Zmiešaná realita: Prelínanie virtuálneho a fyzického sveta

Únik a ponorenie sa do inej, umelo vytvorenej reality - či už v múzeu alebo škole, v reklame alebo marketingu, žurnalistike alebo v psychoterapii - všade sa experimentuje s technológiami a neustále sa hľadajú nové možnosti ich uplatnenia. Technológie virtuálnej (VR), rozšírenej (AR) a zmiešanej reality (MR) menia spôsob, akým vnímame svet, interagujeme s informáciami a prežívame zážitky. Tento článok sa ponorí do histórie a súčasných aplikácií týchto pohlcujúcich technológií, od ich skromných začiatkov až po ich transformačný potenciál v rôznych odvetviach.

Počiatky virtuálnej reality: Od snov k prvým prototypom

Korene virtuálnej reality siahajú hlboko do minulosti, hoci samotný pojem sa objavil až neskôr. Morton Heilig už v 50. rokoch 20. storočia písal o tzv. "Divadle zážitkov", ktoré by stimulovalo všetky zmysly diváka podľa hranej scény. Na základe tejto vízie postavil v roku 1962 prototyp nazvaný Sensorama, ktorý popri premietaní piatich krátkych filmoch umožňoval vnímať okrem obrazu a zvuku aj vôňu.

Skutočný technologický prielom prišiel v roku 1968, keď Ivan Sutherland spolu so svojím žiakom Bobom Sproullom zostrojili zobrazovacie zariadenie nositeľné na hlave. Toto zariadenie, ktoré sa vo všeobecnosti považuje za prvý prístroj vytvárajúci virtuálnu realitu, bolo jednoduché na ovládanie aj na zobrazovacie schopnosti. Prostredie totiž tvorili virtuálne izby ohraničené len čiarami. Pozoruhodným medzi prvopočiatočnými zariadeniami bol Aspen Movie Map vyrobený na Univerzite v Massachussettskom technologickom inštitúte (MIT) v roku 1977. Program predstavoval približnú simuláciu mesta Aspen v Colorade (USA), ktorého ulicami sa používateľ mohol túlať v troch módoch: leto, zima a polygóny.

V druhej polovici 80. rokov minulého storočia spopularizoval pojem "virtuálna realita" Jaron Lanier, jeden z priekopníkov v tejto oblasti. Hoci pôvod vzniku termínu nie je úplne jasný a často sa pripisuje Damienovi Broderickovi, ktorý ho použil vo svojom románe z roku 1982, Lanier tvrdil, že názov vymyslel sám. Podobný termín "umelá realita" sa objavil aj skôr.

Definícia a technológie: Ako funguje VR, AR a MR?

Pre pochopenie zmiešanej reality je kľúčové rozlišovať medzi tromi hlavnými kategóriami pohlcujúcich technológií:

• Virtuálna realita (VR): VR je prostredie vymodelované prostriedkami počítačovej simulácie, ktoré umožňuje používateľovi interagovať s umelým trojrozmerným (3D) vizuálnym alebo iným zmyslovým prostredím. Aplikácie VR ponoria používateľa do počítačom generovaného prostredia, ktoré simuluje realitu pomocou interaktívnych zariadení, ako sú okuliare, náhlavné súpravy (headsety), rukavice alebo celotelové obleky. V typickom prípade si používateľ s VR headsetom so stereoskopickou obrazovkou prezerá animované obrázky simulovaného prostredia. Vytváranie vizuálneho zážitku zobrazovaného na obrazovke VR headsetu, prípadne cez špeciálne stereoskopické zariadenia, môže byť v sofistikovanejších prípadoch doplnené aj o ďalšie zmysly ako sluch, čuch a hmat. Takto tvorené prostredie môže vytvárať predstavu skutočného sveta (napr. pri nácviku boja, učení pilotovania), alebo sa od neho značne líšiť (napr. pri hraní hier). Anglické "headset" sa prekladá do slovenčiny doslovne ako "náhlavná súprava", ale v českom jazyku sa často používa aj priamo termín "Headset (brýle) pro virtuální realitu". Na Slovensku sa najčastejšie stretávame s opisným prekladom "okuliare na virtuálnu realitu". Tieto okuliare môžu byť pripojené nielen k počítaču, ale aj k mobilu, herným konzolám alebo dronom.

