Virtuálna realita (VR) už dávno nie je len doménou sci-fi filmov a futuristických vízií. Vďaka progresívnemu technologickému vývoju v posledných desaťročiach sa stala prístupnou a reálnou súčasťou našich životov, otvárajúc dvere novým možnostiam vzdelávania, práce a zábavy. Tieto tri základné kategórie pokrývajú široké spektrum činností, ktoré je možné realizovať prostredníctvom súčasných VR technológií. Progresívny technologický vývoj v posledných desaťročiach umožnil konštrukciu zariadení, ktoré poskytujú dostatočný výkon pre využitie virtuálnej reality a zároveň sa ich cena znížila natoľko, že sú prístupné pre bežných používateľov.
Základné princípy virtuálnej reality: Vnorenie, Interaktivita a Reálny čas
Aby sme mohli o nejakom systéme prehlásiť, že je systémom virtuálnej reality, je potrebné, aby spĺňal tri základné kritériá: vnorenie sa (immersion), interaktivita (interactivity) a systém musí bežať v reálnom čase (real-time). Vnorenie sa označuje úroveň ponorenia do virtuálneho prostredia, kde používateľ nadobúda pocit, že sa skutočne nachádza v umelo vytvorenom svete. Interaktivita zase definuje schopnosť používateľa ovplyvňovať virtuálne prostredie a reagovať naň. V neposlednom rade, real-time beh znamená, že systém reaguje na akcie používateľa okamžite, bez citeľných oneskorení, čo je kľúčové pre udržanie ilúzie reality.
Z hľadiska používateľa môže byť ako systém virtuálnej reality vnímaná napríklad aj počítačová hra, ktorá je zobrazená na monitore. Pre dokonalejší zážitok vo virtuálnej realite, tak aby došlo k úplnému vnoreniu sa do virtuálnej reality, je potrebné zapojiť všetky zmysly človeka, t. j. zrak, sluch, hmat, chuť a čuch. Ľudia experimentovali s rôznymi zariadeniami a vedecké tímy stále prinášajú nové technológie, prostredníctvom ktorých je možné tieto zmysly ovplyvniť. Ukázalo sa, že najťažšie je možné simulovať nepreberné množstvo variet chutí a vôní, preto väčšina vedeckých tímov opustila možnosť ovplyvnenia chute a čuchu. Z hľadiska celkového vplyvu na vnorenie sa do virtuálnej reality však našťastie tieto dva zmysly nemajú výrazný vplyv.
Zrak a sluch: Primárne kanály pre virtuálnu realitu
Najdôležitejším zmyslom vo virtuálnej realite je zrak, prostredníctvom ktorého zdravý človek získava až 95 % všetkých informácií o vzhľade a priestorovom usporiadaní sveta okolo neho. Vďaka binokulárnemu videniu dokážeme vnímať svet v troch rozmeroch a odhadovať vzdialenosť jednotlivých objektov v scéne. Okrem binokulárneho videnia nám môžu pri simulácii veľkosti jednotlivých objektov, ich polohe vo virtuálnej scéne a vnímaní hĺbky pomôcť aj tzv. zrakové klamy a iné optické princípy.
Druhým dôležitým zmyslom pre virtuálnu realitu je zvuk. Vďaka zvuku vieme zistiť smer k objektu, ktorý zvuk produkuje, prípadne odhadnúť jeho relatívnu vzdialenosť. Prostredníctvom ambientného zvuku je možné navodiť vo virtuálnom priestore rôznu atmosféru, ktorá má priamy vplyv na zážitok z virtuálnej scény vo virtuálnej realite. Priestorové audio systémy dokážu simulovať zvuk tak, aby prichádzal z rôznych smerov, čím ďalej zvyšujú pocit prítomnosti a realizmu.
Hmat: Interakcia s virtuálnym svetom
Z hľadiska interakcie je dôležitým zmyslom hmat. Konštrukcia zariadení simulujúcich hmat je pomerne zložitá. Prostredníctvom hmatu sa snažíme používateľovi dať možnosť dotýkať sa, cítiť a manipulovať s virtuálnymi objektami. Ovplyvniť hmatové vnemy dokážeme prostredníctvom tzv. haptického renderingu, ktorý môže byť rozdelený na kinestetickú časť (vnímanie polohy tela používateľa a jeho pohyb) a taktilnú časť (priestorová distribúcia síl - vďaka nim vnímame napr. štruktúru povrchu). Zariadenia, prostredníctvom ktorých je možné simulovať haptickú odozvu, zvyčajne pracujú v obmedzenom rozsahu (z hľadiska priestoru). Medzi takéto zariadenia patria napríklad haptické rukavice alebo špeciálne ovládače, ktoré poskytujú spätnú väzbu pri kontakte s virtuálnymi objektmi.
