Двигун просторових координат WebXR: Майстерне керування системами координат

WebXR пропонує неймовірний потенціал для створення захоплюючих та інтерактивних досвідів доповненої та віртуальної реальності безпосередньо в браузері. Фундаментальним аспектом розробки надійних та точних XR-застосунків є розуміння та керування двигуном просторових координат. Цей допис у блозі надає вичерпний посібник із системи координат WebXR, охоплюючи простори відліку, перетворення координат та найкращі практики для створення переконливих XR-досвідів для глобальної аудиторії.

Розуміння системи координат WebXR

В своїй основі WebXR покладається на тривимірну декартову систему координат. Ця система використовує три осі (X, Y та Z) для визначення положення та орієнтації об'єктів у просторі. Розуміння того, як ці осі визначені та як WebXR їх використовує, є вирішальним для створення точних та інтуїтивно зрозумілих XR-досвідів.

• Вісь X: Зазвичай представляє горизонтальну вісь, з додатними значеннями, що простягаються праворуч.
• Вісь Y: Зазвичай представляє вертикальну вісь, з додатними значеннями, що простягаються вгору.
• Вісь Z: Представляє вісь глибини, з додатними значеннями, що простягаються до глядача. Зауважте, що в деяких конвенціях (як-от OpenGL), вісь Z простягається *від* глядача; однак WebXR зазвичай використовує протилежну конвенцію.

Початок координат (0, 0, 0) — це точка, де перетинаються всі три осі. Усі положення та орієнтації в XR-сцені визначаються відносно цього початку.

Напрямок системи координат

WebXR зазвичай використовує правосторонню систему координат. У правосторонній системі, якщо ви зігнете пальці правої руки від позитивної осі X до позитивної осі Y, ваш великий палець вказуватиме у напрямку позитивної осі Z. Важливо пам'ятати про цю конвенцію при виконанні обчислень та перетворень.

Простори відліку: Основа просторового розуміння

Простори відліку є основою просторового розуміння у WebXR. Вони надають контекст для інтерпретації положень та орієнтацій об'єктів у XR-сцені. Кожен простір відліку визначає свою власну систему координат, дозволяючи розробникам прив'язувати віртуальний контент до різних точок відліку.

WebXR визначає кілька типів просторів відліку, кожен з яких служить певній меті:

• Простір відліку глядача (Viewer Reference Space): Цей простір відліку прив'язаний до голови глядача. Його початок зазвичай знаходиться між очима користувача. Коли користувач рухає головою, простір відліку глядача рухається разом з ним. Це корисно для створення контенту, зафіксованого на голові, наприклад, індикатора на лобовому склі (HUD).
• Локальний простір відліку (Local Reference Space): Локальний простір відліку прив'язаний до початкової позиції користувача. Він залишається нерухомим відносно реального середовища, навіть коли користувач переміщується. Це ідеально підходить для створення досвідів, де віртуальні об'єкти повинні залишатися прив'язаними до певного місця у фізичному просторі користувача. Уявіть віртуальну рослину, розміщену на реальному столі — локальний простір відліку утримає рослину на цьому місці.
• Обмежений простір відліку (Bounded Reference Space): Схожий на локальний простір відліку, але він також визначає межу або об'єм, в межах якого призначений для роботи XR-досвід. Це допомагає гарантувати, що користувач залишається в безпечній та контрольованій зоні. Це особливо важливо для VR-досвідів у масштабі кімнати.
• Необмежений простір відліку (Unbounded Reference Space): Цей простір відліку не має заздалегідь визначених меж. Він дозволяє користувачеві вільно переміщатися у потенційно необмеженому віртуальному середовищі. Це поширено у VR-досвідах, таких як симулятори польотів або дослідження величезних віртуальних ландшафтів.
• Простір відліку відстеження (Tracking Reference Space): Це найфундаментальніший простір. Він безпосередньо відображає відстежувану позу апаратного забезпечення. Зазвичай ви не взаємодієте з ним безпосередньо, але інші простори відліку будуються на його основі.