• Rozšírená realita (AR): AR používa počítačovú technológiu na rozšírenie používateľského prostredia v reálnom svete o digitálny obsah. Táto skúsenosť obohacuje skutočný svet o digitálne detaily, ako sú obrázky, text a animácie. Obvykle má používateľ k hlave pripevnený priehľadný displej, ktorý premieta obsah AR do jeho zorného poľa. Na vytvorenie efektov AR sa však môžu použiť aj ďalšie digitálne nástroje, smartfóny alebo tablety. Rozšírená realita sa začala využívať v automobilovom priemysle a majitelia novších automobilov s ňou určite prišli do kontaktu, pretože sa vo veľkej miere používa s parkovacími kamerami. Hoci rozšírená realita umožňuje prekrytie virtuálnych informácií s reálnym prostredím, používatelia s nimi nemôžu interagovať tak, ako by boli schopní v skutočnom živote.

• Zmiešaná realita (MR): MR je podobná rozšírenej realite v tom, že - ako už názov napovedá - ponúka kombináciu skutočného a virtuálneho sveta. Ide však o krok ďalej tým, že bez problémov spája fyzický a digitálny obsah, udržuje prítomnosť používateľa v reálnom svete a zároveň mu umožňuje pracovať s virtuálnymi objektmi, čo v prípade AR nie je možné.

Kľúčové technológie a pojmy spojené s týmito realitami zahŕňajú:

• Vnímavosť (Immersive-ness): Úroveň ponorenia do virtuálnej reality. Pôsobivosť určuje úroveň realizmu virtuálneho prostredia. Čím vyššia je úroveň imerzívnosti, tým väčší pocit prítomnosti vo svete používateľ pociťuje.
• Náhlavná súprava VR (VR Headset): Zariadenie alebo viacero zariadení (headset + ovládače), ktoré sa používajú na ponorenie sa do virtuálnej reality. Bežná špecifikácia headsetov zahŕňa OLED displeje s rozlíšením 2160 x 1200 pixelov, obnovovaciu frekvenciu 90 Hz, zorné pole 110 stupňov, akcelerometer, gyroskop, laserový sledovací systém a sledovaciu kameru.
• Sledovacie zariadenia (Tracking Devices): Systém snímačov, ktorý sníma používateľa, jeho polohu v priestore a pomáha zachytávať pohyby na prenos do herného sveta. Trackery môžu byť integrované do náhlavnej súpravy alebo dodávané samostatne.
• Foveated Rendering: Technológia zodpovedná za spracovanie grafiky vo virtuálnom svete, ktorá zachytáva vysoké rozlíšenie a kvalitu obrazu len v tej časti virtuálneho sveta, kam smeruje pohľad hráča. Okrajové oblasti sa vykresľujú v nižšom rozlíšení.
• Scéna (Scene): Virtuálny priestor, v ktorom sa v danom okamihu odohráva všetka akcia.
• Zorné pole (Field of View - FOV): Zorný uhol, ktorý hráč vidí.
• Stereoskopia: Technika na vytvorenie alebo zosilnenie ilúzie hĺbky v obraze pomocou stereopsie na binokulárne videnie. Väčšina stereoskopických metód zobrazuje dva ofsetové obrazy oddelene pre ľavé a pravé oko diváka. Tieto dvojrozmerné obrazy sa potom kombinujú v mozgu, aby poskytli vnímanie 3D hĺbky. Prvá stereografická fotografia vznikla v roku 1838 spoluprácou Charlesa Wheatstona a Foxa Talbota.

Softvérové a hardvérové inovácie: Od herného priemyslu k priemyselným aplikáciám

Virtuálna realita bola primárne vytvorená pre zábavný priemysel - hry a filmy. Zariadenia VR potrebujú výkonné počítače na výpočet veľkého množstva operácií. Ak ich chceme používať v stavebníctve, musíme tieto zariadenia urobiť mobilnými. Môžeme ich pripojiť cez bezdrôtový systém, ale stále potrebujeme výkonné výpočtové zariadenie. Preto musíme vytvoriť softvér, ktorý predpovedá a zjednoduší tieto komplikované numerické metódy na generovanie 3D VR scény.

