ΠΛΟΗΓΗΣΗ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΕ ΕΠΙΤΡΑΠΕΖΙΑ ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ ΜΕΣΩ ΦΥΣΙΚΩΝ ΔΙΕΠΑΦΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστημάτων Διπλωματική Εργασία ΠΛΟΗΓΗΣΗ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΕ ΕΠΙΤΡΑΠΕΖΙΑ ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ ΜΕΣΩ ΦΥΣΙΚΩΝ ΔΙΕΠΑΦΩΝ ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ Επιβλέπων καθηγητής: Μέλη επιτροπής: ΒΟΣΙΝΑΚΗΣ ΣΠΥΡΙΔΩΝ ΚΟΥΤΣΑΜΠΑΣΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΚΥΡΙΑΚΟΥΛΑΚΟΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΣΥΡΟΣ, ΙΟΥΛΙΟΣ 2014

2 Πίνακας περιεχομένων Λίστα Εικόνων... 6 Εντοπισμός του προβληματικού χώρου... 9 Ορισμός στόχων της εργασίας Μέθοδος ανάπτυξης της εργασίας Αξία εικονικής πραγματικότητας Τι είναι Εικονική Πραγματικότητα Ορισμός Εικονικής Πραγματικότητας Ιστορία Εικονικής Πραγματικότητας Κατηγορίες Συστημάτων Εικονικής Πραγματικότητας Κατηγορίες Εικονικών Περιβαλλόντων Σύνθεση Εικονικών Περιβαλλόντων Τεχνολογία Εικονικής Πραγματικότητας Συσκευές εισόδου Συσκευές εξόδου Λογισμικό Ανθρώπινος παράγοντας Συσκευές εισόδου εικονικής πραγματικότητας Πληκτρολόγιο Ποντίκι Μηχανικό ποντίκι Οπτικό ποντίκι Τρισδιάστατο ποντίκι Trackball Joystick Ψηφιακά Joystick Joystick επανατοποθέτησης Δυναμικά Joystick Τρισδιάστατα Joystick Spaceball Cyberman Συσκευές ανίχνευσης θέσης και προσανατολισμού Μαγνητικοί ανιχνευτές Ακουστικοί ανιχνευτές Οπτικοί ανιχνευτές

3 Μηχανικοί ανιχνευτές Αδρανείς ανιχνευτές Υβριδικοί ανιχνευτές Global Positioning System - GPS Ανίχνευση οφθαλμού Γάντια δεδομένων «Κουστούμι» δεδομένων Επιδέξια χειριστήρια Υβριδικές συσκευές Φωνητική εντολή Συσκευές εξόδου εικονικής πραγματικότητας D Γυαλιά Οθόνες προσαρμοζόμενες στο κεφάλι (Head Mounted Displays-HMD) Binocular Omni Oriented Monitors (BOOM) Οθόνες αμφιβληστροειδούς (Virtual Retinal Displays VRD) Περιβάλλουσες οθόνες εικονικής πραγματικότητας (Surround Screen VE SSVR) Stereo οθόνες Πάγκοι εργασίας Οθόνες ήχου Απτική ανάδραση Κριτήρια επιλογής συσκευών εισόδου-εξόδου Εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας Η έννοια της πλοήγησης σε επιτραπέζια εικονικά περιβάλλοντα Ταξινόμηση πλοήγησης Απόκτηση γνώσης εικονικού περιβάλλοντος Προβλήματα στην πλοήγηση Εργαλεία ενίσχυσης πλοήγησης Προσανατολισμός (Orientation) Εύρεση διαδρομής (Wayfinding) Εκτέλεση διαδρομής (Travelling) Τεχνικά ζητήματα πλοήγησης Σχεδιαστικά ζητήματα πλοήγησης Σχέση φύλου χρηστών και πλοήγησης Σχέση ηλικίας χρηστών και πλοήγησης

4 3.8 Συμπεριφορά χρηστών Σχεδιαστικές αρχές επιτυχούς πλοήγησης Ζητήματα αλληλεπίδρασης Ζητήματα ευχρηστίας Εκτίμηση ευχρηστίας διεπαφής Μέθοδοι αξιολόγησης εικονικού περιβάλλοντος Αίσθηση παρουσίας στο εικονικό περιβάλλον Αίσθηση προσαρμογής στο εικονικό περιβάλλον Παράγοντες επιτυχημένου εικονικού περιβάλλοντος Ενσωμάτωση της έννοιας της φυσικότητας στην αλληλεπίδραση Οι χειρονομίες ως τρόπος έκφρασης της φυσικής αλληλεπίδρασης Μέτρηση και αξιολόγηση της φυσικότητας Ποιοτικοί παράγοντες φυσικής αλληλεπίδρασης Ταξινόμηση φυσικών χαρακτηριστικών χειρονομιών Τεχνολογία και φυσική αλληλεπίδραση Συσκευές μη αντιληπτικής εισόδου Συσκευές αντιληπτικής εισόδου Πεδία εφαρμογής φυσικής αλληλεπίδρασης Πλεονεκτήματα φυσικής αλληλεπίδρασης Προβλήματα φυσικής αλληλεπίδρασης Αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή με «γυμνό χέρι» Απαιτήσεις συστήματος Τεχνικά ζητήματα ανίχνευσης χεριού Αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή με φυσικό βάδισμα Συσκευές φυσικής αλληλεπίδρασης EyeToy Kinect Leap Motion Controller Διεπαφές φυσικής αλληλεπίδρασης Διεπαφές πλοήγησης Πλοήγηση ελεγχόμενης πορείας Περιστρεφόμενο σκαμπό Dance pad Super feet Kinect Διεπαφές αλληλεπίδρασης

5 6.1 Πρόταση χρήσης συσκευών φυσικής αλληλεπίδρασης Πρόταση πρακτικής εφαρμογής συσκευών φυσικής αλληλεπίδρασης Επιλογή περιβάλλοντος μελέτης Θέματα σχεδιασμού, πλοήγησης και μέσων αλληλεπίδρασης Πρόταση αξιοποίησης συνδυασμού συσκευών φυσικής αλληλεπίδρασης σε εφαρμογή εικονικού μουσείου Αξιολόγηση Συνολική εκτίμηση μελέτης

6 Λίστα Εικόνων Εικόνα 1: Το τρίγωνο των τριών I της εικονικής πραγματικότητας κατά Burdea & Coiffet Εικόνα 2: Αυτονομία, Διάδραση, Παρουσία στην Εικονική Πραγματικότητα Ο κύβος του Zelter Εικόνα 3: Σύνθεση Εικονικών Περιβαλλόντων Εικόνα 4: Σύστημα Εικονικών Περιβαλλόντων Εικόνα 5: Πληκτρολόγιο "QWERTY" Εικόνα 6: Πληκτρολόγιο "DVORAK" Εικόνα 7: Πληκτρολόγιο "Αλφαβητικής Διάταξης" Εικόνα 8: (α) Μηχανικό ποντίκι, (β) Οπτικό ποντίκι Εικόνα 9: Τρισδιάστατο ποντίκι Εικόνα 10: Trackball Εικόνα 11: (α) Ψηφιακό joystick, (β) Joystick επανατοποθέτησης, (γ) Joystick δύναμης, (δ) 3D joystick Εικόνα 12: Spaceball Εικόνα 13: Cyberman Εικόνα 14: Μαγνητικοί ανιχνευτές (α) Polhemus (β) Ascension Εικόνα 15: Ακουστικός ανιχνευτής Fly mouse Εικόνα 16: Οπτικός ανιχνευτής LaserBird Εικόνα 17: Μηχανικός ανιχνευτής Fakespace BOOM Εικόνα 18: Αδρανής ανιχνευτής InterSense IS Εικόνα 19: Υβριδικός ανιχνευτής InterSense IS Εικόνα 20: Global Positioning System GPS Εικόνα 21: Γάντια δεδομένων Εικόνα 22: "Κουστούμι" δεδομένων Εικόνα 23: Επιδέξια χειριστήρια Εικόνα 24: Υβριδικές συσκευές (α) Space Mouse (Magellan), (β) Ring Mouse, (γ) ShapeTape Εικόνα 25: Active shutter 3D glasses Εικόνα 26: Passive polarized 3D glasses Εικόνα 27: Head Mounted Displays HMD Εικόνα 28: Binocular Omni Oriented Monitors BOOM Εικόνα 29: Εικονικές οθόνες αμφιβληστροειδούς (Virtual Retinal Displays - VRD) Εικόνα 30: Περιβάλλουσες οθόνες εικονικής πραγματικότητας (Surround Screen VE - SSVR) Εικόνα 31: Stereo monitor Εικόνα 32: Πάγκοι εργασίας Εικόνα 33: Οθόνες ήχου Εικόνα 34: Ανάδραση δύναμης Εικόνα 35: Ανάδραση αφής Εικόνα 36: Παράγοντες επιτυχημένου εικονικού περιβάλλοντος Εικόνα 37: EyeToy Εικόνα 38: Kinect Εικόνα 39: Kinect σε συνδυασμό με (α) ελικόπτερο, (β) ρομπότ, (γ) περισσότερα Kinect, (δ) kiosk

