Tam gdzie fikcja spotyka się z rzeczywistością | Politechnika Gdańska

Laboratorium Zanurzonej Wizualizacji Przestrzennej (LZWP), bo o nim mowa, służy badaniom i dydaktyce dotyczącej rzeczywistości wirtualnej. Jego urządzenia przeznaczone są do wytwarzania wrażenia przebywania w świecie generowanym komputerowo. Podstawą funkcjonowania tego laboratorium nie są więc typowe dla nauk technicznych pomiary parametrów materiałów i zjawisk czy też otrzymywanie nowych substancji o pożądanych właściwościach lub odkrywanie nowych faktów fizycznych, tylko oddziaływanie na człowieka w celu zanurzenia go (stąd drugi człon nazwy) w świat wykreowany sztucznie. Do uzyskania tego efektu stosuje się tu nie tylko popularne ostatnio zestawy nagłowne, ale nade wszystko jaskinie rzeczywistości wirtualnej (Cave Automatic Virtual Environment, CAVE).
Jakie korzyści daje zanurzenie człowieka w rzeczywistość wirtualną? Czy poza rozrywką rzeczywistość wirtualna może zaoferować coś naukowcowi lub inżynierowi? Okazuje się, że możliwości są ogromne i dotyczą praktycznie każdej dyscypliny. Możliwości te można pogrupować w trzy ogólne zastosowania: wirtualny pokaz, wirtualny trening oraz terapia wspomagana rzeczywistością wirtualną. Zastosowania te zostaną pokrótce omówione poniżej z nadzieją, że Czytelnik zainspirowany przedstawionymi przykładami uświadomi sobie zastosowania laboratorium, które mogłyby wspomóc jego pracę badawczą, inżynierską czy jakąkolwiek inną.

Trzy zastosowania wirtualnej rzeczywistości

Wirtualny pokaz pozwala na ukazanie człowiekowi obiektu lub miejsca, które albo jeszcze nie istnieje (wirtualne prototypowanie), albo już nie istnieje (wirtualna rekonstrukcja), albo jest odległe, albo z jakichś innych względów niedostępne, albo też stanowi wirtualną materializację jakiejś abstrakcji (wizualizacja naukowa). W LZWP i jego jaskiniach inwestor może więc przejść się po zaprojektowanym budynku i jego otoczeniu przed rozpoczęciem jego realizacji, historyk architektury może zobaczyć, jak dawno temu wyglądały wnętrza przebudowanego później zabytku, kryminolog może skonfrontować nowo ujawnione fakty ze zrekonstruowanym miejscem dawnego zdarzenia, nauczyciel mechanik może wyjaśnić swojemu studentowi zasady sterowania frezarką pięcioosiową, a projektant jachtów może przeanalizować ukazany wstęgami przepływ powietrza wokół zaproponowanej przez niego nowej sylwetki jachtu.
Wirtualny trening umożliwia z kolei przećwiczenie przez uczestnika symulacji procedur postępowania przy pracy z trudną do odtworzenia sytuacją lub niedostępnym w danej sytuacji urządzeniem, albo też gdy koszt tego ćwiczenia jest wysoki, ewentualnie wiąże się z niebezpieczeństwem dla użytkownika lub jego otoczenia. W jaskiniach LZWP można więc przeegzaminować inspektora okrętowego, czy poprawnie identyfikuje usterki na statku, strażaka, czy skutecznie walczy z ogniem, opiekuna młodzieży, czy bezpiecznie potrafi poprowadzić ewakuację z płonącego budynku szkoły, technika, czy właściwie składa urządzenie z dostępnych komponentów, żołnierza, czy postępuje zgodnie z procedurami dotyczącymi zadań na polu walki.
Terapia wspomagana rzeczywistością wirtualną dotyczy zarówno psychologii, jak i medycyny. Rzeczywistość wirtualna stanowi dla psychologów niespotykane wcześniej narzędzie do w pełni kontrolowanego otaczania osoby cierpiącej na dowolną fobię wirtualnym czynnikiem fobicznym w celu odwrażliwienia jej na ten czynnik. Leczenie arachnofobii (lęku przed pająkami) czy akrofobii (lęku wysokości) zyskuje więc nowe możliwości. Natomiast dla lekarzy rzeczywistość wirtualna stanowi niezastąpiony bodziec motywacyjny do rehabilitacji, zwłaszcza u młodych pacjentów. Odpowiednio przygotowane gry pozwalają na wykonywanie zaleconych ćwiczeń rehabilitacyjnych w formie rozrywki, w miejsce monotonnych i nurzących ćwiczeń fizycznych. Rehabilitacja za pomocą gier rzeczywistości wirtualnej wydaje się bardzo obiecująca w pierwszym rzędzie dla chorych na dystrofię mięśniową Duchenne’a i choroby demielinizacyjne (np. stwardnienie rozsiane).