Headsety: Brána do virtuálneho sveta
Najčastejšie sa bežný používateľ virtuálnej reality stretne s headsetmi (okuliare), ktoré využívajú princíp side-by-side stereoskopického zobrazovania. Displej je rozdelený na polovicu, pre každé oko sa renderuje scéna posunutá o malý kúsok, čím sa vytvára ilúzia hĺbky a trojrozmerného priestoru. Headsety ponúkajú aj široký uhol záberu na úrovni cca 110°, čo zaisťuje, že virtuálny svet pokrýva väčšinu zorného poľa používateľa.
Vďaka senzorom vstavaným v samotnom headsete (akcelerometre, gyroskop, magnetometer) je možné určiť relatívnu rotáciu zariadenia okolo všetkých troch osí. Informácia o otočení sa využíva pri renderingu virtuálnej scény, na základe čoho má používateľ dojem, že sa nachádza uprostred scény a táto ho obklopuje 360° horizontálne a 180° vertikálne. Zároveň je možné túto informáciu využiť pri výpočte polohy zdrojov zvuku v priestore virtuálnej scény.
Headsety, ktoré používajú ako výpočtové a zobrazovacie zariadenie smartfón, sa väčšinou spoliehajú iba na určenie relatívnej rotácie. Toto však nie je vždy postačujúce pre plnohodnotný zážitok. Ak sa používateľ chce pohybovať v priestore v nejakom určenom rozsahu, je potrebné určiť jeho absolútnu polohu vzhľadom na stanovenú súradnicovú sústavu v priestore.
Lokalizácia v priestore: Outside-in a Inside-out technológie
Pre určenie absolútnej pozície používateľa vo virtuálnom priestore sa využívajú dva základné princípy:
- Outside-in: Poloha headsetu je určená prostredníctvom jeho lokalizácie presne rozmiestnenými kalibrovanými externými kamerami snímajúcimi headset (prípadne polohu ovládačov) v infračervenom spektre. Tento systém poskytuje vysokú presnosť sledovania pohybu.
- Inside-out: Poloha headsetu sa určuje spravidla pomocou dvojice kamier umiestnených priamo na headsete, ktoré snímajú priestor okolo používateľa. Tieto kamery mapujú okolie a na základe toho určujú polohu headsetu. Tento prístup je často lacnejší a nevyžaduje externú infraštruktúru.
Avatary: Naša digitálna reprezentácia
Používateľ si svoju prítomnosť vo virtuálnej realite uvedomuje vďaka tomu, že virtuálna kamera reprezentuje jeho oči, t. j. pozerá sa priamo na virtuálne prostredie z pohľadu kamery. Vo virtuálnom priestore je používateľ reprezentovaný svojim avatarom. Základné funkcie avatara sú percepcia, lokalizácia, identifikácia, vizualizácia ďalších používateľov a ich akcií a vlastná sociálna reprezentácia. Dôležitou súčasťou je grafická reprezentácia avatara. V niektorých prípadoch nemusí byť používateľ zobrazený ako reálny objekt, ale postačuje iba virtuálna reprezentácia polohy pomocou kamery v scéne.
Pre zvýšenie používateľského zážitku je vhodné pre uvedomenie si svojej prítomnosti vo virtuálnom prostredí vizualizovať napríklad časti tela, najmä polohu a akciu rúk, pretože najväčšia časť interakcie vo virtuálnej scéne je realizovaná práve rukami. Pre zobrazenie polohy, rotácie a akcií rúk v priestore je možné využiť viaceré riešenia. Najčastejšie sa využívajú ovládače, ktoré sú snímané kamerami a tak je určená ich poloha v priestore. Pre reprezentáciu akcií rúk je možné využiť tlačidlá ovládačov. Vo virtuálnej scéne môžu byť ovládače reprezentované rôznymi vzhľadmi podľa použitého typu avatara (ruky, nástroje, krídla) alebo sú zobrazené rovnako, ako vyzerajú v reálnom svete. Vizuálna reprezentácia je dôležitá pre zvýšenie zážitku z vnorenia sa do virtuálneho sveta.