7 Εικόνα 40: Leap Motion Controller Εικόνα 41: Απεικόνιση χειρονομιών μέσω leap motion controller Εικόνα 42: Περιστρεφόμενο σκαμπό Εικόνα 43: Dance pad Εικόνα 44: Super feet Εικόνα 45: Εικονικό δάπεδο Εικόνα 46: Εικονικό κουμπί επιλογής Εικόνα 47: Εικονικός κύκλος Εικόνα 48: Τοποθέτηση του σώματος ως προς (α) κατακόρυφο άξονα για μετακίνηση εμπρός-πίσω, (β) κατακόρυφο άξονα για περιστροφή οπτικού πεδίου, (γ) οριζόντιο άξονα για κοίταγμα πάνω-κάτω Εικόνα 49: Περιστροφή οπτικού πεδίου μέσω στρέψης ποδιού

8 Η παρούσα μελέτη έγινε με αφορμή τη διπλωματική μου εργασία στα πλαίσια του προπτυχιακού προγράμματος σπουδών του Τμήματος Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστημάτων του Πανεπιστημίου Αιγαίου. Ευχαριστώ θερμά τον κ. Βοσινάκη Σπυρίδωνα για τη δυνατότητα που μου προσέφερε να ασχοληθώ με τον πολύ ενδιαφέροντα χώρο της Εικονικής Πραγματικότητας, καθώς και για τις πολύτιμες συμβουλές και καθοδήγησή του σε όλη μου την προσπάθεια. Επίσης, τους κ. Κουτσαμπάση Παναγιώτη και Κυριακουλάκο Παναγιώτη για τη συμβολή τους και για όλες τις γνώσεις που μου προσέφεραν στη διάρκεια των σπουδών μου. Ιδιαιτέρως ευχαριστώ την οικογένειά μου για τη συμπαράσταση, τη στήριξη, την υπομονή και τη συνεισφορά τους στην επίτευξη των στόχων μου. 8

9 Εισαγωγή Ορίζεται ο προβληματικός χώρος και οι στόχοι της εργασίας, αναπτύσσεται η μεθοδολογία ανάπτυξης αυτής και γίνεται «γνωριμία» με την εικονική πραγματικότητα Η εικονική πραγματικότητα κάνει την εμφάνισή της αρκετές δεκαετίες πριν και είναι ένα πεδίο που υπόσχεται διαρκή ανάπτυξη, μιας και η πρακτική εφαρμογή αφορά πολλούς τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας. Τη μεγαλύτερη ανταπόκριση, όμως, συναντούν τα επιτραπέζια εικονικά περιβάλλοντα. Με τη βοήθεια της εικονικής πραγματικότητας ο καθένας, οποιαδήποτε ηλικία και αν έχει, μπορεί σε μία απλή οθόνη υπολογιστή, που πλέον διαθέτει κάθε σπίτι, να αλληλεπιδράσει με τα αντικείμενα ενός κόσμου πραγματικού ή φανταστικού και να αντιληφθεί τα αποτελέσματα των ενεργειών του. Εντοπισμός του προβληματικού χώρου Το γεγονός ότι με το πέρασμα του χρόνου τα επιτραπέζια εικονικά περιβάλλοντα έχουν όλο και μεγαλύτερη απήχηση στο ευρύ κοινό και το πλήθος των εφαρμογών και υπηρεσιών ολοένα και αυξάνεται, στρέφει την προσοχή στην έννοια της ευχρηστίας του συστήματος αυτού, η οποία συμβάλει στην επιτυχημένη αλληλεπίδραση του χρήστη με το εικονικό περιβάλλον, με αποτέλεσμα την επαρκή απόδοση και την ικανοποίησή του. Στην αλληλεπίδραση, όμως, με ένα εικονικό περιβάλλον δημιουργούνται πολλές φορές προβλήματα και ακόμη και για απλές εργασίες ο χρήστης αντιμετωπίζει μεγάλη δυσκολία με επακόλουθο την απογοήτευση και στην χειρότερη περίπτωση την εγκατάλειψη της προσπάθειας να ολοκληρώσει το έργο του [80]. Η αλληλεπίδραση με ένα εικονικό περιβάλλον έχει δύο σημαντικές συνιστώσες. Από τη μία, την πλοήγηση μέσα σε αυτό και από την άλλη την αλληλεπίδραση με τα αντικείμενα που το απαρτίζουν [37]. Προβλήματα ευχρηστίας που εμφανίζονται, όμως, έχουν σαν αποτέλεσμα 9

10 οι δύο αυτές βασικές ενέργειες να μην εκτελούνται ικανοποιητικά και να εντοπίζονται προβλήματα στην διάδραση ανθρώπου-εικονικού περιβάλλοντος που οδηγούν σε [27]: Μειωμένη εξοικείωση του χρήστη με τη διεπαφή προκειμένου να ολοκληρώσει άμεσα κάποια εργασία Δυσκολία να αποκτήσει μνήμη για το περιβάλλον στο οποίο κινείται και να οδηγείται σε άσκοπες επανειλημμένες ενέργειες Συσσώρευση σφαλμάτων με επακόλουθο τη δυσανασχέτηση και εγκατάλειψη της εφαρμογής Αν στα παραπάνω προστεθεί και η δυσκολία χειρισμού των εργαλείων αλληλεπίδρασης [50] καθίσταται προφανές ότι ο χρήστης αποσπάται από το κύριο «καθήκον» του και θεμελιώδη στόχο στα εικονικά περιβάλλοντα, την πλοήγηση και την αλληλεπίδραση [10]. Ωστόσο, η ανάπτυξη της τεχνολογίας μπορεί να δώσει νέα διάσταση στην αλληλεπίδραση του ανθρώπου με ένα εικονικό περιβάλλον δίνοντας του τη δυνατότητα να αλληλεπιδρά με έναν πιο φυσικό και διαισθητικό τρόπο, μέσω φυσικών διεπαφών που ανιχνεύουν και αναγνωρίζουν τις κινήσεις του σώματός του με στόχο ο χρήστης να νιώθει και να συμπεριφέρεται φυσικά [87]. Ορισμός στόχων της εργασίας Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να εντοπιστούν τα προβλήματα ευχρηστίας που εμποδίζουν την επιτυχημένη αλληλεπίδραση, να αναλυθεί η δυνατότητα επίτευξής της μέσω φυσικών κινήσεων, όμοιων με αυτών που εκτελεί ο χρήστης στον πραγματικό κόσμο και στην καθημερινότητά του και που γίνονται διαισθητικά χωρίς να απαιτείται κάποιου είδους εκμάθηση για την υλοποίησή τους και να μελετηθούν οι φυσικές διεπαφές και ο τρόπος που μπορούν να αξιοποιηθούν οι μέχρι σήμερα δυνατότητές τους στον σχεδιασμό και ανάπτυξη νέων επιτραπέζιων εικονικών περιβαλλόντων που θα εκπληρώνουν τον θεμελιώδη σκοπό τους, της πλοήγησης και αλληλεπίδρασης. Αναλυτικότερα, Ερευνούνται και παρουσιάζονται τα εργαλεία αλληλεπίδρασης σε εικονικά περιβάλλοντα 10