V súčasnosti sa na vývoj hier používa softvér, keď chceme vytvoriť VR scénu zo softvéru CAD alebo BIM. Potrebujeme revidovať modely na platformy na vývoj hier ako Unity 3D alebo Unreal Engine. Vznikajú aj špecializované programy na tvorbu vizualizácií a prechádzania v takomto modeli v reálnom čase. Výpočtové jadro týchto programov je však takisto prevzaté zo softvérov určených pre herný priemysel. Príkladmi takýchto softvérov sú napr. Twinmotion a Enscape. Tieto predstavujú veľmi jednoduchý systém importovania modelu z aplikácie BIM do vizualizačného softvéru. Jednoduchým prepojením s VR headsetom je možné sa poprechádzať v scéne, meniť povrchy, meniť spôsoby zobrazenia modelu, pozrieť sa na simuláciu výstavby.

Rozšírená a zmiešaná realita kombinuje objekty a scény VR so skutočným svetom. Rozhranie môže interagovať aj s reálnym svetom, takže používatelia môžu vidieť, aké typy konštrukcií sú už vytvorené a aké konštrukcie budú vytvorené. Budúce kolízie budeme môcť vidieť na mieste a opraviť ich. To je veľmi výhodné na stavbe. Pracovníci môžu mať prilby s integrovaným zariadením a vidieť zmeny pri konštrukcii v reálnom čase. Rozšírená realita využíva nezávislé výpočtové zariadenie, ktoré je integrované v náhlavnej súprave. Táto funkcia je veľmi pohodlná, ale cena týchto zariadení je veľmi vysoká.

Trh AR/VR sa už stal miliardu dolárovým trhom a predpokladá sa, že v priebehu niekoľkých rokov bude pokračovať v raste.

Nové generácie hardvéru: Meta Quest 3 a Apple Reality Pro

Tretia generácia náhlavnej súpravy Meta Quest 3 bude podľa novinára Marka Gurmana z agentúry Bloomberg ľahšia a rýchlejšia. Tvrdí, že náhlavná súprava je vybavená novou prednou časťou, ktorá obsahuje tri vertikálne oblasti so senzormi v tvare piluliek na celej prednej strane. Súčasná generácia Meta (či Oculus) Quest 2 sa predáva v cenách od 400 dolárov (na Slovensku zhruba od 440 eur), "trojka" bude podľa Gurmana o niečo drahšia. Je to dané aj tým, že Quest 2 je náhlavná súprava na virtuálnu realitu, zatiaľ čo Quest 3 bude headset pre zmiešanú realitu.

Hlavným súperom Meta Quest 3 bude pripravovaná náhlavná súprava od Apple, zatiaľ spomínaná pod názvom Reality Pro. Jej cena však bude podstatne vyššia, podľa doteraz známych informácií by mala začínať niekde okolo 3000 dolárov, čo je za takéto zariadenie dosť. Viac sa dozvieme možno už o pár dní na vývojárskej konferencii Apple WWDC 2023, ktorá sa začína v pondelok 5. júna.

Aplikácie v praxi: Od gamingu po priemysel a žurnalistiku

Technológie VR, AR a MR nachádzajú uplatnenie v čoraz širšom spektre oblastí:

