Virtualna resničnost
Pozdravljeni v Frequenzi della scienci, oddaji Znanstvene redakcije Radia Študent. Nocoj bomo govorili o tehnologiji, ki se nam izmika že kar nekaj časa, a se je v zadnjih treh letih začela pospešeno razvijati. Vabimo vas, da z nami vstopite v radikalni svet virtualne resničnosti.
Holodeck, Metaverse, eXisteZ, OASIS in The Matrix je le nekaj imen iz sveta znanstvene fantastike, pod katerimi si predstavljamo popolno potopljenost v virtualne svetove. Svetovi, v katerem se lahko pred nami uresniči vse, kar si zamislimo. Oziroma, da vsaj tako občutimo.
V nocojšnji oddaji se bomo sprehodili od začetnih prizadevanj do najnovejših poskusov doseganja izkušnje virtualne resničnosti s pomočjo naglavnih zaslonov in drugih tehnologij. Raziskali bomo, zakaj je izjemno težko doseči iluzijo, da smo dejansko v drugem svetu, in kakšnih trikov se moramo poslužiti, da razrešimo tehnične probleme, ki nam jo onemogočajo. Govorili pa bomo tudi o aplikacijah virtualne resničnosti tako v zabavni industriji in novinarstvu kot tudi v znanosti. Zatorej vabljeni k poslušanju.
S poskusi igranja s čuti, da bi dosegli iluzijo resničnosti, so se začeli ukvarjati pionirji v petdesetih in šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Med te lahko kot prvega štejemo Morta Heiliga, ki je leta 1962 patentiral napravo Sensorama.
Ta naprava je bila navzven podobna igralnemu avtomatu, v katerega uporabnik vtakne glavo. Njen avtor je Sensoramo opisal kot teater prihodnosti, saj je bila pravo multimedijsko doživetje. Delovala je povsem analogno, a je kljub temu ponujala uporabniku izkušnjo tridimenzionalnega videa ali slik, vetra, vonjav, stereo zvoka in vibracij stola.
Kot prvega pravega prednika naglavnih zaslonov, ki so popularni danes, pa lahko štejemo The Sword of Damocles slavnega Ivana Sutherlanda, enega izmed pionirjev računalniške grafike. Sutherland je leta 1968 s sodelavcem na univerzi Harvard razvil naglavni sistem, ki je uporabniku pred oči projeciral sliko, ki jo je izračunal računalnik.
Sistem je bil zaradi teže pritrjen na strop. Preko mehanizma, ki je omogočal premikanje po sobi, pa je računalnik lahko spremljal tudi položaj uporabnika. Tako je bilo mogoče videti virtualni žičnati tridimenzionalni model iz večih strani in se sprehoditi okoli in skozi njega. Sutherlandov poskus ni prišel dlje od zidov laboratorija, a je bil zelo pomemben, ker je kot prvi popisal probleme, ki jih je potrebno razrešiti, da bi lahko dosegli prepričljiv vstop virtualno resničnost.
Pomemben del razvoja virtualne resničnosti so bili tudi simulatorji letenja, ki jih je v sedemdesetih letih začela največ uporabljati ameriška vojska. V osemdesetih in devetdesetih letih pa so priložnost pograbila podjetja, ki so začela razvijati svoje naglavne zaslone in druge pripomočke za virtualno resničnost. Svojo izkušnjo s komercialnimi sistemi iz tistega časa nam razloži novinar in raziskovalec Anh Hoà Truong iz univerze Standford.
I've been interested in virtual reality...
Zanimanje za razvoj virtualne resničnosti je upadlo sredi devetdesetih. Del razloga je bil v tem, da potrošniške naprave niso bile dovolj kakovostne. Izjemno dragi sistemi, ki so se uporabljali v laboratorijih, pa niso ponujali dosti boljše izkušnje. Upad zanimanja je sovpadal z razcvetom interneta in razvojem 3-D iger, ki so bile že same po sebi takrat dovolj impresivne.