11 Μελετούνται και αναλύονται τα θέματα ευχρηστίας που επηρεάζουν την επιτυχημένη αλληλεπίδραση Προσδιορίζεται ο παράγοντας που θα συντελέσει στην ενίσχυση της ευχρηστίας: η φυσικότητα Εξετάζονται οι φυσικές διεπαφές ως μέσο υποστήριξης της φυσικότητας Παρουσιάζονται τα τεχνολογικά μέσα που διατίθενται και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη της φυσικής αλληλεπίδρασης με ένα εικονικό περιβάλλον Παρατίθενται τα συμπεράσματα και εκτιμώνται οι προσδοκίες από την πρακτική χρήση τους σε πιθανό μελλοντικό πείραμα Μέθοδος ανάπτυξης της εργασίας Ορίζεται η έννοια της εικονικής πραγματικότητας και η εξέλιξή της στην πορεία του χρόνου, κατηγοριοποιούνται τα συστήματα εικονικής πραγματικότητας ανάλογα με το επίπεδο εμβύθισης και αναλύεται η σύνθεση των εικονικών περιβαλλόντων. Κατόπιν, παρουσιάζεται η τεχνολογία και οι συσκευές αλληλεπίδρασης σε σχέση με τον ρόλο που επιτελούν και εισάγεται ο ανθρώπινος παράγοντας. Αναλύεται η έννοια της αλληλεπίδρασης, τα προβλήματα που εμφανίζονται και προτάσεις βελτίωσής τους και παρουσιάζονται τεχνικά και σχεδιαστικά ζητήματα καθώς και η σχέση της με το φύλο, την ηλικία και τη συμπεριφορά των χρηστών. Προτείνονται σχεδιαστικές αρχές πλοήγησης και ζητήματα ευχρηστίας. Στη συνέχεια, συσχετίζονται οι παράγοντες επιτυχίας ενός εικονικού περιβάλλοντος και εισάγεται η έννοια της φυσικότητας και η υλοποίησή της μέσω των χειρονομιών. Αναζητείται τρόπος μέτρησης και αξιολόγησης της φυσικότητας, εξετάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της και ερευνούνται τρόποι φυσικής αλληλεπίδρασης. Τέλος, αναζητούνται τα τεχνολογικά επιτεύγματα υλοποίησης της φυσικής αλληλεπίδρασης χρήστη και εικονικού κόσμου στο περιβάλλον μιας οθόνης και προκύπτουν συμπεράσματα και αναμενόμενα αποτελέσματα από την χρήση ενός ή και συνδυασμού τους σε μελλοντικό πείραμα. Αξία εικονικής πραγματικότητας 11

12 Οι απαρχές της εικονικής πραγματικότητας θα μπορούσαμε να υποθέσουμε ότι προσδιορίζονται πριν από αιώνες, από τη στιγμή που ο άνθρωπος ένιωσε την ανάγκη να εκφραστεί, από τις αναπαραστάσεις στις τραχιές επιφάνειες των βράχων έως και τα καλλιτεχνικά αριστουργήματα πάνω σε καμβά. Βασιζόμενος στη διαίσθησή του και όχι τόσο σε σχεδιαστικές αρχές και πρότυπα κατάφερε να φτάσει σε επίπεδα ρεαλισμού που εντυπωσιάζουν μέχρι και σήμερα. Μπορεί η εικονική πραγματικότητα να έχει κάνει ιδιαίτερα αισθητή την παρουσία της μόνο τα τελευταία χρόνια, οι ρίζες της, όμως, ξεκινούν πριν από δεκαετίες. Στα τέλη της δεκαετίας του 1950 ανέκυψε μία ιδέα που θα άλλαζε για πάντα τον τρόπο που οι άνθρωποι αλληλεπιδρούσαν με τους υπολογιστές και θα δημιουργούσε την Εικονική Πραγματικότητα [93]. Μέχρι εκείνη τη στιγμή υπολογιστής σήμαινε μία ογκώδης μάζα, «κλειδωμένη» σε καλά αεριζόμενα δωμάτια που τη χρησιμοποιούσαν μόνο όσοι ήταν εξοικειωμένοι με γλώσσες προγραμματισμού και ελάχιστοι ήταν αυτοί που τους θεωρούσαν κάτι περισσότερο από υπολογιστικές μηχανές. Ήταν τότε που ένας νέος ηλεκτρολόγος μηχανικός και πρώην τεχνικός ναυτικών ραντάρ ονόματι Douglas Engelbart τους είδε με άλλο μάτι. Αντί να εξαντλεί τη χρήση τους στον υπολογισμό αριθμών, τους οραματίστηκε σαν εργαλεία ψηφιακής απεικόνισης. Γνώριζε πολύ καλά από την εμπειρία του στα ραντάρ ότι κάθε ψηφιακή πληροφορία μπορούσε να γίνει ορατή σε μία οθόνη. Γιατί, λοιπόν, να μην συνέδεε τον υπολογιστή με μία οθόνη; Αρχικά, οι ιδέες του Engelbart δεν βρήκαν ανταπόκριση, αλλά στα τέλη του 1960 υπήρξαν και άλλοι που είχαν στο μυαλό τους το ίδιο με εκείνον. Και ο χρόνος ήταν κατάλληλος για την υλοποίηση του οράματός του διότι η τεχνολογία των επικοινωνιών διασταυρωνόταν με αυτήν των γραφικών. Επιπλέον, οι πρώτοι υπολογιστές βασιζόμενοι σε κρυσταλλολυχνίες παρά σε λυχνίες κενού ήταν διαθέσιμοι. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να προκύψουν πιο φιλικά προς τον χρήστη υπολογιστικά συστήματα, που αποτέλεσαν το θεμέλιο για τους προσωπικούς υπολογιστές, τα γραφικά σε υπολογιστή και αργότερα, την εμφάνιση της εικονικής πραγματικότητας. Ακολούθησε μία σειρά γεγονότων που οδήγησαν στην εξέλιξη της τεχνολογίας ξεκινώντας από την πρώτη προσομοίωση δεδομένων για 12

13 στρατιωτικούς σκοπούς, τη γραφική απεικόνιση και μοντελοποίηση δεδομένων για επιστημονικούς σκοπούς, τις αλληλεπιδραστικές συσκευές χειρισμού δεδομένων για σχεδιαστικούς και ψυχαγωγικούς σκοπούς, το animation που δεν επέτρεπε τη διάδραση. Όμως, οι τομείς του στρατού, της επιστήμης, της βιομηχανίας, των επιχειρήσεων, της ψυχαγωγίας ήθελαν διάδραση. Η απαίτηση αυτή ώθησε προς την εικονική πραγματικότητα. Όλα τα βασικά στοιχεία της εικονικής πραγματικότητας υπήρχαν από το 1980, αλλά χρειάστηκαν υψηλής τεχνολογίας υπολογιστές με τρομερές δυνατότητες για να γίνει πραγματικότητα [103]. Η εικονική πραγματικότητα αλλάζει τον τρόπο που αλληλεπιδρούμε και ελέγχουμε τους υπολογιστές. Όπως συνέβη με την εμφάνιση των υπολογιστών, πάνω από 60 χρόνια πριν, η επίδρασή της δεν είναι και τόσο γνωστή. Θα υπάρχει εικονική πραγματικότητα σε κάθε σπίτι, τάξη και γραφείο; Η εμβύθιση του καθενός σε έναν εικονικό κόσμο θα είναι τόσο συνηθισμένη όσο το να βλέπεις μία ταινία; Το μόνο που είναι σίγουρο για την εικονική πραγματικότητα είναι ότι θα εξελιχθεί και θα αναπτυχθεί κι άλλο. Και μαζί με την τεχνολογία που ωριμάζει, θα γίνεται καλύτερη, φθηνότερη και πιο προσιτή. Επιπλέον, τα δίκτυα που συνδέουν τους υπολογιστές θα επεκταθούν, κάνοντας δυνατή την είσοδό της στην καθημερινότητά μας. Καταλήγοντας, το μέλλον της εικονικής πραγματικότητας μπορεί να περιοριστεί μόνο από την ανθρώπινη φαντασία. 13

14 Η έννοια της εικονικής πραγματικότητας Προσδιορίζεται η εικονική πραγματικότητα ως έννοια και η πορεία της στο πέρασμα του χρόνου, παρουσιάζονται οι κατηγορίες των συστημάτων εικονικής πραγματικότητας σε αναλογία με το επίπεδο εμβύθισης που προσφέρουν και αναλύονται τα στοιχεία που τα συνθέτουν και το περιεχόμενό τους 1.1 Τι είναι Εικονική Πραγματικότητα Κατά την τελευταία δεκαετία η λέξη «εικονικός» έγινε μία από τις πιο χρησιμοποιούμενες λέξεις. Σήμερα, έχουμε εικονικά πανεπιστήμια, εικονικά γραφεία, εικονικά κατοικίδια, εικονικές εκθέσεις, εικονικούς ηθοποιούς, εικονικά μουσεία, εικονικούς γιατρούς και όλα αυτά εξαιτίας της εικονικής πραγματικότητας. Ο όρος αυτός έκανε την εμφάνισή του στα μέσα της δεκαετίας του 1980 και δημιούργησε μία σειρά εκθέσεων, τηλεοπτικών προγραμμάτων και φιλοσοφικών συζητήσεων γύρω από την έννοια της πραγματικότητας. Και εν μία νυκτί όλα ξαφνικά απέκτησαν μία εικονική διάσταση. Κατά καιρούς έχουν δοθεί ποικίλοι ορισμοί, οπότε συγκεκριμένος και αυστηρός ορισμός δεν υπάρχει. Ως Εικονική Πραγματικότητα θα μπορούσε να θεωρηθεί μία καινοτόμος τεχνολογική ανακάλυψη που έδωσε τη δυνατότητα στον άνθρωπο να ξεπεράσει τον κλασικό τρόπο διάδρασης με τον υπολογιστή, μέσω των στατικών μέσων διεπαφής, όπως το ποντίκι και το πληκτρολόγιο και του επέτρεψε να συμμετέχει σε ένα τρισδιάστατο ισχυρά αλληλεπιδραστικό περιβάλλον, σε έναν «εικονικά πραγματικό» κόσμο, δηλαδή αφηρημένο, χωρίς τη φυσική παρουσία αντικειμένων και προσώπων [80]. Η εικονική πραγματικότητα χρησιμοποιεί ηλεκτρονικούς υπολογιστές, για την προσομοίωση υπαρκτών ή φανταστικών περιβαλλόντων, δίνοντας στον χρήστη την ψευδαίσθηση ότι περιβάλλεται από αυτά και στα οποία μπορεί να κινηθεί ελεύθερα, αλληλεπιδρώντας παράλληλα με 14

