Поза WebXR: демістифікація відстеження положення та орієнтації для імерсивних вражень

WebXR революціонізує нашу взаємодію з вебом, дозволяючи створювати захопливі враження віртуальної та доповненої реальності безпосередньо в браузері. В основі цих вражень лежить поняття пози – положення та орієнтації пристрою або руки в тривимірному просторі. Розуміння та ефективне використання даних про позу є ключовим для створення переконливих та інтерактивних застосунків WebXR.

Що таке поза WebXR?

У WebXR поза представляє просторове відношення об'єкта (наприклад, гарнітури, контролера або відстежуваної руки) відносно визначеної системи координат. Ця інформація є важливою для правильного рендерингу віртуального світу з точки зору користувача та для природної взаємодії з віртуальними об'єктами. Поза WebXR складається з двох ключових компонентів:

• Положення: 3D-вектор, що представляє місцезнаходження об'єкта в просторі (зазвичай вимірюється в метрах).
• Орієнтація: кватерніон, що представляє обертання об'єкта. Кватерніони використовуються для уникнення проблеми блокування карданного підвісу (gimbal lock), яка часто виникає при використанні кутів Ейлера для представлення обертань.

Інтерфейси XRViewerPose та XRInputSource в WebXR API надають доступ до цієї інформації про позу.

Розуміння систем координат

Перш ніж занурюватися в код, важливо зрозуміти системи координат, що використовуються у WebXR. Основною системою координат є 'local' (локальний) простір відліку, який прив'язаний до фізичного середовища користувача. Початок координат (0, 0, 0) цього простору зазвичай визначається при запуску XR-сесії.

Інші простори відліку, такі як 'viewer' (глядач) та 'bounded-floor' (обмежена підлога), надають додатковий контекст. Простір 'viewer' представляє положення голови, тоді як 'bounded-floor' представляє відстежувану область на підлозі.

Робота з різними системами координат часто включає перетворення пози з одного простору в інший. Зазвичай це робиться за допомогою матричних перетворень.

Доступ до даних про позу у WebXR

Ось покрокова інструкція, як отримати доступ до даних про позу в застосунку WebXR, припускаючи, що у вас запущена сесія WebXR:

1. Отримайте XRFrame: XRFrame представляє знімок середовища WebXR у певний момент часу. Ви отримуєте його у вашому циклі анімації.
2. Отримайте XRViewerPose: Використовуйте метод getViewerPose() об'єкта XRFrame, щоб отримати позу глядача (гарнітури). Цей метод вимагає XRReferenceSpace як аргумент, що визначає систему координат, відносно якої ви хочете отримати позу.
3. Отримайте пози джерел вводу: Отримайте доступ до поз джерел вводу (контролерів або відстежуваних рук) за допомогою методу getInputSources() об'єкта XRSession. Потім використовуйте метод getPose() для кожного XRInputSource, знову надаючи XRReferenceSpace.
4. Витягніть положення та орієнтацію: З XRViewerPose або пози XRInputSource витягніть положення та орієнтацію. Положення — це Float32Array довжиною 3, а орієнтація — це Float32Array довжиною 4 (кватерніон).

Приклад коду (з використанням Three.js):

Цей приклад демонструє отримання пози глядача та її застосування до камери Three.js:

async function onXRFrame(time, frame) {
  const session = frame.session;
  const pose = frame.getViewerPose(xrRefSpace);

  if (pose) {
    const x = pose.transform.position.x;
    const y = pose.transform.position.y;
    const z = pose.transform.position.z;

    const quaternionX = pose.transform.orientation.x;
    const quaternionY = pose.transform.orientation.y;
    const quaternionZ = pose.transform.orientation.z;
    const quaternionW = pose.transform.orientation.w;

    camera.position.set(x, y, z);
    camera.quaternion.set(quaternionX, quaternionY, quaternionZ, quaternionW);
  }

  renderer.render(scene, camera);
  session.requestAnimationFrame(onXRFrame);
}

Пояснення:

• Функція onXRFrame є основним циклом анімації для WebXR-досвіду.
• frame.getViewerPose(xrRefSpace) отримує позу глядача відносно вказаного xrRefSpace.
• Компоненти положення та орієнтації витягуються з об'єкта pose.transform.
• Потім положення та орієнтація застосовуються до камери Three.js.

Застосування пози WebXR

Розуміння та використання даних про позу відкриває широкий спектр можливостей для застосунків WebXR:

• Ігри у віртуальній реальності: Точне відстеження голови дозволяє гравцям озиратися та занурюватися в ігровий світ. Відстеження контролерів уможливлює взаємодію з віртуальними об'єктами. Уявіть ігри, як-от Beat Saber або Superhot VR, які тепер потенційно можна грати в браузері з якістю WebXR, що відповідає нативній продуктивності.
• Накладання у доповненій реальності: Дані про позу є важливими для прив'язки віртуальних об'єктів до реального світу. Уявіть, як ви накладаєте моделі меблів у своїй вітальні за допомогою AR або отримуєте інформацію про визначні пам'ятки в режимі реального часу під час пішохідної екскурсії Римом.
• 3D-моделювання та дизайн: Користувачі можуть маніпулювати 3D-моделями за допомогою відстеження рук або контролерів. Уявіть архітекторів, які спільно працюють над проєктом будівлі в спільному віртуальному просторі, використовуючи WebXR.
• Навчання та симуляції: Реалістичні симуляції можна створювати за допомогою даних про позу для таких сценаріїв, як навчання пілотів або медичні процедури. Приклади можуть включати симуляцію роботи зі складним обладнанням або виконання хірургічної операції, доступні з будь-якого місця через браузер.
• Віддалена співпраця: Сприяння віддаленим командам, які можуть співпрацювати над віртуальними проєктами в спільних просторах доповненої або віртуальної реальності.