Вибір правильного простору відліку

Вибір відповідного простору відліку є вирішальним для створення бажаного XR-досвіду. Розгляньте наступні фактори при прийнятті рішення:

• Мобільність: Чи буде користувач переміщатися в реальному світі? Якщо так, локальний або обмежений простір відліку може бути більш доречним, ніж простір відліку глядача.
• Прив'язка: Чи потрібно вам прив'язувати віртуальні об'єкти до конкретних місць у реальному світі? Якщо так, локальний простір відліку є найкращим вибором.
• Масштаб: Який масштаб XR-досвіду? Обмежений простір відліку важливий, якщо досвід призначений для конкретного фізичного простору.
• Комфорт користувача: Переконайтеся, що обраний простір відліку відповідає очікуваному руху та взаємодії користувача. Використання необмеженого простору для невеликої ігрової зони може призвести до дискомфорту.

Наприклад, уявіть, що ви створюєте AR-застосунок, який дозволяє користувачам розміщувати віртуальні меблі у своїй вітальні. Локальний простір відліку був би ідеальним вибором, оскільки він дозволив би користувачам переміщатися по кімнаті, тоді як віртуальні меблі залишалися б прив'язаними до свого початкового місця.

Перетворення координат: З'єднання просторів

Перетворення координат є важливими для переведення положень та орієнтацій між різними просторами відліку. Вони дозволяють правильно позиціонувати та орієнтувати віртуальні об'єкти в XR-сцені, незалежно від руху користувача або обраного простору відліку. Уявіть це як переклад між різними мовами — перетворення координат дозволяють WebXR розуміти, де знаходяться речі, незалежно від того, якою "мовою" (простором відліку) вони описані.

WebXR використовує матриці перетворення для представлення перетворень координат. Матриця перетворення — це матриця 4x4, яка кодує зсув, обертання та масштабування, необхідні для перетворення точки з однієї системи координат в іншу.

Розуміння матриць перетворення

Матриця перетворення поєднує кілька операцій в одній матриці:

• Зсув (Translation): Переміщення об'єкта вздовж осей X, Y та Z.
• Обертання (Rotation): Обертання об'єкта навколо осей X, Y та Z. Це часто представляється внутрішньо кватерніонами, але в кінцевому підсумку зводиться до компонента матриці обертання в загальному перетворенні.
• Масштабування (Scale): Зміна розміру об'єкта вздовж осей X, Y та Z.

Множачи координати точки (представлені як 4D-вектор) на матрицю перетворення, ви можете отримати перетворені координати в новій системі координат. Багато API WebXR виконають множення матриць за вас, але розуміння основної математики є вирішальним для складних сценаріїв.

Застосування перетворень у WebXR

WebXR надає кілька методів для отримання та застосування перетворень:

• XRFrame.getViewerPose(): Повертає позу глядача (положення та орієнтацію) у заданому просторі відліку. Це дозволяє визначити положення глядача відносно конкретної точки відліку.
• XRFrame.getPose(): Повертає позу XRInputSource (наприклад, контролера) або XRAnchor у заданому просторі відліку. Це важливо для відстеження положення та орієнтації контролерів та інших відстежуваних об'єктів.
• Використання бібліотек для роботи з матрицями: Бібліотеки, такі як gl-matrix (https://glmatrix.net/), надають функції для створення, маніпулювання та застосування матриць перетворення. Ці бібліотеки спрощують процес виконання складних перетворень.

Наприклад, щоб розмістити віртуальний об'єкт на відстані 1 метра перед головою користувача, вам спочатку потрібно отримати позу глядача за допомогою XRFrame.getViewerPose(). Потім ви створите матрицю перетворення, яка зміщує об'єкт на 1 метр вздовж осі Z простору відліку глядача. Нарешті, ви застосуєте це перетворення до положення об'єкта, щоб розмістити його в правильному місці.