Od gogli do jaskini

Koncepcja zestawów nagłownych rzeczywistości wirtualnej zrodziła się już ponad 60 lat temu, jednak dopiero siedem lat temu na rynku pojawiły się pierwsze urządzenia o w miarę przystępnej cenie, co wzbudziło na nie popyt nie tylko w kontekście czysto rozrywkowym (gry komputerowe), ale również zastosowań niezwiązanych z rozrywką. Wyzwoliło to rywalizację różnych producentów sprzętu elektronicznego, co zaowocowało wieloma dostępnymi aktualnie na rynku rozwiązaniami, ulepszanymi w kolejnych wydaniach.
Zestawy nagłowne mają jednak pewną immanentną wadę. Otóż wymagają one umocowania wyświetlacza w stałej pozycji wobec oczu i głośników wobec uszu. Oznacza to jak na razie konieczność nakładania na głowę ok. pół kilograma sprzętu optoelektronicznego. Co więcej, uczestnik symulacji nie widzi ani swojego ciała, ani nawet swoich rąk, widzi co najwyżej dość mało wiarygodnie wyglądające ich awatary. Warto też dodać, że w przypadku obrotu głowy obrót ten musi być najpierw wykryty, po czym dopiero może spowodować wygenerowanie nowego obrazu. Opóźnienie to we współczesnych zestawach nagłownych wydaje się praktycznie niezauważalne, ale nim właśnie najczęściej tłumaczy się chorobę symulatorową dość częstą wśród użytkowników tych zestawów.
Jaskinia rzeczywistości wirtualnej stanowi odmienną koncepcję dostarczenia obrazu i dźwięku do uczestnika symulacji. Zamiast przymocowywania ich źródeł do głowy, otacza nimi użytkownika ze wszystkich stron. Jaskinia rzeczywistości wirtualnej stanowi zatem pomieszczenie, którego ściany są ekranami 3D. Osoba przebywająca w jej wnętrzu jest otoczona obrazami trójwymiarowymi, dzięki czemu odnosi wrażenie przebywania wewnątrz wirtualnego świata. Na głowę zakłada jedynie lekkie okulary stereoskopowe znane z kin 3D. Widzi swoje własne ciało, w tym ręce wraz z trzymanymi w dłoni kontrolerami, a także innych uczestników symulacji. W przypadku obrotu głowy obraz już czeka na odpowiedniej ścianie, nie ma więc opóźnienia. Wrażenie zanurzenia w wirtualnym świecie wzmacnia śledzenie pozycji głowy użytkownika i generacja obrazu z perspektywy jego oczu. W konsekwencji choroba symulatorowa nie pojawia się w jaskini prawie wcale.
LZWP posiada trzy jaskinie rzeczywistości wirtualnej o różnej złożoności i stopniu zanurzania użytkownika w wirtualny świat. Tworzą one swego rodzaju linię produkcyjną aplikacji przygotowywanych do jaskiń. Pierwszych testów aplikacji dokonuje się w najmniejszej i najprostszej jaskini MiniCAVE, bazującej na czterech monitorach 3D 27”. Następnie przeprowadza się weryfikację aplikacji w większej i bardziej złożonej jaskini MidiCAVE o wymiarach 2,12 m × 2,12 m × 1,34 m, na którą składają się cztery ekrany projekcyjne tworzące trzy ściany i podłogę. Ostateczną wersję aplikacji sprawdza się w największej i najbardziej skomplikowanej jaskini BigCAVE, którą stanowi kompletny sześcian o krawędzi 3,4 m (4 ściany, sufit i podłoga). Finalnie jaskinia BigCAVE jest wykorzystywana także do eksperymentów z gotową aplikacją.
W obrębie jaskini można chodzić na własnych nogach. W przypadku chęci wyjścia poza fizyczną ścianę jaskini można skorzystać z kontrolera z joystickiem, ale taki sposób przemieszczania się jest już mało naturalny. Jeżeli jednak zależy nam na naturalnym chodzie w wirtualnym świecie przekraczającym rozmiary jaskini (np. dla treningu strażaka w płonącym wirtualnie budynku), to do jaskini BigCAVE można wstawić sferyczny symulator chodu, który pozwala człowiekowi na marsz w sposób podobny do biegu chomika w kołowrotku. Dzięki temu, że obroty symulatora wywołują przesuwanie się w wirtualnym świecie, użytkownik, idąc, przemieszcza się w tym świecie. Podobnie działa sferyczny symulator chodu poza jaskinią, oczywiście pod warunkiem założenia na głowę zestawu nagłownego.

