Virtual Reality

Το κανονικό μοντέλο ενός συστήματος εικονικής πραγματικότητας

Όραση, ακοή, αφή, γεύση, όσφρηση αλλά και η αίσθηση του προσανατολισμού βρίσκουν στα συστήματα εικονικής πραγματικότητας εξαρτήματα που τους απευθύνονται αποκλειστικά. Αντίστοιχα, ο χρήστης ενός συστήματος εικονικής πραγματικότητας αντιδρά στα ερεθίσματα που δέχονται οι αισθήσεις του χρησιμοποιώντας το μυϊκό σύστημα. Οι μυϊκές κινήσεις του χρήστη διεγείρουν με την σειρά τους διάφορα αισθητήρια όργανα, τα οποία παράγουν πληροφορίες για την αλλαγή του εικονικού περιβάλλοντος μέσω του υπολογιστή. Ο σκοπός της ύπαρξης ενός τέτοιου συστήματος είναι η συμμετοχή του χρήστη σ’ενα περιβάλλον όπου θα ήταν αδύνατο ή πάρα πολύ δύσκολο να βρεθεί κάτω από φυσιολογικές συνθήκες. Το σύστημα αυτό στηρίζεται στη σύνδεση των αισθήσεων και του μυϊκού συστήματος με ένα υπολογιστικό σύστημα μέσω ειδικών εξαρτημάτων. Η σύνδεση αυτή διευκολύνεται χάρη στη δημιουργία ενός εικονικού περιβάλλοντος, το οποίο προσομοιώνει όσο γίνεται πιο ρεαλιστικά τις συνθήκες που συναντώνται στην πραγματικότητα. Οι επιπτώσεις από την συμμετοχή του χρήστη σ’ενα τέτοιο εικονικό περιβάλλον διακρίνονται σε εμπειρικές και λειτουργικές. Πράγματι ο χρήστης αποκτά προσωπική εμπειρία από την συμμετοχή του στο εικονικό περιβάλλον ενώ ταυτόχρονα αποκτά μια επιχειρησιακή δυνατότητα διεκπεραιώνοντας ορισμένες λειτουργίες.

Αισθητήρες και διεγέρτες : τα απαραίτητα εξαρτήματα

Επιμείναμε στην περιγραφή μερικών συστημάτων εικονικής πραγματικότητας για να γίνει κατανοητό το πόσο το τεχνικό μέρος κάθε συστήματος εξαρτάται από την προσομοίωση της εμπειρίας αλληλεπίδρασης.

Όλα τα συστήματα που αναφέραμε παραπάνω απέχουν αρκετά από το κλασικό μοντέλο του χρήστη που εξερευνά το εικονικό περιβάλλον εξοπλισμένος μ’ενα κράνος εμβύθισης και φορώντας στο χέρι ένα γάντι αλληλεπίδρασης.

Άλλωστε ο πρόγονος των συστημάτων εικονικής πραγματικότητας είναι οι γνωστοί μας εξομοιωτές πτήσης που στις πιο προωθημένες μορφές τους είναι ολόκληρα δωμάτια ολόιδια με τα πιλοτήρια των αεροπλάνων.

Οι πιλότοι που εκπαιδεύονται φοράνε τις κανονικές στολές, πατάνε πραγματικά κουμπιά, αλλά πετάνε σ’ένα εικονικό κόσμο χωρίς ν’αφήσουν το έδαφος. Εκείνο όμως που βγαίνει αβίαστα από τις παραπάνω περιγραφές είναι ότι εκτός από τον υπολογιστή, με βιβλιοθήκες γραφικών χρειάζονται απαραιτήτως εξαρτήματα-αισθητήρες και εξαρτήματα-διεγέρτες. Διεγέρτες των ανθρώπινων ματιών είναι οι κάθε είδους οθόνες ενώ αισθητήρες των κινήσεων του χεριού είναι τα γάντια δεδομένων (data gloves) και οι κάθε είδους λαβές (όπως το joystick). Από την άλλη μεριά, αισθητήρες των ανθρώπινων κινήσεων είναι οι κάμερες βίντεο ενώ διεγέρτες του εικονικού περιβάλλοντος μπορεί να είναι διάφορα ομοιώματα δείκτη (ομοίωμα του δακτύλου ή cursor).

Γυαλιά εμβύθισης

Γιατί χρειάζεται να βάλουμε γυαλιά όταν συμμετέχουμε σε μια εμπειρία εικονικής πραγματικότητας; Δεν χρειάζεται πάντα όπως φαίνεται ήδη από τα παραδείγματα που αναφέραμε. Χρειάζεται όμως στις περιπτώσεις που έχει σημασία να απομονωθεί ο χρήστης από το εξωτερικό περιβάλλον και να βυθιστεί μέσα στο εικονικό κόσμο που εξερευνούμε. Στην περίπτωση αυτή η αποκλειστική απασχόληση των αισθητηρίων της όρασης με τον εικονικό κόσμο ευνοεί την εμπειρία την εμβύθισης. Τα κεφάλια μέσα λοιπόν, πράγμα που δεν έχει μόνο πλεονεκτήματα αλλά και μειονεκτήματα. Ας τα δούμε όλα, όμως αναλυτικά.