15 τα αντικείμενα που περιλαμβάνουν, όπως θα έκανε και στον πραγματικό κόσμο. Επομένως η έννοια της εικονικής πραγματικότητας ορίζεται μέσα από την εμπειρία που βιώνει ο εκάστοτε χρήστης. Η εικονική πραγματικότητα περιγράφεται από τρία I (Εικόνα 1), Immersion (εμβύθιση), Interaction (αλληλεπίδραση), Imagination (φαντασία) περιοριζόμενη από την ανθρώπινη φαντασία όσο αφορά τις εφαρμογές της [14]. Immersion (Εμβύθιση) O χρήστης, με τη βοήθεια της τεχνολογίας απεικόνισης, νιώθει ότι είναι μέρος του εικονικού περιβάλλοντος και ότι είναι ο πρωταγωνιστής της σκηνής αφού περιβάλλεται πλήρως από αυτήν, αντί να την βλέπει «από έξω» σαν απλός παρατηρητής. Interaction (Αλληλεπίδραση) Η αλληλεπίδραση σε πραγματικό χρόνο με ένα εικονικό περιβάλλον είναι θεμελιώδες και απαραίτητο χαρακτηριστικό. Αυτή περιλαμβάνει την πλοήγηση, καθώς και τον χειρισμό της εικονικής σκηνής. Για να επιτευχθεί σε πραγματικό χρόνο, πρέπει να πληρούνται δύο σημαντικά βασικά κριτήρια [39]: 1. Ρυθμός ανανέωσης: Μια εφαρμογή εικονικής πραγματικότητας πρέπει να έχει ένα ελάχιστο ποσοστό ανανέωσης της τάξης των 30 καρέ ανά δευτερόλεπτο. 2. Απόκριση: Ο μέγιστος χρόνος απόκρισης ενός συστήματος εικονικής πραγματικότητας αφού έχει δοθεί μία εντολή από τον χρήστη πρέπει να είναι της τάξης των 100 millisecond. Imagination (Φαντασία) Η αλληλεπίδραση μέσα σε ένα εικονικό περιβάλλον, θα πρέπει να είναι όσο γίνεται πιο ρεαλιστική. Το ιδανικό είναι ο χρήστης να αντιλαμβάνεται και να αλληλεπιδρά με τον εικονικό κόσμο όπως ακριβώς και με τον πραγματικό κόσμο, χωρίς καμία διάκριση. Αυτό, φυσικά, εξαρτάται από τον σχεδιασμό της διεπαφής ανθρώπου-μηχανής, η οποία πρέπει να είναι τρισδιάστατη και να περιλαμβάνει πολλαπλές αισθήσεις εκτός της οπτικής, δηλαδή, της ακοής, της αφής και της όσφρησης για την επίτευξη αυτής της διαισθητικής και φυσικής αλληλεπίδρασης. 15

16 Το αποτέλεσμα που παράγει το σύστημα της εικονικής πραγματικότητας λέγεται Εικονικό Περιβάλλον ή Εικονικός Κόσμος. Οι όροι Εικονική Πραγματικότητα και Εικονικά Περιβάλλοντα χρησιμοποιούνται στο κόσμο των υπολογιστών εναλλακτικά. Αυτοί οι όροι είναι οι πιο δημοφιλείς και οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι, αλλά υπάρχουν πολλοί άλλοι. Αρκεί να αναφέρουμε τους εξής: Συνθετική Εμπειρία, Εικονικοί Κόσμοι, Τεχνητοί κόσμοι ή Τεχνητή Πραγματικότητα. Όλα αυτά σημαίνουν το ίδιο ακριβώς. Interaction I 3 Immersion Imagination Εικόνα 1: Το τρίγωνο των τριών I της εικονικής πραγματικότητας κατά Burdea & Coiffet 1.2 Ορισμός Εικονικής Πραγματικότητας Στις μέρες μας τα γραφικά χρησιμοποιούνται σε πάρα πολλούς τομείς της καθημερινής ζωής. Στις αρχές του 21 ου αιώνα είναι δύσκολο να φανταστούμε κάποιον αρχιτέκτονα, μηχανικό ή σχεδιαστή να δουλεύει χωρίς τη χρήση γραφικών. Επίσης, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας των μικροεπεξεργαστών προσφέρει ολοένα και πιο γρήγορους υπολογιστές στην αγορά που είναι εφοδιασμένοι με καλύτερες και γρηγορότερες κάρτες γραφικών με τις τιμές τους να πέφτουν διαρκώς. Δίνεται, λοιπόν, η δυνατότητα ακόμη και σε έναν μέσο χρήστη να εισέλθει στον κόσμο των γραφικών. Η «γοητεία» της νέας μη-πραγματικότητας ξεκινάει με τα παιχνίδια στον υπολογιστή. Επιτρέπουν να δούμε τον κόσμο που μας περιβάλλει σε άλλη διάσταση και να αποκτήσουμε εμπειρία σε πράγματα δυσπρόσιτα στην πραγματική ζωή ή ακόμη και ανύπαρκτα. Με λίγα λόγια, ο κόσμος των τρισδιάστατων γραφικών μπορεί να δημιουργηθεί και να διαχειριστεί 16

17 όπως επιθυμεί ο καθένας αφού δεν έχει ούτε σύνορα ούτε περιορισμούς. Και μπορούμε να τον ενισχύσουμε και με μία τέταρτη διάσταση, αυτήν της φαντασίας μας! Όμως, οι άνθρωποι, σαν συνήθεια, πάντα θέλουμε περισσότερα. Θέλουμε να εισέλθουμε σε αυτόν τον κόσμο και να αλληλεπιδράσουμε μαζί του, αντί να κοιτάμε απλώς μία εικόνα σε μία οθόνη. Η τεχνολογία αυτή που ονομάζεται Εικονική Πραγματικότητα, παρουσιάστηκε το 1965 από τον Ivan Sutherland: «Κάνει αυτόν τον (εικονικό) κόσμο στο παράθυρο να μοιάζει αληθινός, να ακούγεται αληθινός, να τον νιώθεις αληθινό και να ανταποκρίνεται με ρεαλιστικότητα στις πράξεις του παρατηρητή» [75]. Ο όρος της εικονικής πραγματικότητας διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1989 από τον Jaron Lanier ο οποίος έδωσε τον ακόλουθο ορισμό: «Εικονική πραγματικότητα είναι ένα αλληλεπιδραστικό περιβάλλον, φτιαγμένο από υπολογιστή, στο οποίο μπορεί κάποιος να εμβυθιστεί». Στη συνέχεια διατυπώθηκαν διάφοροι άλλοι ορισμοί. Το 1993 ο Gigante είπε [25]: Χαρακτηρίζεται από την ψευδαίσθηση της συμμετοχής σε ένα συνθετικό περιβάλλον και όχι απλά από την εξωτερική παρατήρηση ενός τέτοιου περιβάλλοντος. Η εικονική πραγματικότητα βασίζεται σε τρισδιάστατες στερεοσκοπικές μονάδες απεικόνισης με ανιχνευτή της κίνησης του κεφαλιού, του χεριού ή του σώματος και στερεοσκοπικό ήχο. Η εικονική πραγματικότητα είναι μια εμπειρία εμβύθισης που χρησιμοποιεί όλες τις αισθήσεις. Ο Ellis (1993) δίνει έναν άλλο ορισμό: Ένα εικονικό περιβάλλον αποτελείται από περιεχόμενο (αντικείμενα και δράστες), γεωμετρία και δυναμική, με ένα εγωκεντρικό πλαίσιο αναφοράς, που περιλαμβάνει την αντίληψη των αντικειμένων σε βάθος και που εγείρει διάφορες αισθήσεις ταυτόχρονα. Οι Loffer και Anderson (1994) ορίζουν την εικονική πραγματικότητα ως εξής: 17