Vzdelávanie a kultúra

• Školy a univerzity: Vzdelávacie programy využívajú VR na interaktívne učenie. Napríklad rafinérska spoločnosť Slovnaft využíva virtuálnu realitu na školenie zamestnancov. "Niektoré zariadenia sú jednoduchšie, niektoré zložitejšie. A práve kvôli tým zložitejším sme sa rozhodli ponúknuť zamestnancom niečo iné ako obyčajný manuál od výrobcu, ktorý existuje v papierovej podobe a je troška chaotický a problematický práve v situácii, keď je možno viac stresu, keď treba niečo rýchlo odstaviť alebo spustiť. Tam nie je priestor na chyby," objasnil Ing. Dávid Ondruš zo spoločnosti Slovnaft. Virtuálna realita v rafinérskej spoločnosti má dva módy, školiaci a testovací, kde možno vyskúšať zamestnancov, či sa naučili dobre postup ovládania jednotlivých procesov. "Výhodou VR je vyškoliť sa ešte pred samotnou inštaláciou nového zariadenia. To znamená, že keď už niečo nainštalujeme a potrebujeme to prevádzkovať, zamestnanci sú už vyškolení." Moderné technológie môžu spôsobovať problémy pri ich implementácii hlavne staršej generácii. "Osobne som bol trošku skeptický, keď som sa prvýkrát postavil pred zamestnancov s nápadom využiť VR, pretože u nás pracuje väčšinou staršia generácia, ktorá nie je úplne stotožnená s IT novinkami. A práve tí to prijali úplne bez problémov, pričom zdôraznili, že keď niekoho školia, nie je tam hluk, a proces školenia neovplyvňujú nepriaznivé poveternostné podmienky. To všetko je vo VR eliminované," približuje D. Ondruš.
• Múzeá a galérie: VR a AR umožňujú návštevníkom interaktívne objavovať exponáty, vidieť historické rekonštrukcie alebo sa ponoriť do umeleckých diel.
• Tancovanie vo virtuálnom svete: Choreografka Einav Katan-Schmid v spolupráci s gamelab.berlin navrhla VR-performanciu, v ktorej sa tanečníci pohybujú vo svojom vlastnom svete. Na sympóziu o tanečných pohyboch vo virtuálnej realite spoločne skúmali pohybové techniky tela profesionálnych tanečníkov. gamelab.berlin je projekt interdisciplinárneho laboratória "Bild Wissen Gestaltung" (Obraz Vedomosti Stvárnenie) klastra excelentnosti Humboldtovej univerzity v Berlíne.

Herný priemysel a zábava

• Počítačové hry: VR posúva herný zážitok na novú úroveň. V strieľačke Tower Tag hamburskej produkčnej firmy VR-Nerds hrajú hráči proti sebe navzájom vo virtuálnom svete pomocou virtuálnych laserových pištolí. Kulisa hry je optimálne prispôsobená reálnemu hraciemu poľu tak, že hráči môžu veci, ktoré vidia cez okuliare pre virtuálnu realitu aj cítiť, napríklad keď sa zabarikádujú za stĺpom.
• Virtuálne športové akcie: Vo svete zmiešanej reality organizuje firma VR-Nerds dokonca celé virtuálne športové akcie, tzv. Tower Tag Tournaments.
• Hudobné videá a umelecké projekty: Berlínská kapela Moderat vytvorila vo svojom hudobnom videu k piesni Reminder (2016) fantastický dystopický svet. Režisér a kreatívny riaditeľ Mate Steinforth spolu s produkčným štúdiom Sehsucht Berlin vytvorili imerzívnu 360° animáciu. Namiesto obvyklých live-akcií žije toto video z ilustrácií vo videohernej estetike, ktoré sa vo virtuálnej realite uplatňujú o to plastickejšie.

Žurnalistika a médiá

• Virtuálna žurnalistika: Berlínsky startup Vragments vytvoril v spolupráci s partnermi Deutsche Welle a Euronews produkt s názvom Fader. Pomocou tohto nástroja môžu žurnalisti veľmi jednoducho tvoriť tímové 360° projekty. Je to veľký krok pre novinárov, ktorí môžu prvýkrát využiť tento druh obsahu bez podpory produkčnej firmy. Vragments však vyrába aj vlastné dokumenty a reportáže.
• Priblíženie cudzích prostredí: Verejnoprávne mediálne spoločnosti WDR a ARTE úspešne využívajú virtuálnu žurnalistiku na priblíženie užívateľom cudzích alebo historických prostredí. Pozornosť vzbudil aj Západonemecký rozhlas WDR pôsobivým panoramatickým svetom, napríklad svojim 360° dokumentom o koncentračnom tábore v Osvienčime, ktorý bol nominovaný na cenu Grimme-Online-Award, alebo virtuálnym dokumentom o teroristických útokoch v Paríži.
• Správy z krízových oblastí: Julia Leeb z Mníchova, ktorá sa venuje virtuálnej žurnalistike, prináša správy z krízových oblastí a natočila dokumenty zo Sýrie, Afganistanu, Severnej Kórey a iných krajín. Julia Leeb vyvádza užívateľov von z ich komfortnej zóny a uvádza ich priamo do diania.