Od leta 2012 naprej doživljamo preporod razvoja tehologije za simulacijo virtualne resničnosti. Začetek te renesanse najbolj zaznamuje uspešen Kickstarter navdušenca Palmerja Luckeya. Ta si je za cilj zadal narediti visokokakovostni naglavni sistem, ki bi stal približno 300 dolarjev in bi ga lahko uporabljali razvijalci za raziskovanje novega medija.
Luckeya sta gnala zanimanje za tehnologijo virtualne resničnosti in nezadovoljstvo, ko je ugotovil, da tehnologija, ki bi ustvarila prepričljivo iluzijo resničnosti, preprosto ne obstaja. Z raziskovalci in veterani VR tehnologije je na platformi za množično financiranje Kickstarter predstavil načrt za izdelavo razvijalskih prototipov svojega naglavnega sistema, ki ga je poimenoval Oculus Rift. Projekt je v tridesetih dneh zbiranja sredstev za skoraj desetkrat presegel svoj cilj in zbral dobrih 2 milijona 400 tisoč dolarjev.
V istem času se je z virtualno resničnostjo začelo ukvarjati tudi podjetje Valve Software, ki je z Oculusom sodelovalo, sedaj pa se z virtualno resničnostjo ukvarjajo tudi velika podjetja, kot sta Sony in Samsung. Nastal je cel spekter naprav, na vrhu katerega sta Oculus Rift in Valvov HTC Vive. Vmesni položaj zaseda Samsungov Gear VR, za najbolj dostopen izum pa se je izkazala Googlova domislica Cardboard.
Glede na to, da se je nova generacija virtualno resničnostne tehnologije lahko razvila ravno zaradi pametnih telefonov, ni presenetljvo, da lahko s koščkom kartona in dvema lečama pametni telefon uporabimo kot samostojen sistem za virtualno resničnost.
V izboljšanju izkušnje virtualne resničnosti pa so našli priložnost tudi razvijalci drugih naprav, ki naj bi obogatile izkušnjo, ki jo dobimo zgolj z nošenjem naglavnega sistema. Večjo vživetost v virtualni svet poskušajo zagotavljati razni sistemi za hojo na mestu, sistemi za zaznavanje premikov telesnih udov, vhodne enote v obliki pušk in podobno.
Vsa omenjena tehnologija je še zelo v povojih, a postaja iz leta v leto bolj prepričljiva. Da bo kaj kmalu postala resnično mainstream, pa dokazuje dejstvo, da je Facebook lansko leto kupil podjetje Oculus za 2 milijardi dolarjev, naslednje leto pa se že lahko nadejamo prvih potrošniških verzij naglavnih sistemov.
Virtualna resničnost je najbolj popularna v svetu računalniških iger. Njena uporabnost pa sega tudi na področje znanosti, novinarstva in nenazadnje umetnosti. V nadaljevanju bomo predstavili primere uporabe virtualne resničnosti za komuniciranje znanosti. Zakaj je ravno virtualna resničnost tako popularna in uporabna za namene medijev pove novinar in prejemnik Knight štipendije na stanfordski univerzi, Anh Hoá Truonga:
So virtual reality is interesting ...
Truong nam pojasni tudi, da obstajajo tri vrste vsebin, ki so v uporabi za izobraževanje in podajanje informacij v virtualni resničnosti, ki jo dosežemo s pomočjo naglavnih zaslonov:
V letošnjem letu je košarkarska liga NBA prvič ponudila ogled tekem s pomočjo tehnik virtualne resničnosti. Prav tako je New York Times v začetku meseca novembra izdal posebno aplikacijo, v kateri objavljajo video zgodbe, narejene za virtualno resničnost.
Uporabniki aplikacij se za nekaj minut preslikajo v oddaljeno resničnost in v življenje ljudi, ki jih zgodba prikazuje. Na podoben način lahko ustvarjalci predstavijo delovanje človeškega telesa ali pa se podajo v afriško divjino na safari. Truong pravi:
I work on how to use this medium in science stories...