Виклики та міркування

Хоча поза WebXR пропонує величезний потенціал, є кілька викликів, які варто враховувати:

• Продуктивність: Доступ та обробка даних про позу можуть бути обчислювально інтенсивними, особливо з кількома відстежуваними об'єктами. Оптимізація вашого коду та використання ефективних технік рендерингу є критично важливими.
• Точність та затримка: Точність та затримка відстеження пози можуть змінюватися залежно від обладнання та середовища. Висококласні VR/AR гарнітури зазвичай забезпечують точніше відстеження з меншою затримкою, ніж мобільні пристрої.
• Комфорт користувача: Неточне відстеження або висока затримка можуть призвести до закачування. Забезпечення плавного та чутливого досвіду є першочерговим.
• Доступність: Слід приділити ретельну увагу дизайну, щоб забезпечити доступність застосунку для користувачів з обмеженими можливостями. Розгляньте альтернативні методи вводу та способи пом'якшення закачування.
• Конфіденційність: Пам'ятайте про конфіденційність користувачів при зборі та використанні даних про позу. Надавайте чіткі пояснення щодо використання даних та отримуйте інформовану згоду.

Найкращі практики використання пози WebXR

Щоб створювати високоякісні WebXR-досвіди, дотримуйтесь цих найкращих практик:

• Оптимізуйте продуктивність: Мінімізуйте обсяг обробки у вашому циклі анімації. Використовуйте такі техніки, як об'єктний пулінг та відсікання за пірамідою видимості (frustum culling) для покращення продуктивності рендерингу.
• Обробляйте втрату відстеження коректно: Впроваджуйте механізми для обробки ситуацій, коли відстеження втрачається (наприклад, користувач виходить за межі зони відстеження). Надавайте візуальні підказки, щоб вказати, коли відстеження є ненадійним.
• Використовуйте згладжування та фільтрацію: Застосовуйте техніки згладжування або фільтрації для зменшення тремтіння та покращення стабільності даних про позу. Це може допомогти створити більш комфортний досвід для користувача.
• Розглядайте різні методи вводу: Проєктуйте ваш застосунок для підтримки різноманітних методів вводу, включаючи контролери, відстежувані руки та голосові команди.
• Тестуйте на різних пристроях: Тестуйте ваш застосунок на різноманітних VR/AR пристроях для забезпечення сумісності та продуктивності.
• Пріоритезуйте комфорт користувача: Проєктуйте ваш застосунок з урахуванням комфорту користувача. Уникайте різких рухів або різких переходів, які можуть викликати закачування.
• Реалізуйте запасні варіанти (fallbacks): Надайте коректні запасні варіанти для браузерів, які не підтримують WebXR, або для пристроїв з обмеженими можливостями відстеження.

Поза WebXR з різними фреймворками

Багато JavaScript-фреймворків спрощують розробку WebXR, зокрема:

• Three.js: Популярна бібліотека 3D-графіки з широкою підтримкою WebXR. Three.js надає абстракції для рендерингу, управління сценою та обробки вводу.
• Babylon.js: Ще один потужний 3D-рушій з надійними функціями WebXR. Babylon.js пропонує розширені можливості рендерингу та комплексний набір інструментів для створення імерсивних вражень.
• A-Frame: Декларативний фреймворк, побудований на базі Three.js, який дозволяє легко створювати WebXR-досвіди за допомогою синтаксису, схожого на HTML. A-Frame ідеально підходить для початківців та швидкого прототипування.
• React Three Fiber: Рендерер React для Three.js, що дозволяє створювати WebXR-досвіди за допомогою компонентів React.

Кожен фреймворк надає власний спосіб доступу та маніпулювання даними про позу WebXR. Зверніться до документації відповідного фреймворку для отримання конкретних інструкцій та прикладів.

Майбутнє пози WebXR

Технологія пози WebXR постійно розвивається. Майбутні досягнення можуть включати:

• Покращена точність відстеження: Нові сенсори та алгоритми відстеження призведуть до більш точного та надійного відстеження пози.
• Глибша інтеграція зі ШІ: Оцінка пози за допомогою штучного інтелекту може уможливити більш складні взаємодії з віртуальними середовищами.
• Стандартизоване відстеження рук: Покращені стандарти відстеження рук призведуть до більш послідовних та інтуїтивно зрозумілих взаємодій руками на різних пристроях.
• Покращене розуміння світу: Поєднання даних про позу з технологіями розуміння навколишнього середовища (наприклад, SLAM) дозволить створювати більш реалістичні та захопливі досвіди доповненої реальності.
• Кросплатформенна сумісність: Подальший розвиток для забезпечення максимальної кросплатформенності WebXR та пов'язаних технологій, що дозволить забезпечити глобальну доступність.

Висновок

Поза WebXR є фундаментальним будівельним блоком для створення переконливих та інтерактивних вражень віртуальної та доповненої реальності в вебі. Розуміючи принципи відстеження положення та орієнтації та дотримуючись найкращих практик, розробники можуть розкрити повний потенціал WebXR і створювати захопливі застосунки, що розширюють межі можливого. З розвитком технологій та зростанням їх впровадження, можливості WebXR стають безмежними, обіцяючи майбутнє, в якому веб стане справді імерсивним та інтерактивним середовищем для користувачів по всьому світу.