Τα γυαλιά εμβύθισης στηρίζονται συνήθως πάνω σε κράνη εμβύθισης (Head Mouted Displays ή HMD στην διεθνή ορολογία), αλλά η τεχνολογική πρόοδος επιτρέπει την αφαίρεση του κράνους.

Τα περισσότερα παράπονα των χρηστών για τα HMD παλιάς τεχνολογίας αφορούσαν την χαμηλή ανάλυση της εικόνας, το στενό οπτικό πεδίο, την “φτωχή“ στερεοσκοπική όραση, την περιορισμένη διάρκεια ζωής και το συνολικό βάρος των εξαρτημάτων. Επιπλέον παράπονα αφορούσαν τα ζητήματα υγιεινής αφού οι ίδιες συσκευές χρησιμοποιούνταν από πολλούς διαφορετικούς ανθρώπους.

Από τις ατέλειες, η πιο σημαντική βελτίωση αφορά το βάρος των εξαρτημάτων : από την στιγμή που η σχεδίαση των εξαρτημάτων πλησιάζει την μορφή των γυαλιών και όχι του κράνους, η αφαίρεση του βάρους είναι εντυπωσιακή.

Όμως, εκεί που αναμένονται περαιτέρω βελτιώσεις είναι στα οπτικά χαρακτηριστικά των οθονών κρυστάλλων οι οποίες χρησιμοποιούνται στα γυαλιά εμβύθισης.

Για να καταφέρουν να ξεπεράσουν την χαμηλή ανάλυση (συνήθως 240x520) οι κατασκευαστές γυαλιών ξέθαψαν κάποιες παλιές τεχνικές χρωματισμού της ασπρόμαυρης τηλεόρασης με την χρήση κόκκινων, πράσινων και μπλε φίλτρων.

Η ανάλυση της εικόνας γίνεται έτσι παρόμοια με αυτή της VGA (640x480), αλλά τα χρώματα αποδίδονται κατά (καλή) προσέγγιση.

Η ανάλυση είναι καθοριστική και για την τιμή αγοράς. Οι φτηνές οθόνες κυμαίνονται από 100 ως 1.000$ ΗΠΑ, οι μέσης ανάλυσης φτάνουν ως τα 10.000 $ ενώ οι υψηλές ανάλυσης φτάνουν στα 100.000 $. Τα γυαλιά εμβύθισης που έχει προωθήσει η SEGA για την αγορά video games κοστίζουν γύρω στα 200 $.

BOOM, στερεοσκοπικά γυαλιά και άλλες εναλλακτικές οθόνες

Είναι βέβαια δυνατό να αποφύγει κανείς να φοράει γυαλιά εμβύθισης. Αποκλείεται όμως να μην χρειαστεί ενδιάμεσα εξαρτήματα ανάμεσα στα μάτια του και την οθόνη του υπολογιστή για να έχει μια εμπειρία εμβύθισης. Η διαθέσιμη τεχνολογία σήμερα μας επιτρέπει να επιλέξουμε ανάμεσα σε τρεις εναλλακτικές λύσεις: στερεοσκοπικά γυαλιά, BOOM και φυσούνες προσαρμογής στην οθόνη του υπολογιστή.

Τα στερεοσκοπικά γυαλιά διακρίνονται σε ενεργητικά και παθητικά. Μέσω των γυαλιών αυτών ο χρήστης βλέπει υπό διαφορετική γωνία την οθόνη από το αριστερό ή το δεξί μάτι. Η διαφορά των 6 περίπου μοιρών δίνει την εντύπωση της στερεοσκοπικής

όρασης. Στα ενεργητικά γυαλιά είναι δυνατό να μεταβάλλεται η προβαλλόμενη στην οθόνη του υπολογιστή εικόνα ανάλογα με την στροφή του κεφαλιού. Για το σκοπό αυτό τοποθετείται επάνω από την οθόνη μια κεραία ανίχνευσης του κεφαλιού.

Δυστυχώς, το σύστημα αυτό απορυθμίζεται σχετικά εύκολα.