Приклад: Перетворення координат за допомогою gl-matrix

Ось спрощений приклад на JavaScript з використанням gl-matrix для перетворення координат:

// Імпортуємо функції gl-matrix
import { mat4, vec3 } from 'gl-matrix';

// Визначаємо точку в локальному просторі
const localPoint = vec3.fromValues(1, 2, 3); // Координати X, Y, Z

// Створюємо матрицю перетворення (приклад: зсув на (4, 5, 6))
const transformMatrix = mat4.create();
mat4.translate(transformMatrix, transformMatrix, vec3.fromValues(4, 5, 6));

// Створюємо вектор для зберігання перетвореної точки
const worldPoint = vec3.create();

// Застосовуємо перетворення
vec3.transformMat4(worldPoint, localPoint, transformMatrix);

// worldPoint тепер містить перетворені координати
console.log("Перетворена точка:", worldPoint);

Найкращі практики керування системою координат у WebXR

Ефективне керування системою координат є вирішальним для створення точних, стабільних та інтуїтивно зрозумілих XR-досвідів. Ось деякі найкращі практики, яких варто дотримуватися:

• Вибирайте правильний простір відліку: Ретельно розгляньте характеристики кожного простору відліку та виберіть той, що найкраще відповідає потребам вашого застосунку.
• Мінімізуйте перемикання просторів відліку: Часте перемикання між просторами відліку може призвести до накладних витрат на продуктивність та потенційних неточностей. Намагайтеся мінімізувати кількість перемикань просторів відліку у вашому застосунку.
• Ефективно використовуйте матриці перетворення: Матриці перетворення є обчислювально інтенсивними. Уникайте створення та застосування непотрібних перетворень. Кешуйте матриці перетворення, коли це можливо, для покращення продуктивності.
• Враховуйте відмінності в системах координат: Будьте в курсі можливих відмінностей у конвенціях систем координат між різними XR-пристроями та бібліотеками. Переконайтеся, що ваш застосунок правильно обробляє ці відмінності. Наприклад, деякі старіші системи або контент можуть використовувати лівосторонню систему координат.
• Ретельно тестуйте: Ретельно тестуйте ваш застосунок на різних XR-пристроях та в різних середовищах, щоб переконатися, що система координат працює правильно. Звертайте увагу на точність, стабільність та продуктивність.
• Розумійте представлення пози (Pose): Пози WebXR (XRPose) містять як положення, так і орієнтацію (кватерніон). Переконайтеся, що ви правильно витягуєте та використовуєте обидва компоненти. Часто розробники помилково припускають, що поза містить *лише* дані про положення.
• Враховуйте затримку (Latency): XR-пристрої мають властиву їм затримку. Намагайтеся прогнозувати пози, щоб компенсувати цю затримку та покращити стабільність. WebXR Device API надає методи для прогнозування поз, що може допомогти зменшити відчутну затримку.
• Зберігайте світовий масштаб: Зберігайте ваш світовий масштаб послідовним. Уникайте довільного масштабування об'єктів у вашій сцені, оскільки це може призвести до артефактів рендерингу та проблем з продуктивністю. Намагайтеся підтримувати співвідношення 1:1 між віртуальними та реальними одиницями.

Поширені помилки та як їх уникнути

Робота з системами координат у WebXR може бути складною, і легко припуститися помилок. Ось деякі поширені помилки та способи їх уникнення:

• Неправильний порядок множення матриць: Множення матриць не є комутативним, що означає, що порядок, у якому ви множите матриці, має значення. Завжди переконуйтеся, що ви множите матриці в правильному порядку для досягнення бажаного перетворення. Зазвичай перетворення застосовуються в порядку: Масштабування, Обертання, Зсув (SRT).
• Плутанина між локальними та світовими координатами: Важливо розрізняти локальні координати (координати відносно власної системи координат об'єкта) та світові координати (координати відносно глобальної системи координат сцени). Переконайтеся, що ви використовуєте правильну систему координат для кожної операції.
• Ігнорування напрямку системи координат: Як було зазначено раніше, WebXR зазвичай використовує правосторонню систему координат. Однак деякий контент або бібліотеки можуть використовувати лівосторонню систему координат. Будьте в курсі цих відмінностей і обробляйте їх належним чином.
• Неврахування висоти очей: При використанні простору відліку глядача, початок координат зазвичай знаходиться між очима користувача. Якщо ви хочете розмістити об'єкт на рівні очей користувача, вам потрібно врахувати висоту очей користувача. Об'єкти XREye, що повертаються XRFrame.getViewerPose(), можуть надати цю інформацію.
• Накопичення дрейфу: У AR-досвідах відстеження іноді може дрейфувати з часом, що призводить до зміщення віртуальних об'єктів відносно реального світу. Впроваджуйте техніки, такі як замикання циклу (loop closure) або візуально-інерційна одометрія (VIO), щоб зменшити дрейф та підтримувати вирівнювання.