Okrem ovládačov je možné využiť aj zariadenia, ktoré snímajú polohu a gestá rúk používateľa kamerami, bez potreby mať takéto zariadenia priamo v rukách, t. j. používateľ má možnosť voľne využívať svoje ruky na interakciu so scénou. Pre niektoré typy aplikácii je vhodné použiť komplexnejšie systémy pre vizualizáciu polohy tela používateľa v priestore (poloha nôh, trupu a pod.). Väčšina takýchto systémov je založená na princípoch motion capture (snímania pohybu) s využitím napríklad externých senzorov alebo kamier.
Pohyb vo virtuálnom priestore: Výzvy a riešenia
Väčšina systémov virtuálnej reality poskytuje z hľadiska voľnosti pohybu v scéne iba obmedzené možnosti, ktoré sú dané fyzickými obmedzeniami v reálnom svete (napr. dĺžka dátových káblov, veľkosť voľného priestoru okolo používateľa). Pokiaľ sa používateľ dostane na hranicu vymedzeného priestoru, nemá možnosť prirodzene prejsť do ďalšej časti virtuálneho sveta.
Existuje niekoľko možností, ako tento problém riešiť. Najjednoduchšími a najpoužívanejšími princípmi pre presun vo virtuálnom svete je možnosť využitia skokov (teleportácie). Tento princíp však nie je pre človeka prirodzený, pretože nekorešponduje so spôsobom premiestňovania sa v reálnom svete. V súčasnosti existujú technické zariadenia, ktoré dovoľujú používateľom pohyb v scéne na väčšie vzdialenosti. Od najdrahších, akými sú všesmerové pásy (omni-directional treadmills), až po zariadenia, pri ktorých je používateľ fixovaný na mieste v oblasti pásu a premiestňuje sa pomocou pohybu v špeciálnych topánkach po polguľovej ploche.
Kinetóza: Nevítaný spoločník virtuálnej reality
Pri používaní virtuálnej reality je ovplyvnený ľudský vizuálny systém a v podstate je mozog klamaný za pomoci zmyslov tak, aby nadobudol dojem novej reality. V nej môže dochádzať k rôznemu spôsobu pohybu - od kráčania, cez lietanie, až po skokový pohyb na veľké vzdialenosti. Prostredníctvom zraku získava mozog vizuálnu informáciu o type pohybu používateľa v priestore. Táto informácia sa však môže líšiť od tej, ktorú mozgu poskytuje vestibulárny systém umiestnený vo vnútornom uchu. Prostredníctvom vestibulárneho systému vie mozog určiť polohu tela a zmenu stavu jeho polohy.
V prípade, ak mozog dostáva protichodné informácie od vizuálneho a vestibulárneho systému o polohe tela, môže to viesť k nepríjemnému stavu nazývanému kinetóza (zažívajú ju niektorí ľudia aj pri ceste autom alebo lietadlom). Kinetóza sa môže vyskytnúť u 10 - 30 % používateľov systémov VR. Najčastejšie sa vyskytuje pri použití systémov, ktoré nesledujú pohyb používateľa v priestore. Napríklad pri použití headsetov, ktoré pracujú s mobilnými telefónmi, nie je vo väčšine prípadov možné určenie pohybu používateľa (iba jeho rotáciu), čo má vplyv na zvýšené riziko kinetózy.
Virtuálna realita a deti: Bezpečnostné odporúčania
Väčšina výrobcov zariadení pre virtuálnu realitu neodporúča použitie týchto systémov pre deti mladšie ako 12 - 13 rokov. Existujú na to dva dôvody. Prvým dôvodom je, že pri kalibrácii headsetu pre používateľa je individuálne nastavený parameter separácie očí (vzdialenosť), a zariadenia nemajú možnosť ju nastavovať pre menšie hodnoty. Druhým dôvodom je, že vývoj mozgu v detskom veku je pomerne zložitý a vplyvy iných vizuálnych a vestibulárnych informácií ho môžu pomerne výrazne ovplyvniť. Pravdou je, že pre druhý dôvod neexistuje v súčasnosti korektný vedecký výskum a je založený na odhadoch vedcov, ktorí sa venujú detskej neurológii. Napriek tomu by mali platiť zásady zodpovedného využívania virtuálnej reality pre každého používateľa.
