Virtuálna realita – princípy a obmedzenia jej používania


Virtuálna realita – princípy a obmedzenia jej používania

Vzdelávanie, práca a zábava vo virtuálnej realite sú tri základné kategórie, do ktorých patria činnosti, ktoré je možné realizovať prostredníctvom súčasných technológií. Progresívny technologický vývoj v posledných desaťročiach umožnil konštrukciu zariadení, ktoré poskytujú dostatočný výkon pre využitie virtuálnej reality a zároveň sa ich cena znížila natoľko, že sú prístupné pre bežných používateľov. Z hľadiska princípov je virtuálna realita využívaná už cca 50 rokov, ale len v poslednom období dochádza k masovej penetrácii tejto technológie do života bežných spotrebiteľov.

Spomínanej problematike sa venoval RNDr. Ján Lacko, PhD. (Fakulta informatiky, Paneurópska vysoká škola v Bratislave, VIS GRAVIS, s. r. o.) v rámci podujatia Paneurópska detská univerzita, organizovanom na pôde Paneurópskej vysokej školy. Táto atraktívna a zmysluplná letná aktivita pre deti sa konala od 13. 8. do 17. 8. 2018. Jej cieľom bolo zabávať mladých účastníkov a zároveň nadobúdať vzťah k vedomostiam, a to v spoločnosti uznávaných vysokoškolských pedagógov.

Ako využiť zmysly vo virtuálnej realite

Ako uvádza prednášajúci, cieľom virtuálnej reality je poskytnutie možnosti vzdelávania, práce a zábavy v umelo vytvorenom prostredí, bez obmedzení reality okolo nás. Na to, aby sme mohli o nejakom systéme prehlásiť, že je systémom virtuálnej reality, je potrebné aby tento spĺňal tri základné kritériá – vnorenie sa (immersion), interaktivita (interactivity) a systém musí bežať v reálnom čase (real-time). Z hľadiska používateľa môže byť ako systém virtuálnej reality vnímaná napr. aj počítačová hra, ktorá je zobrazená na monitore. Po istom čase „hrania“ dochádza u hráčov k abstrahovaniu okolia (do istej miery prestanú vnímať realitu okolo seba a sústredia sa iba na virtuálnu scénu, ponúkanú hrou samotnou), herné prostredie je renderované v reálnom čase a ponúka možnosť interaktivity v scéne (zmena pozície kamery, interakcia s objektmi a pod.).

Pre dokonalejší zážitok vo virtuálnej realite tak aby došlo k úplnému vnoreniu sa do virtuálnej reality, je potrebné zapojiť všetky zmysly človeka, t. j. zrak, sluch, hmat, chuť a čuch. Ľudia experimentovali s rôznymi zariadeniami a vedecké tímy stále prinášajú nové technológie, prostredníctvom ktorých je možné tieto zmysly ovplyvniť. Ukázalo sa, že najťažšie je možné simulovať nepreberné množstvo variet chutí a vôní, preto väčšina vedeckých tímov opustila možnosť ovplyvnenia chute a čuchu. Z hľadiska celkového vplyvu na vnorenie sa do virtuálnej reality však našťastie tieto dva zmysly nemajú výrazný vplyv. Prostredníctvom zostávajúcich zmyslov (zrak, sluch a hmat) dnes dokážeme pomocou virtuálnej reality navodiť u používateľa stav úplného vnorenia sa do virtuálneho prostredia.

Ako pokračuje RNDr. Ján Lacko, PhD., najdôležitejším zmyslom vo virtuálnej realite je zrak, prostredníctvom ktorého zdravý človek získava až 95 % všetkých informácií o vzhľade a priestorovom usporiadaní sveta okolo neho. Vďaka binokulárnemu videniu dokážeme vnímať svet v troch rozmeroch a odhadovať vzdialenosť jednotlivých objektov v scéne. Okrem binokulárneho videnia nám môžu pri simulácii veľkosti jednotlivých objektov, ich polohe vo virtuálnej scéne a vnímaní hĺbky pomôcť aj tzv. depth cues (poloha a smer tieňov, rýchlosť zmeny pozície objektov, porovnanie veľkosti objektov so známymi objektami, tvar a textúra povrchu objektov a pod.), ktoré sú schopnosťami získanými počas nášho vývoja od dieťaťa po dospelého človeka vďaka pozorovaniu okolia.