Anh Hoá Truong se ukvarja tudi z razvijanjem aplikacij znotraj virtualne resničnosti. Podnebne spremembe so ena izmed največjih težav za naslednje generacije, zato so v stanfordskih laboratorijih razvili različne načine predstavitve posledic klimatskih sprememb. Truong nam predstavi igro, v kateri se lahko kot uporabnik virtualne resničnosti vživiš v severnega medveda in doživiš bridko polarno zimo:
Another project I am working on now ...
virtualnih svetov je postala mnogo bolj dostopna zaradi orodij za razvoj iger, kot sta Unreal Engine in Unity. Njuna prednost je predvsem preprostost uporabe zaradi obsežne dokumentacije in velikih skupnosti, ki je pripravljena pomagati novim uporabnikom.
Pozdravljeni na 89,3 MHz v oddaji Frequenzza della Scienza. V uvodu smo predstavili zgodovino virtualne resničnosti in prikazali uporabnosti v novih medijskih tehnologijah. V nadaljevanju se bomo posvetili virtualnemu okolju, ki so ga raziskovalci iz medicinskega inštituta Howard Hughes pripravili za miši, pri katerih raziskujejo prostorsko kognicijo in spomin.
Pri raziskovanju vedênja ljudi in drugih živali, se že dolgo pojavljajo težave z ekološko veljavnostjo preizkusov, izvedenih v laboratoriju, in nadzora nad vsemi spremenljivkami, ki so prisotne pri določenem preizkusu.
Raziskovalci uporabljajo abstrakcije resničnega sveta v eksperimentalnih pogojih. Udeleženci raziskav so postavljeni v strog okvir eksperimentalno sicer veljavnih in nadzorovanih raziskav, ki pa jim manjka resnični kontekst. Vse to vodi v vprašanje, kako splošne so zakonitosti vedênj, ki jih odkrijemo z omejenimi laboratorijski preizkusi, in ali lahko ta spoznanja prenesemo v razlage vedênja v resničnem življenju.
Ustvarjanje virtualne resničnosti in virtualnih okolij za namene raziskovanja vedênja omogoča izvajanje vedênjskih preizkusov, ki so veliko boljši približki resničnega življenja kot laboratorijski eksperimenti. Poleg tega lahko v virtualna okolja vključimo več dražljajev in jih sočasno nadzorujemo ter tudi lažje spremljamo in izmerimo vedênja udeležencev eksperimentov.
Eden izmed ciljev uporabe virtualne resničnosti v vedenjskih znanostih je hkratno spremljanje možganskih in vedênjskih odzivov, ki so analogni vedênjem in dogajanju v možganih v resničnem svetu. Tovrstne raziskave so vedno bolj pogoste pri proučevanju vedênja ljudi, a prav tako se biologi poslužujejo virtualnih okolij za raziskovanje živali.
V Washington DC smo na Medicinski Inštitut Howarda Hughesa poklicali postdoktorskega raziskovalca Nicholasa Sofroniewa, ki je razvil taktilno virtualno resničnost za raziskovanje vedênja miši. Najprej nam Sofroniew pove, kaj jih je zanimalo:
Z uporabo taktilnega virtualnega okolja so želeli tudi ustvariti bogato okolje za živali, da bi bolje spoznali naravo njihovega vedênja in okolja. Raziskovalno skupino iz Medicinskega inštututa Howard Hughes namreč zanima, kako živali oblikujejo spomine in kako se odločajo za premike v okolju. Poznavanje in raziskovanje prostorskega pomnenja so zelo pomembni tudi za razumevanje različnih nevrodegenerativnih bolezni pri ljudeh, kot sta na primer demenca in Alzheimerjeva bolezen, kjer pride do izgube spomina.
Virtualno okolje ponuja odlične možnosti za raziskovanje kognicije različnih živali in ni novost na področju za raziskovanja vedênja živali. Tudi Sofroniewa raziskovalna skupina je zamisel dobila iz predhodnih raziskav z žuželkami in drugimi živalmi:
Eksperimenti z živalmi s pomočjo virtualne resničnosti omogočajo nadzor nad živaljo in njenim premikanjem. Če raziskovalci sočasno raziskujejo dogajanje v možganih ljudi in živali pri določenem vedênju, mora biti glava preiskovancev čim bolj pri miru. To jim omogoča, da uspešno, s čim manj motnjami in šuma, posnamejo dogajanje v možganih ter živčnih celicah.