Розширені теми: Якорі та просторове картування

Окрім базових перетворень координат, WebXR пропонує більш розширені функції для просторового розуміння:

• Якорі (Anchors): Якорі дозволяють створювати стійкі просторові зв'язки між віртуальними об'єктами та реальним світом. Якір — це точка в просторі, яку система намагається утримувати нерухомою відносно оточення. Навіть якщо пристрій тимчасово втратить відстеження, якір спробує відновити своє положення після відновлення відстеження. Це корисно для створення досвідів, де віртуальні об'єкти повинні залишатися прив'язаними до конкретних фізичних місць, навіть якщо користувач переміщається або відстеження пристрою переривається.
• Просторове картування (Spatial Mapping): Просторове картування (також відоме як розуміння сцени або відстеження світу) дозволяє системі створювати 3D-представлення оточення користувача. Це представлення може використовуватися для перекриття віртуальних об'єктів реальними об'єктами, увімкнення фізичних взаємодій між віртуальними та реальними об'єктами та забезпечення більш захоплюючого та правдоподібного XR-досвіду. Просторове картування підтримується не скрізь і вимагає специфічних апаратних можливостей.

Використання якорів для стійких просторових зв'язків

Щоб створити якір, вам спочатку потрібно отримати XRFrame та XRPose, що представляє бажане місце для якоря. Потім ви можете викликати метод XRFrame.createAnchor(), передавши XRPose. Метод повертає об'єкт XRAnchor, який представляє новостворений якір.

Наступний фрагмент коду показує, як створити якір:

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

// Створюємо якір
const anchor = frame.createAnchor(pose);

// Обробляємо помилки
if (!anchor) {
  console.error("Не вдалося створити якір.");
  return;
}

// Якір тепер створено, і він намагатиметься підтримувати своє
// положення відносно реального світу.

Глобальні аспекти доступності

При розробці WebXR-досвідів для глобальної аудиторії важливо враховувати доступність. Це включає такі фактори, як:

• Підтримка мов: Надайте переклади для всього текстового та аудіо контенту.
• Культурна чутливість: Будьте уважні до культурних відмінностей та уникайте використання зображень або мови, які можуть бути образливими або недоречними в певних культурах.
• Методи введення: Підтримуйте різноманітні методи введення, включаючи контролери, голосові команди та взаємодію на основі погляду.
• Захитування (Motion Sickness): Мінімізуйте захитування, уникаючи швидких або різких рухів, забезпечуючи стабільну систему відліку та дозволяючи користувачам налаштовувати поле зору.
• Порушення зору: Надайте опції для налаштування розміру та контрастності тексту та інших візуальних елементів. Розгляньте можливість використання аудіо підказок для надання додаткової інформації.
• Порушення слуху: Надайте субтитри або транскрипції для всього аудіо контенту. Розгляньте можливість використання візуальних підказок для надання додаткової інформації.

Висновок

Майстерне керування системою координат є фундаментальним для створення переконливих та точних WebXR-досвідів. Розуміючи простори відліку, перетворення координат та найкращі практики, ви можете створювати XR-застосунки, які є одночасно захоплюючими та інтуїтивно зрозумілими для користувачів по всьому світу. Оскільки технологія WebXR продовжує розвиватися, глибоке розуміння цих основних концепцій стане ще більш критичним для розробників, які прагнуть розширити межі імерсивних веб-досвідів.

Цей допис у блозі надав вичерпний огляд керування системою координат у WebXR. Ми заохочуємо вас експериментувати з обговореними тут концепціями та техніками, а також досліджувати документацію WebXR API для отримання додаткової інформації. Застосовуючи ці принципи, ви можете розкрити повний потенціал WebXR та створити справді трансформаційні XR-досвіди для глобальної аудиторії.