Kto korzysta z LZWP

LZWP spotyka się dużym zainteresowaniem studentów. Studenci różnych wydziałów poznają możliwości tego laboratorium często dzięki wizytom organizowanym w ramach ich przedmiotów akademickich. Dotyczy to przede wszystkim studentów Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, przy którym funkcjonuje LZWP. Ostatnio jednak w takich zajęciach biorą udział także studenci Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska, Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa oraz Wydziału Zarządzania i Ekonomii i po zapoznaniu się z możliwościami LZWP przygotowują propozycje zastosowania rzeczywistości wirtualnej w swoich dyscyplinach. W tym kontekście bardzo obiecująca wydaje się inicjatywa Wydziału Architektury  i włoskiego Uniwersytetu w Pawii dotycząca uruchomienia międzynarodowych studiów drugiego stopnia wykorzystujących LZWP  i w ogólności rzeczywistość wirtualną oraz projektowanie gier w kształceniu architektonicznym i w edukacji z zakresu dziedzictwa kulturowego.
O wiele ciekawsza, ale i bardziej angażująca jest oczywiście realizacja takich pomysłów w ramach prac dyplomowych magisterskich, projektów dyplomowych inżynierskich oraz przedmiotów projekt grupowy i projekt badawczy. Wykonawcami takich aplikacji są najczęściej studenci Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, ale i studenci innych wydziałów (Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej oraz Wydział Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa) również potrafią podjąć takie wyzwanie programistyczne. Trudno jednak wymagać od studentów wszystkich wydziałów umiejętności programowania. Dlatego też często studenci innych wydziałów, a nawet innych uczelni podejmują współpracę ze studentami WETI, którzy przygotowują aplikacje wg wytycznych studentów niezwiązanych z informatyką. Studenci nieinformatycy wykorzystują je następnie do przeprowadzenia eksperymentów do swoich prac dyplomowych (Wydział Chemiczny, Akademia Sztuk Pięknych w Gdańsku, Gdański Uniwersytet Medyczny, Uniwersytet Gdański, Uniwersytet SWPS).
Naukowcy różnych dyscyplin są również częstymi gośćmi LZWP. Tu przecież można testować zaprojektowane urządzenie bez konieczności jego fizycznego wykonania, wizualizować niewidoczne aspekty badanego zjawiska fizycznego, rekonstruować historyczne zmiany architektoniczne obiektu zabytkowego, mierzyć wpływ grywalizacji na motywację pacjenta podczas rehabilitacji ruchowej, badać skuteczność leczenia fobii ekspozycją na wirtualne bodźce czy wreszcie weryfikować efektywność wirtualnego treningu. Współpraca ta przyjmuje nawet formę wielotygodniowych staży odbywanych w LZWP (Akademia Sztuki Wojennej w Warszawie, hiszpański Uniwersytet w Burgos).
Typowe laboratoria są zwykle ukierunkowane na konkretne dyscypliny naukowe. Pod tym względem LZWP stanowi dość nietypowe miejsce badań i edukacji, gdyż trudno byłoby wskazać dziedzinę, dla której rzeczywistość wirtualna byłaby nieprzydatna. Dowodzi tego zainteresowanie laboratorium okazywane przez tak różnych specjalistów jak architekci, chemicy, fizycy, historycy, mechanicy, lekarze, psycholodzy czy edukatorzy wojskowi i ponad 100 aplikacji przygotowanych dla znajdujących się w laboratorium jaskiń. LZWP jest otwarte na współdziałanie z przedstawicielami różnych profesji i zaprasza zainteresowanych do współpracy (kontakt przez autora artykułu).

Jacek Lebiedź  jacekl@eti.pg.edu.pl