Τα παθητικά γυαλιά λειτουργούν σε συνεργασία με φίλτρα οθόνης που δίνουν την στερεοσκοπική αίσθηση. Αυτό ευνοεί την ταυτόχρονη παρακολούθηση της οθόνης από πολλούς χρήστες αλλά δεν επιτρέπει την μεταβολή της εικόνας ανάλογα με την κίνηση του κεφαλιού. Τα ενεργητικά στερεοσκοπικά γυαλιά κοστίζουν περίπου 1.300 $, ενώ τα παθητικά (χωρίς φίλτρα οθόνης) περίπου 60 $

Τα BOOM (Binocular Omni-Oriented Monitor) είναι ένας άλλος τύπος οθονών εμβύθισης υψηλής ανάλυσης που στηρίζονται πάνω σ’ενα μηχανικό βραχίονα. Το BOOM3C της Fakespace δίνει εικόνα ανάλυσης 1280x960 και επιτρέπει πλήρη έλεγχο του εξαρτήματος μέσω ειδικών λαβών που συνδέονται με τον υπολογιστή. Η ανίχνευση της θέσης και του προσανατολισμού του χρήστη γίνεται με την μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια, κάτι που πληρώνει κανείς με το ανάλογο κόστος πάνω από 90.000 $. Ένα φθηνότερο (και καλό) BOOM διατίθεται από την LEEP και ακούει στο όνομα Cyberface3. Το εξάρτημα αυτό, που στηρίζεται σε τεχνολογία LCD (CRT για το BOOM3C) κοστίζει κάτω από 10.000 $.

Τέλος, το Cyberhood της Simsalabin System είναι μια φυσούνα που προσαρμόζεται στην οθόνη του υπολογιστή. Μέσα από ένα σύστημα φακών και καθρεπτών διαχωρίζει την εικόνα της οθόνης σε δυο εικόνες αριστερής και δεξιάς πόλωσης έτσι ώστε να δίνεται η στερεοσκοπική αίσθηση στο χρήστη. Το εξάρτημα κοστίζει 200$ αλλά πρέπει να συνοδεύεται και από το κατάλληλο πρόγραμμα απεικόνισης των δύο εικόνων (για το αριστερό και το δεξί μάτι).

Γάντια αλληλεπίδρασης

Ποιος θα φανταζότανε ποτέ ότι μια από τις πιο προηγμένες τεχνολογικά δραστηριότητες της ανθρωπότητας στο τέλος του εικοστού αιώνα θα ήταν το άγγιγμα εικονικών αντικειμένων μέσω ειδικών γαντιών αλληλεπίδρασης με τον υπολογιστή; Το πως φτάσαμε ως εδώ είναι μια ιστορία εικονικής πραγματικότητας.

Να είσαι αγκαλιά με το πλάσμα που δεν μπορείς να αγγίξεις σε πραγματικές συνθήκες δεν είναι μόνο όνειρο των ερωτομανών, αλλά και η αγωνία πολλών επιστημόνων με αφηρημένο ή επικίνδυνο αντικείμενο εργασίας. Από όλα τα μέλη του σώματος ο άνθρωπος έχει χρησιμοποιήσει το χέρι του περισσότερο για να έρθει σε επαφή με το περιβάλλον. Νοιώθει με την αφή, ενεργεί τεχνικές κινήσεις με τα δάκτυλα και την παλάμη και γενικά αισθάνεται το χώρο του και το εαυτό του μέσω του χεριού του.

Ανιχνεύοντας τις κινήσεις του χεριού

Μέσα από μια μεγάλη πορεία, το ανθρώπινο χέρι έχει αποκτήσει μεγάλη επιδεξιότητα και μια αξιόλογη γκάμα από κινήσεις. Στην αλληλεπίδραση όμως με τον υπολογιστή οι μόνες κινήσεις που επιτρέπονταν αρχικά ήταν η πληκτρολόγηση και η μετακίνηση πάνω σε μια επίπεδη επιφάνεια ενός εργαλείου σχεδίασης (ποντίκι ή ηλεκτρονικό στυλό). Οι επιστήμονες της πληροφορικής θέλησαν να δοκιμάσουν και άλλες δυνατότητες αλληλεπίδρασης που θα στηρίζονταν σε μια πιο ελεύθερη κίνηση του χεριού, κάτι που σήμαινε ότι έπρεπε να επινοηθούν εξαρτήματα που θα ανίχνευαν με ακρίβεια τις ελεύθερες αυτές κινήσεις. Τα πρώτα πειράματα ανίχνευσης έγιναν στο MIT (Massachussets Institute of Technology). Στα μέσα της δεκαετίας 1970, οι επιστήμονες του Architecture Machine Group του MIT χρησιμοποίησαν τον πρώτο εμπορικό αισθητήρα ανίχνευσης της εταιρίας Polhemus σ’ενα ερευνητικό πρόγραμμα. Ο αισθητήρας της Polhemous, που χρησιμοποιείται σήμερα ευρύτατα, λειτουργεί με ακτινοβολία παλμικού μαγνητικού πεδίου από μια σταθερή πηγή. Βοηθητικοί αισθητήρες που συνδέονται οπουδήποτε μέσα στην περίμετρο λειτουργίας της πηγής ανιχνεύονται από την θέση τους μέσα στον τρισδιάστατο χώρο και από τον προσανατολισμό τους ως προς την σταθερή πηγή.