18 Εικονική πραγματικότητα είναι ένα τρισδιάστατο περιβάλλον προσομοίωσης σε υπολογιστή του οποίου η απεικόνιση γίνεται σε πραγματικό χρόνο και εξαρτάται από τη συμπεριφορά του χρήστη. Άλλοι ορισμοί με κάποιες διαφορές μεταξύ τους, αλλά με ουσιαστική ισοδυναμία είναι: Πραγματικού χρόνου διαδραστικά γραφικά με τρισδιάστατα μοντέλα, σε συνδυασμό με τεχνολογία προβολής που δίνει στον χρήστη την εμβύθιση στο μοντέλο του κόσμου και τον απευθείας χειρισμό. [22] Η αυταπάτη της συμμετοχής σε ένα συνθετικό περιβάλλον παρά η εξωτερική παρατήρηση αυτού του περιβάλλοντος. Η Εικονική Πραγματικότητα βασίζεται σε τρισδιάστατες, στερεοσκοπικές οθόνες με ανίχνευση του κεφαλιού, του χεριού και του σώματος και σε χρήση ήχου. Η Εικονική Πραγματικότητα είναι μία εμβυθιζόμενη, πολύ-αισθητική εμπειρία. [25] Προσομοίωση σε υπολογιστή με τη χρήση τρισδιάστατων γραφικών και συσκευών όπως το γάντι δεδομένων που επιτρέπει στον χρήστη να αλληλεπιδρά με την προσομοίωση. [35] Η Εικονική Πραγματικότητα αναφέρεται σε εμβυθιζόμενα, διαδραστικά, πολύ-αισθητικά, επικεντρωμένα στον χρήστη, τρισδιάστατα αναπτυγμένα σε υπολογιστή περιβάλλοντα και στον συνδυασμό τεχνολογιών που απαιτούνται για να χτίσουν αυτά τα περιβάλλοντα. [18] Η Εικονική Πραγματικότητα σου επιτρέπει την πλοήγηση και την άποψη ενός τρισδιάστατου κόσμου σε πραγματικό χρόνο με έξι βαθμούς ελευθερίας. Κατ ουσίαν η εικονική πραγματικότητα είναι κλώνος της φυσικής πραγματικότητας. [68] 18

19 Όλοι οι παραπάνω ορισμοί σημαίνουν ότι η εικονική πραγματικότητα είναι μία διαδραστική και εμβυθιζόμενη (με την αίσθηση της παρουσίας) εμπειρία σε ένα προσομοιωμένο (αυτόνομο) κόσμο [91] (Εικόνα 2). Εικόνα 2: Αυτονομία, Διάδραση, Παρουσία στην Εικονική Πραγματικότητα Ο κύβος του Zelter Ορισμένοι γενικοί όροι που συχνά συναντώνται συχνά σε συστήματα Εικονικής Πραγματικότητας και οι ορισμοί τους είναι, «Εικονικός Κόσμος» (Virtual World): Περιγράφει τους «κόσμους» που υπάρχουν με τη βοήθεια των υπολογιστών. Αυτοί μπορεί να είναι απολύτως φανταστικοί ή αναπαραστάσεις των πραγματικών κόσμων. «Εικονική Πραγματικότητα» (Virtual Reality -VR): Χρησιμοποιείται για να περιγράψει την τεχνολογία που σχετίζεται με τη δημιουργία των εικονικών κόσμων. Εμπεριέχει το απαραίτητο υλισμικό (hardware), το βασικό λογισμικό (software) και τις εφαρμογές, τα οποία όλα μαζί είναι απαραίτητα για να παρέχουν πρόσβαση χρηστών σε έναν Εικονικό Κόσμο. «Σύστημα Εικονικής Πραγματικότητας»: περιλαμβάνει όλο το απαραίτητο υλισμικό και λογισμικό για τη παρουσίαση των Εικονικών Κόσμων. Κατά κύριο λόγο αποτελείται από: ένα σύστημα προβολής ένα σύστημα ανίχνευσης (tracking) με 3 ή 6 βαθμούς ελευθερίας (6- DOF) ένα ή περισσότερους υπολογιστές για τη δημιουργία της τρισδιάστατης αναπαράστασης (rendering) συσκευές αλληλεπίδρασης όπως τρισδιάστατα ποντίκια, απτικές (haptic) συσκευές, κ.λπ. 19

20 ένα σύστημα επεξεργασίας πραγματικού χρόνου (runtime) που συνδυάζει και συγχρονίζει τα ανωτέρω υποσυστήματα και τα καθιστά προσιτά για τις εφαρμογές. «Εφαρμογή Εικονικής Πραγματικότητας»: Είναι μία εφαρμογή που «τρέχει» στον υπολογιστή και παρέχει τη λειτουργικότητα και τα χαρακτηριστικά αλληλεπίδρασης με τον χρήστη που είναι απαραίτητα για να εκτελέσει τις επιθυμητές λειτουργίες στον Εικονικό Κόσμο. «Εικονικό Περιβάλλον» (Virtual Environment -VE): Καθορίζεται από ένα Σύστημα Εικονικής Πραγματικότητας και τουλάχιστον από έναν Εικονικό Κόσμο. Παρέχει στους χρήστες συνήθως την αίσθηση της εμβύθισης στον Εικονικό κόσμο (immersion) και τη δυνατότητα αλληλεπίδρασης με αυτόν. Επιπλέον, υπάρχουν δύο σημαντικοί όροι που πρέπει να αναφερθούν όταν κάνουμε λόγο για εικονική πραγματικότητα: Τηλεπαρουσία και Κυβερνοχώρος. Είναι και οι δύο στενά συνδεδεμένοι με την Εικονική Πραγματικότητα, αλλά έχουν ελαφρώς διαφορετικό περιεχόμενο: Τηλεπαρουσία Πρόκειται για συγκεκριμένο είδος εικονικής πραγματικότητας που προσομοιώνει ένα πραγματικό αλλά απομονωμένο (από άποψη απόστασης ή κλίμακας) περιβάλλον. Ένας πιο ακριβής ορισμός αναφέρει ότι η τηλεπαρουσία συμβαίνει όταν «στο χώρο εργασίας, οι χρήστες έχουν την επιδεξιότητα να επιτρέψουν στον διαχειριστή να πραγματοποιήσει φυσιολογικές ανθρώπινες λειτουργίες. Στον σταθμό ελέγχου, ο διαχειριστής λαμβάνει επαρκή σε ποσότητα και ποιότητα ανάδραση αισθήσεων ώστε να παρέχει το αίσθημα της φυσικής παρουσίας στο πεδίο εργασίας» [32]. Κυβερνοχώρος Επινοήθηκε και ορίστηκε από τον William Gibson ως «συναινετική παραίσθηση που βιώνεται καθημερινά από δισεκατομμύρια νόμιμων διαχειριστών ( ) μία γραφική αναπαράσταση δεδομένων που συλλέγονται από την τράπεζα κάθε υπολογιστή στο ανθρώπινο σύστημα» [24]. Σήμερα ο όρος Κυβερνοχώρος συνδέεται περισσότερο με συστήματα ψυχαγωγίας και τον Παγκόσμιο Ιστό (Internet). 1.3 Ιστορία Εικονικής Πραγματικότητας Στόχος ενός συστήματος Εικονικής Πραγματικότητας είναι η εμβύθιση του χρήστη σε ένα περιβάλλον, εν μέρει ή ολοκληρωτικά, εικονικό. Ο σκοπός, όμως, μπορεί να διαφέρει, π.χ. από τη μελέτη και την 20

