Nauka w świecie cyfrowym okiem młodego inżyniera – początki techniki wirtualnej rzeczywistości | Politechnika Gdańska

Treść strony

Aktualności

Data dodania: 2022-03-02

Nauka w świecie cyfrowym okiem młodego inżyniera – początki techniki wirtualnej rzeczywistości

VR studenci
Istnieje wiele definicji wirtualnej rzeczywistości (VR – Virtual Reality), które mniej lub bardziej pokrywają się ze sobą w różnych obszarach naukowych. Obecnie, gdy używamy określenia „VR”, odnosi się ono konkretnie do obrazów generowanych komputerowo, które zostały specjalnie zaprojektowane tak, aby dostarczyć jak najbardziej immersyjnych wrażeń. Sporo opracowań mówi również, że VR musi być interaktywna. To odróżniałoby ją od takich rozwiązań jak filmy 3D, wideo 360 itp.

W kontekście historycznym należy poszerzyć definicję o to, co jest postrzegane jako VR lub sąsiadujące z VR. Niektóre z kamieni milowych poruszanych w tym artykule stały się prekursorami również innych form wyrazu artystycznego czy mediów. W niektórych przypadkach przełomowym momentem było raczej powstanie pomysłu niż opracowanie konkretnego wynalazku lub technologii.
– 1838 – Sir Charles Wheatstone był pierwszym, który w 1838 roku opisał stereopsję, związaną z widzeniem obuocznym. Badania wykazały, że mózg łączy dwie fotografie (jedno oko oglądające każdą osobno) tego samego obiektu, wykonane z różnych ujęć. Obraz daje wrażenie głębi i zanurzenia, czyli właściwości przestrzennych trójwymiarowości. Technologia ta umożliwiła Wheatstone’owi opracowanie najwcześniejszego typu stereoskopu. Używał on pary luster ustawionych pod kątem 45 stopni do oczu użytkownika, z których każde odbijało obraz umieszczony z boku.
– 1935 – Pisarz science-fiction Stanley Weinbaum przedstawił fikcyjny model VR w swoim opowiadaniu Pygmalion’s Spectacles. W opowieści główny bohater spotyka Profesora, który wynalazł parę gogli pokazujących „film, który prezentuje jeden widok i dźwięk […], smak, zapach i dotyk […] Jesteś w opowieści, rozmawiasz z cieniami (postaciami), a one odpowiadają […], cała historia dotyczy Ciebie, a Ty w niej jesteś”.
– 1956 – Operator filmowy Morton Heilig opracował Sensoramę, pierwszą maszynę VR, opatentowaną w 1962 roku. Była to duża kabina, która mogła pomieścić jednocześnie do czterech osób. Łączyła wiele technologii, aby stymulować wszystkie zmysły człowieka: połączony kolorowy obraz 3D, dźwięk, wibracje, zapach i efekty atmosferyczne, takie jak wiatr. Efekty te uzyskano za pomocą perfum, wibrującego krzesła, głośników stereo i stereoskopowego ekranu 3D. Heilig uważał, że Sensorama to „kino przyszłości” i chciał w pełni „zanurzyć” ludzi w swoich filmach. Opracowano dla niego w sumie 6 filmów krótkometrażowych.
– 1965 – Informatyk Ivan Sutherland przedstawił swoją wizję wyświetlacza Ultimate. Koncepcja polegała na prezentacji wirtualnego świata oglądanego w hełmie, który miałby tak dobrze odtwarzać rzeczywistość, że użytkownik nie byłby w stanie odróżnić jej od realnego świata. Obejmowałaby ona możliwość interakcji użytkownika z obiektami. Koncepcja ta przedstawiała sprzęt komputerowy tworzący świat wirtualny i zapewniający jego funkcjonowanie w czasie rzeczywistym. Ta wizja postrzegana jest jako zasadniczy i podstawowy VR. Jak wspominał sam autor: „Ostatecznym wyświetlaczem byłoby oczywiście pomieszczenie, w którym komputer może kontrolować istnienie materii. Krzesło wystawione w takim pokoju byłoby wystarczająco dobre, aby na nim usiąść. Kajdanki znajdujące się w takim pomieszczeniu byłyby realnym ograniczeniem, a pocisk byłby śmiertelny. Przy odpowiednim zaprogramowaniu taki wyświetlacz mógłby dosłownie być Krainą Czarów, do której weszła Alicja”.
– 1968 – Ivan Sutherland, we współpracy z Bobem Sproullem, opracowali pierwszy hełm w wirtualnej rzeczywistości, nazwany Mieczem Damoklesa. To mocowanie na głowę, połączone z komputerem, było dość prymitywnym rozwiązaniem, ponieważ mogło pokazywać tylko proste wirtualne kształty drucianych ramek. Sprzęt ten nigdy nie wyszedł poza obręb laboratorium, bo był zbyt ciężki, aby użytkownicy mogli go wygodnie nosić. Musieli być oni przypięci pasami, gdyż cała instalacja była zawieszona pod sufitem.
– 1975 – Videoplace Myrona Kruegera było pierwszą interaktywną platformą VR, która została wyświetlona w Milwaukee Art Center. Krueger używał grafiki komputerowej, projektorów, kamer wideo, wyświetlaczy wideo i technologii pozycjonowania. Co ciekawe, nie wykorzystał wcale gogli ani rękawiczek. Cała instalacja składała się z ciemnych pomieszczeń z dużymi ekranami wideo, które otaczały użytkownika w wirtualnej rzeczywistości. Użytkownicy mogli zobaczyć wygenerowane komputerowo sylwetki imitujące ich własne ruchy i czynności. Ruchy ludzi były rejestrowane kamerą i przenoszone na sylwetkę awatara. Ponadto uczestnicy rozgrywki w różnych pokojach mogli wchodzić w interakcje z sylwetkami innych osób w tym samym wirtualnym świecie.
