перехід точки зору користувача з одного місця в інше.

1. Отримайте цільове місцезнаходження: Визначте цільове місце для телепортації. Це може базуватися на вводі користувача (наприклад, клацання на точці в середовищі) або на заздалегідь визначеному місці.
2. Розрахуйте перетворення: Розрахуйте матрицю перетворення, яка представляє зміну позиції та орієнтації, необхідну для переміщення користувача з його поточного місця до цільового.
3. Застосуйте перетворення: Застосуйте перетворення до системи відліку. Це миттєво перемістить користувача в нове місце. Розгляньте можливість використання плавної анімації, щоб зробити телепортацію більш комфортною.

Найкращі практики для роботи з системами відліку WebXR

Ось деякі найкращі практики, які варто пам'ятати при роботі з системами відліку WebXR:

• Вибирайте правильну систему відліку: Виберіть систему відліку, яка найбільше підходить для вашого додатка. Враховуйте тип досвіду, який ви створюєте (наприклад, сидячи, стоячи, в масштабі кімнати), та необхідний рівень точності та стабільності.
• Обробляйте втрату відстеження: Будьте готові до ситуацій, коли відстеження втрачається або стає ненадійним. Це може статися, якщо користувач виходить за межі зони відстеження або якщо середовище погано освітлене. Надавайте візуальні підказки користувачеві та розгляньте можливість впровадження резервних механізмів.
• Оптимізуйте продуктивність: Перетворення координат можуть бути обчислювально витратними, особливо при роботі з великою кількістю об'єктів. Оптимізуйте свій код, щоб мінімізувати кількість перетворень, які потрібно виконувати щокадру. Використовуйте кешування та інші техніки для покращення продуктивності.
• Тестуйте на різних пристроях: Продуктивність та якість відстеження WebXR можуть значно відрізнятися на різних пристроях. Тестуйте свій додаток на різноманітних пристроях, щоб переконатися, що він добре працює для всіх користувачів.
• Враховуйте зріст користувача та IPD: Враховуйте різний зріст користувачів та міжзіничну відстань (IPD). Правильне налаштування висоти камери на основі зросту користувача зробить досвід більш комфортним. Налаштування IPD забезпечує точність стереоскопічного рендерингу для кожного користувача, що важливо для візуального комфорту та сприйняття глибини. WebXR надає API для доступу до приблизної IPD користувача.

Розширені теми

Коли ви добре зрозумієте основи систем відліку WebXR та перетворень координат, ви можете досліджувати більш складні теми, такі як:

• Прогнозування пози (Pose Prediction): WebXR надає API для прогнозування майбутньої пози голови та контролерів користувача. Це можна використовувати для зменшення затримки та покращення чутливості вашого додатка.
• Просторовий звук (Spatial Audio): Перетворення координат є важливими для створення реалістичних просторових звукових досвідів. Позиціонуючи джерела звуку в 3D-просторі та перетворюючи їх позиції відносно голови користувача, ви можете створити відчуття занурення та присутності.
• Багатокористувацькі досвіди (Multi-user Experiences): При створенні багатокористувацьких VR/AR-додатків вам потрібно синхронізувати позиції та орієнтації всіх користувачів у віртуальному світі. Це вимагає ретельного управління системами відліку та перетвореннями координат.

Фреймворки та бібліотеки WebXR

Кілька JavaScript-фреймворків та бібліотек можуть спростити розробку WebXR та надати абстракції вищого рівня для роботи з системами відліку та перетвореннями координат. Деякі популярні варіанти включають:

• Three.js: Широко використовувана бібліотека 3D-графіки, яка надає повний набір інструментів для створення додатків WebXR.
• Babylon.js: Ще один популярний 3D-рушій, який пропонує відмінну підтримку WebXR та багатий набір функцій.
• A-Frame: Декларативний фреймворк, який дозволяє легко створювати досвіди WebXR за допомогою синтаксису, подібного до HTML.
• React Three Fiber: Рендерер React для Three.js, що дозволяє створювати додатки WebXR за допомогою компонентів React.

Висновок

Розуміння систем відліку WebXR та перетворень координат є вирішальним для створення захоплюючих та точних VR/AR-досвідів. Опанувавши ці концепції, ви зможете розкрити повний потенціал API WebXR та створювати переконливі додатки, що розширюють межі імерсивного вебу. Поглиблюючись у розробку WebXR, продовжуйте експериментувати з різними системами відліку та техніками перетворення, щоб знайти найкращі рішення для ваших конкретних потреб. Не забувайте оптимізувати свій код для продуктивності та тестувати на різноманітних пристроях, щоб забезпечити плавний та захоплюючий досвід для всіх користувачів.