21 ενασχόληση με αφηρημένες έννοιες που δεν μπορούν να συλληφθούν με απλή δισδιάστατη απεικόνιση, τον σχεδιασμό και τον έλεγχο προϊόντων σε πρώιμα στάδια υλοποίησης έως την εκπαίδευση χρηστών σε συγκεκριμένες διεργασίες καθώς και για ψυχαγωγία και διασκέδαση. Mία μικρή εικόνα της έρευνας στην εικονική πραγματικότητα και τα σημαντικότερα σημεία της [2], [18], [25], [33]: Sensorama Ιστορικά, ήταν το πρώτο σύστημα Εικονικής Πραγματικότητας. Τις χρονιές ο Morton Heilig δημιούργησε έναν προσομοιωτή με πολλαπλούς αισθητήρες. Ένα ηχογραφημένο φιλμ με χρώμα και ήχο ενισχύθηκε από στερεοφωνικό ήχο, οσμές, άνεμο και δονήσεις. Αυτή ήταν η πρώτη προσπάθεια για την δημιουργία ενός συστήματος εικονικής πραγματικότητας και ενσωμάτωνε όλα τα στοιχεία ενός τέτοιου περιβάλλοντος, αλλά δεν ήταν διαδραστικό. The Ultimate Display Το 1965 ο Ivan Sutherland πρότεινε την υπέρτατη λύση εικονικής πραγματικότητας: την ιδέα για την κατασκευή ενός τεχνητού κόσμου που περιελάμβανε διαδραστικά γραφικά, ανάδραση δυνάμεων, ήχο, οσμή και γεύση. The Sword of Damocles («Η Δαμόκλειος Σπάθη») Το πρώτο σύστημα εικονικής πραγματικότητας με τη χρήση hardware. O Ivan Sutherland κατασκευάζει μία συσκευή που θεωρείται η πρώτη Οθόνη Προσαρμοζόμενη στο κεφάλι - Head Mounted Display (HMD), με κατάλληλο ανιχνευτή θέσης κεφαλιού. Υποστήριζε μία στερεοσκοπική άποψη που ανανεωνόταν ακολουθώντας τη θέση και τον προσανατολισμό του κεφαλιού του χρήστη. GROPE Το πρώτο πρωτότυπο ενός συστήματος με ανάδραση δύναμης που πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνα (University of North Carolina-UNC) το VIDEOPLACE Τεχνητή πραγματικότητα που δημιουργήθηκε το 1975 από τον Myron Krueger «ένα εννοιολογικό και όχι υπαρκτό περιβάλλον». Σε αυτό το σύστημα οι σιλουέτες των χρηστών που συλλάμβαναν οι κάμερες προβάλλονταν σε μία μεγάλη οθόνη. Οι συμμετέχοντες μπορούσαν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους χάρις στις τεχνικές επεξεργασίας εικόνας που καθόριζαν τη θέση τους στον χώρο μίας δισδιάστατης οθόνης. VCASS Ο Thomas Furness στα Αμερικανικά Ιατρικά Ερευνητικά Εργαστήρια Air Force s Armstrong ανέπτυξε το 1982 έναν προηγμένο προσομοιωτή πτήσης. Ο πιλότος του μαχητικού αεροσκάφους φορούσε 21

22 ένα HMD που ενίσχυε την εκτός παραθύρου οπτική με τη βοήθεια γραφικών που έδιναν πληροφορίες της πορείας της κίνησης. VIVED Virtual Visual Environment Display (Εικονική Οπτική Απεικόνιση Περιβάλλοντος) Κατασκευάστηκε στα εργαστήρια της NASA το 1984 με ένα μονόχρωμο στερεοσκοπικό HMD. VPL Η εταιρεία VPL κατασκευάσει to 1985 το δημοφιλές DataGlove και το 1988 to Eyephone HMD, τις πρώτες εμπορικά διαθέσιμες συσκευές εικονικής πραγματικότητας. BOOM Διατέθηκε στην αγορά το 1989 από τα Εργαστήρια Fake Space. To ΒΟΟΜ ήταν ένα μικρό κουτί που περιείχε δύο CRT οθόνες που μπορούσε κανείς να τις δει μέσα από δύο μικρές τρύπες. Ο χρήστης απλά κρατούσε το κουτί στο επίπεδο των ματιών και κινούνταν μέσα στον εικονικό κόσμο, καθώς ένας μηχανικός βραχίονας κατέγραφε τη θέση και τον προσανατολισμό του κουτιού. UNC Walkthrough project Στα τέλη του 1980 στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνα αναπτύχθηκε μία εφαρμογή αρχιτεκτονικής περιδιάβασης. Διάφορες συσκευές εικονικής πραγματικότητας κατασκευάστηκαν για να βελτιώσουν την ποιότητα αυτού του συστήματος, όπως HMD, οπτικοί ανιχνευτές και η συσκευή γραφικών Pixel-Plane. Virtual Wind Tunnel Στις αρχές του 1990 αναπτύχθηκε στα εργαστήρια της NASA μία εφαρμογή που επέτρεπε την παρατήρηση και την εξερεύνηση πεδίων ροής με τη βοήθεια του BOOM και του DataGlove. CAVE Το 1992 παρουσιάστηκε το CAVE (CAVE Automated Virtual Environment) που ήταν ένα σύστημα εικονικής πραγματικότητας και επιστημονικής οπτικοποίησης. Αντί να χρησιμοποιεί ένα HMD προέβαλε στερεοσκοπικές εικόνες στους τοίχους ενός δωματίου (ο χρήστης έπρεπε να φοράει γυαλιά LCD). Αυτή η προσέγγιση διασφάλιζε ύψιστη ποιότητα και ανάλυση των προβαλλόμενων εικόνων και πιο ευρύ οπτικό πεδίο σε σύγκριση με τα συστήματα που βασίζονταν σε HMD. Augmented Reality-AR (Επαυξημένη Πραγματικότητα) Μία τεχνολογία που «παρουσιάζει έναν εικονικό κόσμο που εμπλουτίζει παρά αντικαθιστά τον πραγματικό κόσμο» [13]. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ειδικών see-through HMD που επιθέτουν εικονικά τρισδιάστατα αντικείμενα πάνω στα πραγματικά. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιήθηκε νωρίτερα για να ενισχύσει την οπτική των πιλότων μαχητικών αεροσκαφών με επιπλέον πληροφορία (VCASS). Λόγω αυτής της καταπληκτικής δυνατότητας την ενίσχυση της ανθρώπινης οπτικής η 22

23 επαυξημένη πραγματικότητα έγινε το επίκεντρο πολλών ερευνητικών έργων στις αρχές του Κατηγορίες Συστημάτων Εικονικής Πραγματικότητας Η νέα τεχνολογία δεν ήταν αναμενόμενο ότι θα προκαλούσε τόσο μεγάλο ενθουσιασμό από το κοινό, γι αυτό και η βιομηχανία της εικονικής πραγματικότητας θα εκμεταλλευόταν στο έπακρο όλα τα μέσα για την προβολή του «προϊόντος» τους. Αναμφίβολα η εικονική πραγματικότητα έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον των ανθρώπων στο διάστημα των τελευταίων λίγων χρόνων. Ατελείωτες ουρές σχηματίζονταν σε εικονικές εκθέσεις προκειμένου το κοινό να ικανοποιήσει την περιέργεια του και να ανακαλύψει ποια ήταν τελικά αυτή η αίσθηση που δημιουργεί η αλληλεπίδραση και εμβύθιση σε έναν κόσμο δημιουργημένο από υπολογιστή. Όμως, πέντε μόνο λεπτά ήταν περισσότερο από αρκετά για να πειστεί ο εν δυνάμει εικονικός χαρακτήρας ότι η εικονική πραγματικότητα, ήταν ακριβώς αυτό που έλεγε η λέξη, εικονική. Οι εικονικοί κόσμοι δεν ήταν τόσο συναρπαστικοί όσο υπόσχονταν και η χρονική καθυστέρηση είχε σαν αποτέλεσμα οι προβαλλόμενες εικόνες να μην συγχρονίζονται πάντα με τις κινήσεις του κεφαλιού. Παρά την αρχική απογοήτευση αυτών των «εμβρυϊκών» συστημάτων, όμως, δεν υπήρχε καμία αμφιβολία ότι η τεχνολογία αυτή επεφύλασσε ένα συναρπαστικό μέλλον. Σήμερα, η εικονική πραγματικότητα έχει εξελιχθεί σε ποικίλο συνδυασμό μέσων, όπως οθόνες που τοποθετούνται στο κεφάλι, προσωπικούς υπολογιστές, σταθμούς εργασίας, εικονικά περιβάλλοντα εμβύθισης και εικονικά τραπέζια. Όντας ένα νέο παράδειγμα διεπαφής χρήστη προσφέρει μεγάλα οφέλη σε πολλές εφαρμογές. Παρέχει έναν εύκολο, ισχυρό, διαισθητικό τρόπο αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή μιας και ο χρήστης μπορεί να παρακολουθήσει και να χειριστεί το προσομοιωμένο περιβάλλον με τον ίδιο τρόπο που δρα και στον πραγματικό κόσμο, χωρίς να χρειάζεται να μάθει πώς δουλεύει η πολύπλοκη διεπαφή. Ως εκ τούτου πολλές εφαρμογές αναπτύχθηκαν σχετικά γρήγορα όπως προσομοιωτές πτήσεων, αρχιτεκτονική περιδιάβαση ή συστήματα απεικόνισης 23