Priemysel a výroba

• Efektívna práca: Použitím aplikácií a technológií rozšírenej a zmiešanej reality vo výrobnej hale môžu technici pracovať rýchlejšie a efektívnejšie tým, že si prezerajú digitálne informácie prekryté s prostredím skutočného sveta. Vďaka tomu sú menej závislí od dokumentačných schém a namiesto toho dostávajú jasné pokyny prostredníctvom AR a MR týkajúce sa kontroly alebo montáže.
• Prístup k údajom v reálnom čase: Jednou z hlavných prekážok výrobného procesu je prístup k presným a aktuálnym údajom. Technici často musia prestať pracovať a sú nútení hľadať súčiastky, aktuálne informácie o procesných veličinách alebo plány či dokumentáciu v databáze. AR a MR tento proces zjednodušujú.
• Školenia: AR sa ukázala ako kľúčový nástroj pre školiace programy. Vďaka schopnosti AR vytvoriť efekt priehľadnosti a zlúčiť skutočný a virtuálny svet môže pomôcť zrealizovať interaktívne školenia.
• Vzdialená podpora: Takmer vo všetkých odvetviach existujú situácie, keď pracovníci potrebujú spolupracovať so vzdialeným expertom. Pomocou rozšírenej aj zmiešanej reality je to nad rámec obvyklých možností.
• Ochrana a bezpečnosť pri práci: AR môže byť užitočná tým, že zamestnancom ukazuje potenciálne riziká alebo kde sú núdzové únikové cesty. Namiesto mapy budú mať pracovníci silnú vizuálnu pomôcku, ktorá im ukáže bezpečnostné opatrenia v ich skutočnom prostredí, čo pomôže rýchlejšie konať v prípade núdze.
• Digitálne dvojča: V priemysle sa už dlhšie využíva digitálne dvojča na zobrazenie objektov v digitálnom formáte ešte pred samotnou realizáciou projektu. Je to tzv. kópia budúceho reálneho procesu alebo podniku v digitálnom svete. Tento spôsob umožňuje manipulovať so zariadeniami, kontrolovať proces výroby a predchádzať tak chybám pred samotnou realizáciou. Čoraz častejšie sa tak zmiešaná realita uvádza v súvislosti práve s digitálnym dvojčaťom.
• Prezentácia produktov: AR a MR môžu byť veľkou pomocou pri marketingu a predaji. S AR môžete vytvoriť virtuálny showroom, kde môžu vaši klienti produkt vidieť.

Príklady z praxe:

• BAE Systems: Britská spoločnosť, pôsobiaca prevažne v oblasti obrany, vyrába aj batérie pre elektrické autobusy. Nedávno začala používať systém MR na zlepšenie kvality školení a produktivity týkajúcich sa manuálneho procesu výroby batérií. Pomocou samostatných MR okuliarov spoločnosti Microsoft Hololens môžu pracovníci závodu BAE premietať systematické pracovné pokyny založené na 3D obrázkoch vo svojom pracovnom priestore, čo pomáha pracovníkom v továrni vizualizovať všetky kroky v procese.
• Ford: Bol jedným z prvých výrobcov automobilov, ktorý prijal MR. Jeho inžinieri a dizajnéri ju používajú v kombinácii s tradičnými hlinenými prototypmi a existujúcimi modelmi automobilov na vytváranie nových návrhov rýchlejšie a lacnejšie. Spoločnosť Ford používa okuliare Microsoft Hololens a vlastný softvér na vkladanie nových prvkov dizajnu do svojich modelov z hliny a do existujúcich automobilov, čo im umožňuje vizualizovať vzhľad každej zmeny. Krása tohto prístupu spočíva v tom, že MR vylučuje potrebu nových hlinených prototypov zakaždým, keď chcú dizajnéri preskúmať zmenu alebo funkciu dizajnu.
• Thyssenkrupp: Nemecký oceliarsky a technologický podnik používa rozšírenú realitu v závodoch. Tá napomáha pracovníkom identifikovať procesy a komponenty so zložitými technickými nastaveniami poskytovaním kontextových informácií v reálnom čase. Vďaka termografickej technológii možno takmer presne kontrolovať rôzne systémy, turbíny, kompresory a ďalšie elektrické a mechanické zariadenia. Terénni technici môžu kontrolovať čerpadlá, ventily, akumulačné nádrže a motory, aby sa ubezpečili, že zariadenie je v dobre fungujúcom a bezpečnom stave. Okrem toho sú termovízne kamery cenným spojencom pri ochrane zdravia v podnikoch. Rozšírená realita Space1 pomáha technikom ešte viac.