Ilustračné foto: zrak; Pixabay.com /TobiasD/

Druhým dôležitým zmyslom pre virtuálnu realitu je zvuk. Vďaka zvuku vieme zistiť smer k objektu, ktorý zvuk produkuje, prípadne odhadnúť jeho relatívnu vzdialenosť. Prostredníctvom ambientného zvuku je možné navodiť vo virtuálnom priestore rôznu atmosféru, ktorá má priamy vplyv na zážitok z virtuálnej scény vo virtuálnej realite. Z hľadiska interakcie je dôležitým zmyslom hmat (konštrukcia zariadení simulujúcich hmat je pomerne zložitá). Prostredníctvom hmatu sa snažíme používateľovi dať možnosť dotýkať sa, cítiť a manipulovať s virtuálnymi objektami. Ovplyvniť hmatové vnemy dokážeme prostredníctvom tzv. haptického renderingu, ktorý môže byť rozdelený na kinestetickú časť (vnímanie polohy tela používateľa a jeho pohyb) a taktilnú časť (priestorová distribúcia síl – vďaka nim vnímame napr. štruktúru povrchu). Zariadenia, prostredníctvom ktorých je možné simulovať haptickú odozvu, zvyčajne pracujú v obmedzenom rozsahu (z hľadiska priestoru). Na využitie týchto zmyslov sa zameriavajú konštruktéri zariadení, prostredníctvom ktorých je virtuálna scéna vo virtuálnej realite sprostredkovávaná používateľom.

Zariadenia pre virtuálnu realitu

Najčastejšie sa bežný používateľ virtuálnej reality stretne s headsetmi (okuliare), ktoré využívajú princíp side-by-side stereoskopického zobrazovania (displej je rozdelený na polovicu, pre každé oko sa renderuje scéna posunutá o malý kúsok) a široký uhol záberu na úrovni cca 110°. Vďaka senzorom vstavaným v samotnom headsete (akcelerometre, gyroskop, magnetometer) je možné určiť relatívnu rotáciu zariadenia okolo všetkých troch osí. Informácia o otočení sa využíva pri renderingu virtuálnej scény, na základe čoho má používateľ dojem, že sa nachádza uprostred scény a táto ho obklopuje 360° horizontálne a 180° vertikálne. Zároveň je možné túto informáciu využiť pri výpočte polohy zdrojov zvuku v priestore virtuálnej scény. Headsety, ktoré používajú ako výpočtové a zobrazovacie zariadenie smartfón, sa väčšinou spoliehajú iba na určenie relatívnej rotácie, toto však nie je vždy postačujúce. Ak sa používateľ chce pohybovať v priestore v nejakom určenom rozsahu, je potrebné určiť jeho absolútnu polohu vzhľadom na stanovenú súradnicovú sústavu v priestore, reprezentovanú rozmiestnením kalibrovaných externých kamier. Pre určenie absolútnej pozície sa využívajú dva základné princípy – outside-in, kde je poloha headsetu určená prostredníctvom jeho lokalizácie presne rozmiestnenými kalibrovanými externými kamerami snímajúcimi headset (prípadne polohu ovládačov) v infračervenom spektre. Druhý princíp je inside-out, kde sa poloha headsetu určuje spravidla pomocou dvojice kamier umiestnených na headsete a snímajúcich priestor okolo používateľa. Pomocou metód počítačového videnia je následne určená zmena polohy a rotácia používateľa v priestore.

Prečo vidím/nevidím svoje ruky vo virtuálnej realite?

Používateľ si svoju prítomnosť vo virtuálnej realite uvedomuje vďaka tomu, že virtuálna kamera reprezentuje jeho oči, t. j. pozerá sa priamo na virtuálne prostredie z pohľadu kamery. Vo virtuálnom priestore je používateľ reprezentovaný svojim avatarom, ktorého základné funkcie sú percepcia, lokalizácia, identifikácia, vizualizácia ďalších používateľov a ich akcií a vlastná sociálna reprezentácia. Dôležitou súčasťou je grafická reprezentácia avatara. V niektorých prípadoch nemusí byť používateľ zobrazený ako reálny objekt, ale postačuje iba virtuálna reprezentácia polohy pomocou kamery v scéne. Pre zvýšenie používateľského zážitku je vhodné pre uvedomenie si svojej prítomnosti vo virtuálnom prostredí vizualizovať napr. časti tela (najmä polohu a akciu rúk, pretože najväčšia časť interakcie vo virtuálnej scéne je realizovaná práve rukami). Pre zobrazenie polohy, rotácie a akcií rúk v priestore je možné využiť viaceré riešenia. Najčastejšie sa využívajú ovládače, ktoré sú snímané kamerami a tak je určená ich poloha v priestore. Pre reprezentáciu akcií rúk je možné využiť tlačidlá ovládačov. Vo virtuálnej scéne môžu byť ovládače reprezentované rôznymi vzhľadmi podľa použitého typu avatara (ruky, nástroje, krídla) alebo sú zobrazené rovnako ako vyzerajú v reálnom svete. Vizuálna reprezentácia je dôležitá pre zvýšenie zážitku z vnorenia sa do virtuálneho sveta. Okrem ovládačov je možné využiť aj zariadenia, ktoré snímajú polohu a gestá rúk používateľa kamerami, bez potreby mať takéto zariadenia priamo v rukách, t. j. používateľ má možnosť voľne využívať svoje ruky na interakciu so scénou. Pre niektoré typy aplikácii je vhodné použiť komplexnejšie systémy pre vizualizáciu polohy tela používateľa v priestore (poloha nôh, trupu a pod.). Väčšina takýchto systémov je založená na princípoch motion capture (snímania pohybu) s využitím napr. optického alebo elektromagnetického snímania.