24 δεδομένων. Αργότερα, χρησιμοποιήθηκε και ως συνεργατικό μέσο, και φυσικά και στο χώρο της ψυχαγωγίας. Για να θεωρηθεί, λοιπόν, η εμβύθιση ενός χρήστη σε ένα περιβάλλον Εικονικής Πραγματικότητας ως πετυχημένη, είναι πάρα πολύ σημαντικό να απομονωθεί ο χρήστης και οι αισθήσεις του από το πραγματικό κόσμο, επικαλύπτοντας τα ερεθίσματα του πραγματικού κόσμου με αντίστοιχα εικονικά. Από τις πέντε αισθήσεις, οι πιο σημαντικές κατά φθίνουσα σειρά είναι η όραση, η ακοή και η αφή [93]. Γι αυτό είναι μεγάλης σημασίας ένα σύστημα Εικονικής Πραγματικότητας να παρέχει στερεοσκοπική εικόνα, δηλαδή δύο εικόνες από διαφορετική οπτική γωνία, μία για κάθε μάτι του χρήστη, έτσι ώστε να δημιουργείται η αίσθηση του βάθους στο χώρο. Παράλληλα η ύπαρξη στερεοσκοπικού ήχου βοηθάει το χρήστη να κατανοεί καλύτερα και με πολύ φυσικό τρόπο τι γίνεται στον εικονικό χώρο που τον περιβάλλει, ενώ ταυτόχρονα τον αποκλείει από τους ήχους του πραγματικού κόσμου, που θα μπορούσαν να καταστρέψουν την εικονική του εμπειρία. Τέλος η αφή, μπορεί να ενισχυθεί με κατάλληλες απτικές συσκευές είτε για να μπορεί ο χρήστης να νιώθει τον κόσμο, π.χ. να ακουμπά ένα αντικείμενο και να νιώθει αντίσταση, είτε για να καθοδηγείται κατά την εκτέλεση κάποιων συγκεκριμένων ενεργειών. Αν όλα τα παραπάνω συνδυαστούν και με ανίχνευση των κινήσεων του χρήστη με κατάλληλες συσκευές ανίχνευσης, έτσι ώστε το εικονικό περιβάλλον να συμπεριφέρεται όπως και το πραγματικό, τότε η όλη εμπειρία που θα αποκτήσει μπορεί να είναι άκρως ρεαλιστική. Μπορούμε να ομαδοποιήσουμε τα συστήματα εικονικής πραγματικότητας με τα οποία υλοποιούνται τα εικονικά περιβάλλοντα ανάλογα και με το επίπεδο εμβύθισης που προσφέρουν στον χρήστη στις εξής κατηγορίες [50]: Επιτραπέζια συστήματα Εικονικής Πραγματικότητας (DeskTop VR) - Μερικές φορές ονομάζονται Παράθυρο στον Κόσμο (Window on World-WoW). Είναι ο απλούστερος τύπος εφαρμογών εικονικής πραγματικότητας. Χρησιμοποιούν μία τυπική οθόνη για να προβάλλουν την εικόνα του κόσμου (γενικά μονοσκοπικά). Ένα μειονέκτημα της προσέγγισης αυτής είναι ότι καμία άλλη 24

25 αισθητήρια έξοδος δεν υποστηρίζεται, οπότε οδηγεί σε χαμηλότερο επίπεδο εμβύθισης. Ωστόσο, αυτά τα συστήματα λόγω του χαμηλού κόστους τους και της υπάρχουσας υποδομής είναι ευρέως διαδεδομένα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα ηλεκτρονικά παιχνίδια. Ενυδρείου (Fish Tank VR) - Βελτιωμένη εκδοχή του επιτραπέζιου συστήματος εικονικής πραγματικότητας (DeskTop VR). Τα συστήματα αυτά υποστηρίζουν την ανίχνευση κεφαλιού και επομένως βελτιώνουν την αίσθηση του "να είσαι εκεί". Εξακολουθούν να χρησιμοποιούν μια συμβατική οθόνη (πολύ συχνά με LCD γυαλιά για στερεοσκοπική προβολή), αλλά γενικά δεν υποστηρίζουν αισθητήρια έξοδο. 25

26 Συστήματα εμβύθισης (Immersion VR) Πρόκειται για την υπέρτατη εκδοχή των συστημάτων εικονικής πραγματικότητας. Αυτά τα συστήματα επιτρέπουν στον χρήστη να βυθιστεί ολοκληρωτικά στον κόσμο που δημιούργησε ο υπολογιστής με χρήση συσκευών (π.χ. κράνους) που υποστηρίζουν στερεοσκοπική προβολή της σκηνής ανάλογα με τη θέση και τον προσανατολισμό του χρήστη και τον αποκόπτουν από ερεθίσματα του πραγματικού κόσμου προσφέροντας ρεαλιστική αλληλεπίδραση με τον εικονικό κόσμο. Τα συστήματα αυτά μπορούν να ενισχυθούν με ηχητικές, απτικές και αισθητικές διεπαφές. Συστήματα με αναπαράσταση του χρήστη - Η ύπαρξη μιας τρισδιάστατης αναπαράστασης μέσα στον εικονικό χώρο ενισχύει την αίσθηση παρουσίας του χρήστη στο εικονικό περιβάλλον. Αυτή μπορεί να προέρχεται από τη σύνθεση ενός τρισδιάστατου μοντέλου από τον υπολογιστή ή ακόμα και από την εικόνα του χρήστη, σε πραγματικό χρόνο, με χαρτογράφηση video. 26

27 Προβολικά συστήματα (Cave) - Αποτελούνται από ένα δωμάτιο στους τοίχους, το δάπεδο και την οροφή του οποίου προβάλλονται εικόνες που αναπαριστούν απόψεις του εικονικού περιβάλλοντος. Ο χρήστης μπορεί και να βαδίζει στο δωμάτιο και να έχει την αίσθηση της παρουσίας του στον εικονικό κόσμο. 27

28 Τηλεπαρουσία (Tele-presence) - Χρησιμοποιεί απομακρυσμένους αισθητήρες του πραγματικού κόσμου, για να μεταφέρει τις συνθήκες του πραγματικού περιβάλλοντος στο εικονικό. Αποτελεί ένα σύστημα μικτής πραγματικότητας, καθώς συνδυάζει εισόδους από τον πραγματικό και τον εικονικό κόσμο και επιτρέπει στους συμμετέχοντες να επικοινωνούν, να συνεργάζονται, να παίζουν από απόσταση με τη χρήση χειρονομιών και ολόκληρου του σώματος. Σε ένα σύστημα εικονικού περιβάλλοντος ο υπολογιστής αρχικοποιεί αισθητικές αποτυπώσεις που διαμοιράζονται στις ανθρώπινες αισθήσεις. Ο τύπος και η ποιότητα αυτών καθορίζει το επίπεδο της εμβύθισης και την αίσθηση παρουσίας στην εικονική πραγματικότητα. Ιδανικά, η υψηλή ανάλυση, η υψηλή ποιότητα και η σταθερότητα σε όλες τις οθόνες, η πληροφορία θα έπρεπε να είναι εμφανής σε όλες τις αισθήσεις του χρήστη. Επιπρόσθετα, το ίδιο το περιβάλλον θα έπρεπε να αντιδρά ρεαλιστικά στις πράξεις του χρήστη. Η πράξη, όμως, είναι πολύ διαφορετική από αυτήν την ιδανική περίπτωση. Πολλές εφαρμογές διεγείρουν μόνο μία ή μερικές από τις αισθήσεις, πολύ συχνά με χαμηλής ποιότητας και ασυγχρόνιστη πληροφορία. 28

29 Ενισχυμένη εικονική πραγματικότητα (Augmented VR) Είναι ένα σύστημα εικονικής πραγματικότητας που συνδυάζει την σκηνή του πραγματικού κόσμου με την εικονική που παράγει ο υπολογιστής βελτιστοποιώντας την αίσθηση ρεαλισμού και προσεγγίζοντας πολύ τη συνειδητή πραγματικότητα. 1.5 Κατηγορίες Εικονικών Περιβαλλόντων Τα Εικονικά Περιβάλλοντα μπορούν να χωριστούν στις εξής κατηγορίες [71]: Κατανεμημένα εικονικά περιβάλλοντα - Ονομάζονται έτσι γιατί το ενεργό μέρος τους είναι διασκορπισμένο σε διαφορετικά υπολογιστικά συστήματα που συνδέονται μέσω δικτύου. Κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι επιτρέπουν την αλληλεπίδραση του χρήστη με το περιβάλλον και με τα αντικείμενα αυτού, σε πραγματικό χρόνο, παρέχοντας αυξημένη αίσθηση ρεαλισμού. Δικτυακά εικονικά περιβάλλοντα - Επιτρέπουν σε μια ομάδα διασκορπισμένων χρηστών να αλληλεπιδρούν σε πραγματικό χρόνο. Τα περιβάλλοντα αυτά ονομάζονται και πολυχρηστικά (multi-user), αφού επιτρέπουν τη συνύπαρξη πολλών χρηστών στον ίδιο χώρο ταυτόχρονα. Ο καθένας από αυτούς μπορεί να δει την εικονική αναπαράσταση του άλλου μέσω του λεγόμενου avatar και κάθε αλλαγή που επιτελεί είναι ορατή και στους υπόλοιπους. Σε αντιπαράθεση με τα περιβάλλοντα ενός χρήστη, που είναι σχεδιασμένα για χρήση από ένα μόνο άτομο που είναι 29