Psychoterapia a medicína

• Liečba fóbií a posttraumatickej stresovej poruchy (PTSD): VR sa používa na simuláciu situácií, ktoré vyvolávajú strach, a umožňuje pacientom bezpečne čeliť svojim obavám pod dohľadom terapeuta.
• Rehabilitácia: Pacienti po úrazoch alebo mozgových príhodách môžu využívať VR na cvičenia, ktoré pomáhajú obnoviť motorické a kognitívne funkcie.
• Chirurgické plánovanie a tréning: Chirurgovia môžu využívať VR na precvičovanie komplexných operácií v bezpečnom virtuálnom prostredí pred ich vykonaním na pacientoch.

Výzvy a budúcnosť zmiešanej reality

Napriek obrovskému potenciálu čelia technológie VR, AR a MR aj výzvam. Jednou z nich je vysoká cena niektorých zariadení, ako napríklad Apple Reality Pro. Ďalšou výzvou je potreba výkonného hardvéru a optimalizovaného softvéru, najmä pre náročné priemyselné aplikácie.

Profesor Frank Steinicke z univerzity v Hamburgu, jeden z najvýznamnejších vedcov zaoberajúcich sa virtuálnou realitou v Nemecku, sa v roku 2014 pokúsil o vytvorenie svetového rekordu, keď na 24 hodín úplne zmizol do virtuálneho priestoru. Po tomto experimente však bojoval s pocitom nevoľnosti: "Cítil som sa podobne vyčerpaný ako po dlhom lete," povedal pre noviny Süddeutsche Zeitung. Jeho výskum sa zameriava na interakciu človeka a počítača a ľudskú schopnosť vnímania reality sprostredkovanej počítačom.

Egbert van Wyngaarden, profesor scenáristiky a kreatívneho písania na Vysokej škole Macromedia v Mníchove a zakladateľ interdisciplinárnej siete Transmedia Bayern, zdôrazňuje, že "technológia bez obsahov, ktoré prenáša, nie je ničím." Dôležitosť kvalitných a pútavých naratívov je teda kľúčová pre úspech týchto technológií.

Virtual Reality Solution Center z Inštitútu vo Fraunhoferi pre výrobné zariadenia a konštrukčnú techniku sa zameriava na priemyselné výrobné procesy a výrobu 3D nástrojov, pričom vyvíja metódy vizualizácie a techniky takzvaného rapid prototypingu.

Aj keď sa koncept zmiešanej reality môže zdať futuristický, mnohé výskumné správy naznačujú, že veľké množstvo progresívnych priemyselných podnikov už testuje technológie virtuálnej, rozšírenej a zmiešanej reality vo svojich prevádzkach. Dôvodom je významný potenciál technológie pomôcť ľuďom robiť ich prácu lepšie a efektívnejšie. S neustálym vývojom hardvéru, softvéru a obsahu sa môžeme tešiť na ešte viac inovatívnych a pohlcujúcich zážitkov, ktoré budú naďalej pretvárať naše vnímanie reality.

V budúcnosti sa očakáva ďalší rast trhu AR/VR. Vďaka systému GPS alebo európskemu navigačnému systému Galileo budeme môcť vidieť priamo na mieste virtuálne "dvojčatá" budúcich stavieb. V procese navrhovania a výstavby budov je rozšírená realita výhodnejšia než virtuálna realita. Virtuálna realita je vhodná v rannej fáze procesu projektovania, hlavne na prezentáciu budúceho vzhľadu budovy. Rozšírená realita bude v budúcnosti dôležitou súčasťou procesu navrhovania. Pomôže aj priamo na mieste v procese výstavby so správnym umiestnením prvkov alebo pri rozlišovaní a riešení kolízií.

tags: #historia #zmiesanej #reality