Pri interakcijah z okoljem in aktivaciji živčevja nikoli ni udeleženo le eno čutilo. Na vprašanje, zakaj je za miši pomembna taktilna virtualna resničnost, in ne le virtualna resničnost v spektru vida, odgovori Sofroniew:
Some of the strongest senses ...
Zatem opiše napravo, s katero ustvarijo taktilno virtualno resničnost, ki jim omogoča preučevanje premikanja miši in odzivov njihovih brčic:
Poleg taktilne virtualne resničnosti, s katero raziskujejo sposobnosti zaznavanja zunanjega okolja z brčicami pri miših, v laboratorijih na Medicinskem Inštitutu Howarda Hughesa razmišljajo, da bi taktilni virtualni resničnosti dodali tudi vizualno. Dodatek vidne virtualne resničnosti bo namreč mišim omogočil večjo vživetost v samo virtualno okolje. Sofroniew o tem, kako se bo tega lotil:
To do the visual virtual reality...
Pomembna področja raziskovanja so tudi prostorska kognicija, preučevanje integracije različnih čutil in tudi socialna nevroznanost. Pri tem raziskovalne skupine ustvarijo skupno virtualno resničnost, v kateri pride do socialnih interakcij, pri čemer sočasno spremljajo tudi možgane udeležencev eksperimenta.
Od uporabe virtualne resničnosti v bazični znanosti do aplikacije virtualne resničnosti v namene zdravljenja in terapij. Virtualna resničnost omogoča zdravnikom in terapevtom ustvariti nadzorovano okolje za kliente, ki so se k njim zatekli po pomoč. Uporabna je za zdravljenje pretirane senzitivnosti za bolečino, psihiatričnih bolezni in nevrorehabilitacijo. Uporabljati se jo je začelo tudi kot pripomoček pri zdravljenu post-travmatskega stresnega sindroma. Primera zdravljenja nam predstavi Anh Hoa Truong, francoski novinar in raziskovalec virtualne resničnosti iz Stanforda:
Poleg tega jo psihologinje in psihologi uporabljajo tudi za premagovanje anksioznosti in različnih fobij. Truong:
Pozdravljeni nazaj v oddajo Frequenza della Scienca znanstvene redakcije Radia Študent. V današnji oddaji govorimo o virtualni resničnosti. Kot smo spoznali, obstaja ogromno različnih aplikacij virtualne resničnosti, a vseeno se zastavlja vprašanje, kako močno se živali in ljudje vživijo v virtualna okolja. Nevroznanstvenik Nicholas Sofroniew nam pojasni, da lahko vživetost v virtualno okolje oziroma učinkovitost iluzije pri miših preverimo neposredno v možganih:
If you give them a rich environment…
Razlike med učinkovitim in neučinkovitim virtualnim okoljem ljudje zaznamo precej hitro. Izkaže se, da je za učinkovito iluzijo virtualne resničnosti zelo pomembna konsistentnost, saj smo se evolucijsko razvili, da zelo hitro zaznamo najmanjše spremembe v našem zaznavanju. Vsako stvar, ki jo zaznamo, možgani nenehno primerjajo z našimi pričakovanji, ki jih ustvarimo z našim modelom predstave o svetu.
Z VR tehnologijo je še vedno precej težko doseči prepričljivo iluzijo resničnosti. Pri tem pa ni tako pomembna vsebina grafične reprezentacije virtualnih okolij, ampak usklajenost naših čutov.
Zaradi razlike med tem, kaj pričakujemo, da bomo občutili, in med tem, kar zares čutimo pri naših premikih, mnogo ljudi pri uporabi naglavnega sistema obide slabost. Primer je recimo razlika med hitrimi premiki v virtualnem okolju, ki jih zaznajo naše oči, in mirovanjem v resničnem okolju, ki ga zazna naš vestibularni sistem. Odgovornost, da nam ne postane slabo zaradi prisilnih virtualnih premikov, nosijo razvijalci iger in virtualnih okolij. Več o tem, kako doseči stabilno okolje, pove Matija Zupančič iz slovenskega podjetja Art Rebel 9, ki je razvilo VR simulacijo smučarskih skokov v Planici.