Vývoj a budúcnosť VR: Vzdelávanie, medicína a práca
Virtuálna realita (VR) je fascinujúca technológia, ktorá nás prenáša do digitálneho sveta, kde môžeme zažiť úplne nové zážitky. Morton Heilig v 50. rokoch 20. storočia vytvoril prototyp nazvaný Sensorama, ktorý umožňoval vnímať nielen obraz a zvuk, ale aj vôňu. V roku 1968 zostrojil Ivan Sutherland prvý prístroj vytvárajúci virtuálnu realitu. V 80. rokoch Jaron Lanier spopularizoval pojem „virtuálna realita“.
V súčasnosti je virtuálna realita stále viac prítomná v našom živote a jej potenciál je obrovský. Okrem hrania videohier, ktoré predstavujú najrozšírenejšiu formu neimerzívnej virtuálnej reality, sa vedci začali venovať aj jej využitiu v iných oblastiach. Dokáže vytvoriť pomerne realistické prostredie, ktoré dokáže človeka „oklamať“ a dovolí mu tak vcítiť sa do situácií, ktoré by boli inak príliš nebezpečné alebo prakticky nereálne.
V roku 2016 sa na martinskej očnej klinike UVEA Mediklinik otvorilo prvé špecializované centrum na liečbu tupozrakosti v strednej Európe. Tupozrakosť alebo amblyopia je porucha videnia, ktorá však oproti ostatným poruchám videnia nemá nič spoločné s poruchou oka. Problémom je zle vyvinutá časť mozgu, ktorá je zodpovedná za spracovanie obrazu. To spôsobuje, že oči nezaostrujú na rovné body v priestore a preto mozog začne jeden obraz ignorovať. Následkom toho sa jedno oko stáva silnejším, zatiaľ čo to druhé slabne. Pacient má potom problém s priestorovým videním a so zaostrovaním. Okrem klasickej liečby tupozrakosti sa využíva aj virtuálna realita. Program pomocou headsetu Oculus Rift posiela do očí dva rôzne obrazy, čo núti pacienta plnohodnotne zapojiť obe oči.
Mnohí odborníci považujú za budúcnosť liečby fóbií práve virtuálnu realitu. Fóbia je iracionálny strach zo situácií alebo vecí, ktoré bežne nevyvolávajú strach. Jednou z foriem liečby fóbií je takzvaná „exposure therapy“, v preklade terapia vystavovania. Spočíva v tom, že je pacient pomaly vystavovaný tomu, z čoho má fóbiu. Akrofóbia je strach z výšky a je považovaná za najrozšírenejšiu fóbiu na svete. Uvádza sa, že až 1/5 ľudí na svete trpí strachom z výšky a až 5 % populácie je aj klinicky diagnostikovaných. Na Oxfordskej univerzite spravili jednu z prvých štúdií v tomto obore, kde 49 dobrovoľníkov navštevovalo po dobu dvoch týždňov šesť 30-minútových sedení. Na týchto sedeniach pomocou virtuálnej reality plnili rôzne úlohy od státia pri okraji balkóna až po chodenie po lane.
Ďalšia veľmi rozšírená fóbia vo svete je arachnofóbia, strach z pavúkov. Liečenie funguje na rovnakom princípe ako liečenie akrofóbie, a to tak, že pacient je vystavený situáciám, kde sa vo virtuálnom prostredí stretáva s postupne narastajúcim počtom pavúkov. Takto si vie zvyknúť na ich prítomnosť a naučiť sa, ako sa v ich okolí správať. Okrem virtuálnej reality sa dá liečenie kombinovať aj so živými pavúkmi, ktoré by mal pacient, ak je pripravený, chytať alebo im dovoliť po ňom loziť.
Posttraumatická stresová porucha (PTSD) vzniká po prežití mimoriadne traumatickej alebo extrémne stresovej situácie. Najčastejšie sa s touto poruchou stretávajú vojnoví veteráni, ale môže sa vyskytnúť aj u preživších teroristického útoku, požiaru alebo znásilnenia. Hoci PTSD nie je fóbia, jej liečenie pomocou virtuálnej reality je na podobnom princípe. Pacient je pomaly vystavovaný podobnej traumatickej situácii, teda napríklad vojak je pomocou virtuálnej reality poslaný na bojisko alebo obeť požiaru do horiacej budovy.