Με την τοποθέτηση των βοηθητικών αισθητήρων πάνω στο χέρι, οι επιστήμονες του MIT είχαν την δυνατότητα να παρακολουθούν με ακρίβεια τις κινήσεις ενός ειδώλου του χεριού σε μια μεγάλη οθόνη τοίχου. Ο χρήστης του συστήματος είχε τη ευχέρεια να επιλέξει διάφορα αντικείμενα ζωγραφισμένα στον εικονικό χώρο, να τα μετακινήσει ή να πάρει πληροφορίες για το περιεχόμενό τους.

Από τότε, η τεχνολογία ανίχνευσης έχει εφαρμόσει διάφορες μεθόδους για την συλλογή πληροφοριών σχετικά με την μηχανική κατάσταση του βραχίονα και τις χειρονομίες. Οι μέθοδοι αυτοί διακρίνονται σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη κάνει χρήση οπτικών, μαγνητικών και ακουστικών αισθητήρων για την ανίχνευση της θέσης ενώ η δεύτερη βασίζεται στην εφαρμογή (σαν γάντι) ηλεκτρομαγνητικών αισθητήρων στην παλάμη και τα δάκτυλα για την ανίχνευση του σχήματος του χεριού.

Προοπτικές για το Μέλλον

Όπως είναι απόλυτα φυσικό οι χρήστες των συστημάτων εικονικής πραγματικότητας δέχονται να φορέσουν γάντια (ή γυαλιά) μόνο αν αυτό τους προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στην άσκηση της εργασίας τους. Αλλιώς προτιμούν να έχουν το χέρι ελεύθερο και ένα σύστημα οπτικής ανίχνευσης των κινήσεών τους θα ήταν η ενδεδειγμένη λύση για μια φυσική πρόσβαση στον εικονικό κόσμο. Όμως έχουμε ακόμα πολύ δρόμο μέχρι να φτάσουμε στην υλοποίηση οπτικών συστημάτων μεγάλης ακρίβειας. Άλλες λύσεις προβλέπεται να προτιμηθούν στο άμεσο μέλλον, μερικές από τις οποίες αναφέρουμε παρακάτω.

Μια απ’αυτές τις εναλλακτικές λύσεις αφορά τη χρήση των joysticks. Η λύση αυτή δίνει την δυνατότητα περισσότερων συνδυασμών απ’όσους προσφέρουν οι συνηθισμένες κινήσεις του χεριού (ένδειξη, λαβή, άγγιγμα, μετακίνηση αντικειμένου). Μια ιδιαίτερα χρήσιμη δυνατότητα των joysticks είναι η δυνατότητα κάλυψης αποστάσεων του εικονικού χώρου μ’ενα πάτημα κουμπιού. Τα περισσότερα γάντια δεδομένων περιορίζονται σε μικρό-μετακινήσεις, όπως θα γινόταν και με τις κινήσεις του βραχίονα στην πραγματικότητα. Η εταιρία Division είναι η μόνη ευρωπαϊκή που ανταγωνίζεται Αμερικάνους και Ιάπωνες στην ιδιότυπη αγορά των συστημάτων εικονικής πραγματικότητας με joysticks.

Μια δεύτερη τάση που αναπτύσσεται ραγδαία είναι η χρήση γαντιών δεδομένων σε ειδικές εφαρμογές όπως είναι η μετάφραση του αλφάβητου των κωφαλάλων ή η σκηνοθεσία ταινιών με συνθετικές μαριονέτες.

Και στις δύο περιπτώσεις η γκάμα των κινήσεων του χεριού είναι τυποποιημένες, στην πρώτη περίπτωση για να υπάρχει ένας διεθνής κώδικας επικοινωνίας ενώ στη δεύτερη για να έχει η μαριονέτα μια αναγνωρίσιμη από τους θεατές προσωπικότητα.

Όπως και να έχει το πράγμα, βρισκόμαστε πάλι μπροστά σε μια σύγκλιση πολλών διαφορετικών τεχνολογιών γύρω από τα συστήματα εικονικής πραγματικότητας. Οι εφαρμογές της τηλεπληροφορικής και της ρομποτικής τείνουν να εκμεταλλεύονται κάθε νέο εξάρτημα αλληλεπίδρασης με τον υπολογιστή που επινοείται για τις εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας. Οι εξελίξεις μπορούν να προέλθουν απ’ οποιοδήποτε τομέα, κάτι που έχει γίνει ήδη κατανοητό από την πείρα που έχουμε με την ανάπτυξη των παιχνιδιών βίντεο και τις “παρενέργειες” της ανάπτυξης αυτής στον επιστημονικό κόσμο.