Drugi aspekt pa so vzroki, ki izvirajo v sami zasnovi naprav za virtualno resničnost. Razdelimo jih lahko na odzivnost posameznih delov naglavnega sistema in artefakte, ki nastanejo zaradi zelo hitrih relativnih premikov oči glede na zaslon.
Najpomembnejše sredstvo za simulacijo virtualne resničnosti danes predstavlja naglavni sistem, ki nas obda s podobami iz virtualnega sveta. Naglavni sistem ne prikazuje zgolj podob pred našimi očmi, ampak mora zagotavljati, da ima vsak naš gib takojšnje posledice. Doseganje hitrosti, s katero se izvede zaprta zanka, ki privede od našega giba do spremembe na zaslonu, predstavlja torej pomembno skupino problemov. V nadaljevanju oddaje bomo analizirali, zakaj pri uporabi naglavnih zaslonov za VR tako hitro opazimo, da se slika popači, zamaže, utripa ali pa nas preprosto zmede.
Naša toleranca do zamika med vzrokom in posledico je v primeru virtualne resničnosti precej manjša kot pri ostalih interaktivnih sistemih, denimo konvencionalnih računalniških igrah. Te so bolj preproste, ker pri njih ne premikamo glave in oči, svet znotraj njih pa zaznavamo kot nekaj, kar se dogaja na ravni plošči.
Da bi se vsaka podoba pravilno izrisala na zaslonu, mora sistem stalno zaznavati usmerjenosti in položaj uporabnikove glave, slika pa se mora izrisovati dovolj hitro in v dovolj veliki resoluciji. Za gladko izkušnjo mora biti časovni zamik med našim gibom in spremembo na zaslonu nekje med 7 in 15 milisekund. Čim so vrednosti višje, lahko prispevajo k slabosti, ki jo doživljajo nekateri ljudje.
V nadaljevanju oddaje bomo spoznali tako programske kot tudi fizične komponente naglavnega sistema ter opisali, kako prispevajo k zamiku.
Z razvojem pametnih telefonov je tehnologija napredovala do te mere, da je sedaj moč zelo poceni dobiti majhne, lahke in zmogljive zaslone z veliko gostoto pikslov. Problem, ki ostaja, pa je, da noben od teh zaslonov ni bil razvit za virtualno resničnost in zato ni dovolj odziven.
Večina zaslonov za mobilne telefone in tudi namizne monitorje deluje s frekvenco osveževanja 60 hertzov, kar predstavlja časovni zamik dobrih 16 in pol milisekund med eno in drugo osvežitvijo slike, to pa je za tekočo izkušnjo že več kot zgornja meja. Z večjo frekvenco osveževanja se bo v prihodnosti odzivni čas zmanjšal do polovice.
Drugi način za povečanje odzivnosti je programska rešitev. Večina zaslonov osvežuje piksle v istem zaporedju kot stari katodni monitorji in televizije, kjer je elektronski snop potoval v vrsticah od leve proti desni in od zgoraj navzdol. S tehniko, imenovano racing the beam, lahko v računalniku preračunamo zgolj tiste dele slike, ki so tik pred tem, da se bodo izrisali.
Nadgradnjo te zamisli o računanju samo določenih delov slike, ki jo uporablja najnovejša verzija Oculus Rifta, nam razloži Matija Zupančič:
Tehnika racing the beam, ki smo jo omenili prej, je uporabna tudi, ker zmanjša artefakte, ki se pojavijo pri tipih zaslonov, ki se uporabljajo v naglavnih sistemih. Pri njih se osvežuje vsak piksel posebej, za razliko od tistih zaslonov, pri katerih se celoten zaslon osveži.
Omenjeni učinek je zaradi kombinacije vestibulo-okularnega refleksa in opto-kinetičnega refleksa veliko bolj opazen z naglavnim sistemom. Ali povedano preprosteje - ker lahko s pogledom sledimo premikajočim se predmetom med tem, ko sami obračamo glavo. Zaradi omenjenih refleksov se glede na zaslon naše oči lahko premikajo zelo hitro. To povzroči, da zaporedni fotoni, ki jih sprejemamo, na mrežnici ne tvorijo istega lika kot na izvoru.