Veľa odborníkov vidí budúcnosť vzdelávania vo virtuálnej realite. Firma Avantis vytvorila ClassVR, virtuálnu realitu, ktorá umožňuje študentom prežívať to, o čom sa práve učia. Je to prvé zariadenie svojho typu, ktoré bolo vytvorené špeciálne pre školy, ponúka vyše 500 aktivít vo virtuálnej realite, ktoré sú urobené podľa študijných osnov Veľkej Británie. Niektoré firmy začínajú už teraz využívať virtuálnu realitu na oboznámenie sa s priestormi a zaškoľovanie nových zamestnancov. Na zaškoľovanie používa virtuálnu realitu aj napríklad NASA alebo armáda USA.
Rozdiely medzi VR, AR a MR: Tri tváre rozšírenej reality
Vďaka rozsiahlym investíciám a rapídnemu vývoju technológií stratila v posledných rokoch hranica medzi reálnym a virtuálnym svetom jasné kontúry. Výsledkom sú často dych berúce zážitky, o akých donedávna snívali len najodvážnejší autori žánru science fiction. Tri známe aplikácie technológií meniacich realitu sa zvyknú deliť podľa toho, k akým zmenám reality ich implementáciou dochádza.
- Virtuálna realita (VR): Prináša možnosť úplného ponorenia sa do virtuálneho sveta. Používateľ je kompletne odrezaný od reálneho prostredia a vníma len to, čo mu zobrazuje VR headset.
- Rozšírená realita (AR): Prekrýva digitálne prvky a objekty na objekty reálneho sveta. Digitálna vrstva je na obraz skutočného sveta „nanesená” pomocou softvérovej aplikácie v smartfóne, tablete alebo špeciálnych AR okuliaroch. Typickými príkladmi AR sú aplikácie ako Google Translate / Lens alebo hra Pokémon Go.
- Zmiešaná realita (MR): Kombinuje prvky VR a AR. Umožňuje interakciu medzi virtuálnymi objektmi a reálnym prostredím. Používateľ vidí reálny svet, ale zároveň s ním interagujú aj virtuálne objekty, ktoré sa správajú, akoby boli súčasťou reálneho priestoru. Produkt firmy Microsoft nazvaný HoloLens sú okuliare umožňujúce užívateľovi zobrazenie holografických 3D predmetov a ich otáčanie pomocou pohybu holých rúk.
Technológie meniace realitu sú pokračovaním vývojového trendu prispôsobovania toho, ako fungujú počítače, tomu, ako fungujú živé organizmy. Grafické užívateľské rozhrania nahradili potrebu všetko priamo kódovať, dotykové displeje pridali prirodzené ovládanie a objektívy v smartfónoch zasa možnosť priblíženia reality, ako ju vníma užívateľ, aj ostatným.
Trh s VR/AR: Rastúci potenciál
Trh AR/VR sa už stal miliardu dolárovým trhom a predpokladá sa, že v priebehu niekoľkých rokov bude pokračovať v raste. Kvalita a praktickosť rôznych headsetov preto stále rastie, avšak veľa záujemcov o virtuálnu realitu odrádza vysoká cena. Najlepšiu virtuálnu realitu ponúkajú momentálne najväčší giganti na trhu headsetov ako HTC (s modelmi ako napríklad HTC Vive, HTC Vive Pro alebo HTC Vive Cosmos) a Oculus (Oculus Rift, Oculus GO a Oculus Quest). Virtuálna realita je dostupná aj na konzolách PlayStation 4 a PlayStation 5 pomocou headsetu PlayStation VR, ktorý umožňuje obraz premietať aj do headsetu aj na televízor.
Výzvy a budúcnosť VR technológií
Aby VR, AR a MR mohli naplniť celý svoj potenciál, bude nutných ešte mnoho vylepšení ako v oblasti hardvéru, tak i softvéru. Headsety musia byť ľahšie a prenosnejšie, ich displeje musia mať vyššie rozlíšenie, procesory vyšší výkon a senzory lepšiu citlivosť. Technologický pokrok neustále posúva hranice toho, čo je možné, a virtuálna realita sa tak stáva čoraz dôležitejšou súčasťou našej digitálnej budúcnosti.
Paneurópska vysoká škola v Bratislave, Fakulta informatiky, v spolupráci s VIS GRAVIS, s. r. o., sa aktívne venuje tejto problematike. V rámci podujatí, akým bola Paneurópska detská univerzita, sa predstavujú možnosti virtuálnej reality aj mladším generáciám. Pre tých, ktorí sa chcú venovať virtuálnej realite profesionálne, ponúka Paneurópska vysoká škola štúdium aplikovanej informatiky aj so zameraním na virtuálnu realitu.
tags: #zariadenie #virtualnej #reality