Ilustračné foto: ruky; Pixabay.com /PublicDomainpictures/Väčšina systémov virtuálnej reality poskytuje z hľadiska voľnosti pohybu v scéne iba obmedzené možnosti, ktoré sú dané fyzickými obmedzeniami v reálnom svete (dĺžka dátových káblov, veľkosť voľného priestoru okolo používateľa). Pokiaľ sa používateľ dostane na hranicu vymedzeného priestoru, nemá možnosť prirodzene prejsť do ďalšej časti virtuálneho sveta. Existuje niekoľko možností, ako tento problém riešiť. Najjednoduchšími a najpoužívanejšími princípmi pre presun vo virtuálnom svete je možnosť využitia skokov. Tento princíp však nie je pre človeka prirodzený, pretože nekorešponduje so spôsobom premiestňovania sa v reálnom svete. V súčasnosti existujú technické zariadenia, ktoré dovoľujú používateľom pohyb v scéne na väčšie vzdialenosti. Od najdrahších, akými sú všesmerové pásy, až po zariadenia pri ktorých je používateľ fixovaný na mieste v oblasti pásu a premiestňuje sa pomocou pohybu v špeciálnych topánkach po polguľovej ploche. Ideálnym riešením pre pohyb používateľa vo virtuálnom svete je využitie nositeľných počítačov (umiestnených v batohu) a využitie systému snímania polohy inside-out, pri ktorom sa používateľ môže pohybovať takmer v akomkoľvek reálnom prostredí.

Prekážky použitia virtuálnej reality

RNDr. Ján Lacko, PhD. ďalej pripomína, že pri používaní virtuálnej reality je ovplyvnený ľudský vizuálny systém a v podstate je mozog klamaný za pomoci zmyslov tak, aby nadobudol dojem novej reality. V nej môže dochádzať k rôznemu spôsobu pohybu (od kráčania, cez lietanie, až po skokový pohyb na veľké vzdialenosti). Prostredníctvom zraku získava mozog vizuálnu informáciu o type pohybu používateľa v priestore. Táto informácia sa však môže líšiť od tej, ktorú mozgu poskytuje vestibulárny systém umiestnený vo vnútornom uchu. Prostredníctvom vestibulárneho systému vie mozog určiť polohu tela a zmenu stavu jeho polohy. V prípade, ak mozog dostáva protichodné informácie od vizuálneho a vestibulárneho systému o polohe tela, môže to viesť k nepríjemnému stavu nazývanému kinetóza (zažívajú ju niektorí ľudia aj pri ceste autom alebo lietadlom). Kinetóza sa môže vyskytnúť u10 – 30 % používateľov systémov VR. Najčastejšie sa vyskytuje pri použití systémov, ktoré nesledujú pohyb používateľa v priestore. Napríklad pri použití headsetov, ktoré pracujú s mobilnými telefónmi, nie je vo väčšine prípadov možné určenie pohybu používateľa (iba jeho rotáciu) a to má vplyv na zvýšené riziko kinetózy. Preto sa odporúča pri použití týchto zariadení sedieť alebo stáť na mieste a pre tvorcov obsahu existuje niekoľko odporúčaní, ako prípadné zdravotné nepríjemnosti eliminovať.

Väčšina výrobcov zariadení pre virtuálnu realitu neodporúča použitie týchto systémov pre deti mladšie ako 12 – 13 rokov. Existujú preto dva dôvody. Prvým dôvodom je, že pri kalibrácii headset pre používateľa je individuálne nastavený parameter separácie očí (vzdialenosť) a zariadenia nemajú možnosť ju nastavovať pre menšie hodnoty a druhým dôvodom je, že vývoj mozgu v detskom veku je pomerne zložitý a vplyvy iných vizuálnych a vestibulárnych informácii ho môžu pomerne výrazne ovplyvniť. Pravdou je, že pre druhý dôvod neexistuje v súčasnosti korektný vedecký výskum a je založený na odhadoch vedcov, ktorí sa venujú detskej neurológii. „Napriek tomu by mali platiť zásady využívania virtuálnej reality pre každého používateľa,“ uzavrel RNDr. Ján Lacko, PhD.

 

Odborný garant textu: RNDr. Ján Lacko, PhD., Fakulta informatiky, Paneurópska vysoká škola v Bratislave, VIS GRAVIS, s. r. o.

Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR

Ilustračné foto: Pixabay.com

Uverejnila: VČ

Hore
Veda v Centre
Publikácie Veda v CENTRE
kúpa časopisov jún 2016
Quark_2019
Bratislavská vedecká cukráreň
Aurelium - centrum vedy
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Extrapolácie 2019
Zaujímavosti vo vede
Míľnikom v oblasti sortimentu keramických materiálov bolo obdobie 2. svetovej vojny.
Zistite viac