Ravno hitro relativno gibanje očesa glede na zaslon je razlog za vrsto težav, zaradi katerih moramo zaslone na naglavnih sistemih obravnavati drugače. Celo v hipotetičnem primeru, da časovni zamik med premikom glave in izrisom na zaslonu ne obstaja, se lahko soočamo s problemom razmazane slike.
Pri premiku očesa glede na zaslon prihaja v oko svetloba iz posameznega piksla iz različnih kotov v času, ko je ta piksel prižgan. V naslednji osvežitvi se ugasne, namesto njega pa se prižge drugi piksel, ki predstavlja isto točko v virtualnem okolju. Omenjen fenomen povzroča dva učinka. Prvi je omenjena razmazanost slike, drugi pa diskretni preskok slike, ki jo lahko opazimo kot hipno podvojitev.
Rešitev obeh problemov predstavlja povečanje frekvence osveževanja zaslona, vendar je to zaradi zahtevnosti preračunavanja povečanega števila slik na sekundo praktično le do neke mere. Drugi trik, ki dodatno zmanjša razmazano sliko, je uporaba zaslonov z manjšo persistenco, kar pomeni, da je zaslon prižgan le delček intervala med dvema osvežitvama.
Pri celotnem sistemu je pomembno omeniti tudi leči, skozi kateri gledamo zaslon. Ti prestavita žarišče pogleda v neskončnost ter povečata vidni kot. Moderni sistemi vsebujejo asferične leče, ki so dovolj lahke in omogočajo majhnost sistema. Sliko zelo distorziajo, a to kompenzira računalnik, ki že prej obratno distorzira sliko na zaslonu.
Zanesljivo in hitro sledenje položaju uporabnika je zelo pomembno za uporabniško izkušnjo, zato naglavni sistem največkrat vsebuje pospeškomer, giroskop in magnetometer. Ta zaznavala so zelo odzivna, a po nekaj minutah zgubijo zanesljivost, zato Oculus in Sonyjev Morpheus vsebujeta tudi infrardeče diode, katerih položaj spremlja zunanja kamera. Sistem s tem stalno popravlja napake pospeškomera in giroskopa, ki bi se sicer nakopičile skozi čas.
Nadvse zanimiv preboj v primeru sledenja omogoča tudi sistem za sledenje Lighthouse pri napravi HTC Vive, ki jo razvija Valve Software. Vive za razilko od Oculusa omogoča prosto sprehajanje po sobi veliki do 5 krat 5 metrov.
Ostali deli sistema, kjer prihaja do časovnih zamikov, so prenos podatkov do zaslona in preračunavanje slike, ki naj jo pokaže zaslon. Vse dele zanke od premika do izrisa na zaslonu je izjemno težko dobro optimizirati in tudi razvijalci morajo skrbeti, da je število sličic na sekundo dovolj visoko.
Na srečo pa ni vsak aspekt zasnove naših možganov in teles tak, da nam otežuje prepričljivo iluzijo virtualnega sveta. Izkaže se, da zelo težko hodimo naravnost, če ne uporabljamo oči, da popravljamo orientacijo. To pa pride prav ravno pri virtualni resničnosti, saj je z manipulacijo slike in pametno zasnovanim virtualnim svetom možno ustvariti iluzijo neskončnega prostora.
Virtualna resničnost je tehnologja v vzponu. Čeprav boljši in tehnološko bolj dovršeni izdelki še niso na voljo vsem potrošnikom in tudi vse tehnične težave še niso odpravljene, vse kaže, da ima virtualna resničnost svetlo prihodnost. A nikoli ne vemo, kaj nam bo ta prinesla. Bo ta virtualna renesansa, ki se po dobrih dvajsetih letih spet vrača, zacvetela ali bo poniknila tako, kot se je to zgodilo v devetdesetih?
V virtualni svet sta se podala Jaka in Zarja.
Brala sva Biga in Valentina, tehniciral je Jure G.
Dodatni viri:
Dodaj komentar
Komentiraj