– 1982 – Rękawiczki Sayre, pierwszy manipulator przewodowy, zostały opracowane przez firmę Sandin and Defanti. Monitorowały ruchy rąk za pomocą emiterów światła i fotokomórek w palcach rękawic. Gdy użytkownik poruszał palcami, ilość światła padającego na fotokomórkę zmieniała się, co następnie przekształcało ruchy palców w sygnały elektryczne. To osiągnięcie stanowiło początek komputerowego rozpoznawania gestów.
– 1985 – Jaron Lanier i Thomas Zimmerman założyli firmę VPL Research, która była pierwszym sprzedawcą gogli i rękawiczek VR. Naukowcy opracowali szereg urządzeń, takich jak: DataGlove, EyePhone HMD i Audio Sphere.
– 1991 – Naukowiec NASA Antonio Medina zaprojektował system VR do kierowania robotami marsjańskimi z Ziemi w czasie rzeczywistym. Oczywiście wzięto pod uwagę znaczące opóźnienia w komunikacji związane z dystansem i propagacją sygnału radiowego między planetami. System ten nosił nazwę „Komputerowo symulowanej teleoperacji”.
Również w tym roku grupa Virtuality uruchomiła automaty zręcznościowe VR, na których gracze mogli bawić się w świecie gier 3D. Był to pierwszy masowo produkowany system rozrywki VR.
– 1997 – Naukowcy z Georgia Tech i Emory University wykorzystali VR do opracowania scenariuszy stref wojennych dla weteranów biorących udział w terapii z powodu zespołu stresu pourazowego. Ich technologia nazywana była Wirtualnym Wietnamem.
– 2007 – Firma Google wprowadziła Street View, wykorzystując zdjęcia kilku miast przy użyciu układu kamer 12-ściennych w jadącym samochodzie.
– 2010 – Palmer Luckey, 18-letni przedsiębiorca, stworzył pierwszy prototyp gogli Oculus Rift. Charakteryzował się unikalnym 90-stopniowym polem widzenia, a liczba dostarczanych obrazów opierała się na mocy obliczeniowej komputera. To urządzenie spowodowało ponowne zainteresowanie techniką VR.
– 2014 – Gigant mediów społecznościowych Facebook wykupił firmę, która opracowała Oculus Rift. W tym roku pojawiły się także Google Cardboard, PlayStation VR i Samsung Gear VR. Nagle rzeczywistość wirtualna stała się popularnym tematem wśród użytkowników konsol i urządzeń mobilnych.
– 2016 – W tym czasie w branży wirtualnej rzeczywistości działało już co najmniej 230 firm. Duże koncerny, takie jak: Amazon, Apple, Facebook, Google, Microsoft, Sony, Samsung, miały grupy robocze pracujące nad techniką wirtualnej, ale i także rozszerzonej rzeczywistości. Znaczna część sprzętu była słabo zoptymalizowana. Na przykład większość platform sprzętowych miała przyciski zintegrowane w słuchawkach lub goglach, odpowiedzialnych za obsługę dotyku. Z kolei wbudowane wyświetlacze charakteryzowały się niską rozdzielczością (poniżej Full-HD), małą liczbą klatek na sekundę, a prezentowane obrazy były nieskomplikowane, oferując ograniczoną interakcję i immersję.
Obecnie – systemy rzeczywistości wirtualnej są częścią samodzielnych zestawów VR. Na przykład Oculus Quest znalazł się u ok. 425 tys. odbiorców. Z kolei za najdoskonalszy, szczególnie z uwagi na obsługę gestów, uznawany jest Valve Index. Wiele narzędzi, produktów i usług dostępnych jest nie tylko na platformach stacjonarnych, ale również na urządzeniach przenośnych, typu smartfony lub tablety. Tzw. „VR na telefon” w bardzo prosty sposób pozwala wprowadzić nowe osoby w świat tej technologii. Jest znacznie tańszy, nie wymaga dodatkowego okablowania, w przeciwieństwie do rozwiązań stacjonarnych, a przy obecnym potencjale urządzeń mobilnych możliwe jest płynne renderowanie wysokiej jakości obrazów. Jednakże nadal istnieje sporo problemów, takich jak sterowanie, obsługa gestów czy wysokie zużycie baterii. Większość urządzeń nie jest przystosowana do umieszczania w goglach. Telefony i tablety mają problemy z odprowadzaniem ciepła, przez co szybko się nagrzewają. Dodatkowo, skoro telefon jest zamknięty w goglach, w czasie użytkowania tracimy możliwość komunikacji głosowej lub tekstowej.
Zdaje się jednak, że przy odpowiednim wsparciu, biorąc także pod uwagę popularność i wszechobecność mobilnych platform sprzętowych i programowych, techniki rozszerzonej rzeczywistości będą przeżywać swoją drugą młodość w następnych latach.
*
Artykuł powstał w ramach pracy magisterskiej pt. „Analiza efektywności silników VR na platformach mobilnych”, realizowanej na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej.

Karol Fidurski, Przemysław Falkowski-Gilski / Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki
przemyslaw.falkowski-gilski@pg.edu.pl

160 wyświetleń