30 και υπεύθυνο για τη διαχείριση του εικονικού κόσμου και έχει τη δυνατότητα να αλληλεπιδρά μόνο με αυτόν και όχι με την αναπαράσταση κάποιου άλλου χρήστη, τα πολυχρηστικά εικονικά περιβάλλοντα στοχεύουν στην αλληλεπίδραση πολλαπλών χρηστών μεταξύ τους σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, το εικονικό περιβάλλον μπορεί να είναι κατανεμημένο και να εκτελείται σε πολλαπλά υπολογιστικά συστήματα τα οποία βρίσκονται συνδεδεμένα στο δίκτυο. Συνεργατικά εικονικά περιβάλλοντα - Ως τέτοιο χαρακτηρίζεται ένας εικονικός τόπος που δημιουργείται από υπολογιστή στον οποίο οι χρήστες έχουν τη δυνατότητα να συναντιούνται, να συνεργάζονται και να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους αλλά και με αντικείμενα και του οποίου η αναπαράσταση μπορεί να ποικίλλει. Μαθησιακά Εικονικά Περιβάλλοντα Σαν τέτοιο μπορεί να θεωρηθεί ένα συνεργατικό περιβάλλον με σκοπό, όχι μόνο την ολοκλήρωση μιας συνεργατικής διαδικασίας, αλλά και επιπρόσθετες εκπαιδευτικές εργασίες, όπως για παράδειγμα η μάθηση από απόσταση. Πιο συγκεκριμένα ένα τέτοιο περιβάλλον είναι ένας εικονικός κόσμος που παρέχει στους χρήστες εκπαιδευτική λειτουργικότητα. 1.6 Σύνθεση Εικονικών Περιβαλλόντων Η επιτυχημένη σύνθεση ενός περιβάλλοντος απαιτεί κάποια ανάλυση των μερών που το συνθέτουν (Εικόνα 3). Η ανθρώπινη δραστηριότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αναφορά στον ορισμό του περιβάλλοντος, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από τρία μέρη: περιεχόμενο, γεωμετρία και δυναμική [88]. Περιεχόμενο Οι χρήστες και τα αντικείμενα του περιβάλλοντος αποτελούν το περιεχόμενό του. Αυτά τα αντικείμενα μπορούν να περιγραφούν από διανύσματα που αναγνωρίζουν τη θέση, τον προσανατολισμό και την ταχύτητα στο χώρο, καθώς και άλλα διακριτικά χαρακτηριστικά, όπως το χρώμα και η υφή. Αυτό, λοιπόν, το διάνυσμα αποτελεί την περιγραφή των ιδιοτήτων των αντικειμένων. Παρότι οι χρήστες μπορεί για κάποιες συγκεκριμένες διαδράσεις να θεωρηθούν αντικείμενα, ταυτόχρονα ξεχωρίζουν από αυτά στο ότι επιπρόσθετα με τα χαρακτηριστικά έχουν την ικανότητα να ξεκινούν αλληλεπιδράσεις με άλλα αντικείμενα. 30

31 Γεωμετρία Η γεωμετρία είναι μία περιγραφή του περιβαλλοντικού πεδίου δράσης. Έχει διαστάσεις, μετρικές και μέγεθος. Οι διαστάσεις νοούνται ως ο αριθμός των ανεξάρτητων περιγραφικών όρων που απαιτούνται για τον ορισμό του διανύσματος θέσης για κάθε στοιχείο του περιβάλλοντος. Οι μετρικές είναι σύστημα κανόνων που μπορούν να εφαρμοστούν στο διάνυσμα θέσης και να καθιερώσουν μια διάταξη των περιεχομένων. Το μέγεθος του περιβάλλοντος αναφέρεται στο εύρος των δυνατών τιμών για τα στοιχεία του διανύσματος θέσης. Δυναμική Η δυναμική ενός περιβάλλοντος είναι οι κανόνες διάδρασης μεταξύ των περιεχομένων του που περιγράφουν τη συμπεριφορά τους καθώς ανταλλάσουν ενέργεια ή πληροφορία. Εικόνα 3: Σύνθεση Εικονικών Περιβαλλόντων 31

32 Εργαλεία εικονικής πραγματικότητας Παρουσιάζεται η εικονική πραγματικότητα από τεχνολογικής πλευράς καθώς και οι συσκευές αλληλεπίδρασης κάθε τύπου εικονικού περιβάλλοντος σε σχέση με τον ρόλο που επιτελούν λαμβάνοντας υπόψιν και τον ανθρώπινο παράγοντα 2.1 Τεχνολογία Εικονικής Πραγματικότητας Ένα εικονικό περιβάλλον αποτελείται από το υλικό που θα χρησιμοποιεί ο χρήστης και από το λογισμικό που εκτελείται στον υπολογιστή. Καθένα εκπληρώνει διαφορετικό σκοπό. Το υλικό χρησιμοποιείται από τη μία για να καταγράψει την τρέχουσα κατάσταση του χρήστη, όπως την ακριβή του θέση στο χώρο, τις κινήσεις των χεριών και του κεφαλιού και από την άλλη για να μεταδώσει κατάλληλα ερεθίσματα στις αισθήσεις του, δηλαδή στην όραση, την ακοή και την αφή του. Επιπρόσθετες συσκευές εισόδου και εξόδου και ειδικά προγράμματα οδήγησης για αυτές είναι απαραίτητες για να ενισχυθεί η αλληλεπίδραση του χρήστη. Τα βασικά στοιχεία των εφαρμογών εικονικής πραγματικότητας απεικονίζονται στο ακόλουθο σχήμα και είναι θεμελιώδους σημασίας (Εικόνα 4). 32

33 Εικόνα 4: Σύστημα Εικονικών Περιβαλλόντων Ο χρήστης είναι εφοδιασμένος με μία οθόνη τοποθετημένη στο κεφάλι, έναν ανιχνευτή και προαιρετικά μια συσκευή χειρισμού (π.χ., τρισδιάστατο ποντίκι, γάντι δεδομένων κλπ). Καθώς εκτελεί ενέργειες όπως περπάτημα, στροφή του κεφαλιού (δηλαδή αλλαγή οπτικού πεδίου), δεδομένα που περιγράφουν τη συμπεριφορά του, τροφοδοτούν τον υπολογιστή μέσω των συσκευών εισόδου. Ο υπολογιστής επεξεργάζεται τις πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο και παράγει κατάλληλη ανατροφοδότηση που επιστρέφει πίσω στον χρήστη μέσω των συσκευών εξόδου. Σε γενικές γραμμές: οι συσκευές εισόδου ευθύνονται για την αλληλεπίδραση, οι συσκευές εξόδου για το αίσθημα της εμβύθισης και το λογισμικό για το σωστό έλεγχο και συγχρονισμό του συνολικού περιβάλλοντος. Αντίθετα το λογισμικό περιλαμβάνει το ίδιο το περιβάλλον αλλά και τα τμήματα διεπαφής του υλικού με το περιβάλλον. 33

34 2.1.1 Συσκευές εισόδου Ο τρόπος επικοινωνίας χρήστη-υπολογιστή καθορίζεται από τις συσκευές εισόδου. Σε μία ιδανική κατάσταση όλες αυτές μεταξύ τους, θα πρέπει να κάνουν τον έλεγχο του περιβάλλοντος χρήστη όσο το δυνατόν πιο διαισθητικό και φυσικό σε τέτοιο βαθμό ώστε να είναι σχεδόν αόρατες [12] Συσκευές εξόδου Η παρουσίαση του εικονικού περιβάλλοντος και των φαινομένων του στον χρήστη επιτυγχάνεται μέσω των συσκευών εξόδου. Όπως και στην περίπτωση των συσκευών εισόδου, είναι κι αυτές υπό συνεχή βελτίωση. Τα περισσότερα συστήματα υποστηρίζουν οπτική ανατροφοδότηση, ενώ κάποια την ενισχύουν και με ακουστική ή και απτική πληροφορία Λογισμικό Πέρα από τις συσκευές εισόδου και εξόδου, το λογισμικό διαδραματίζει έναν πολύ σημαντικό ρόλο. Διακρίνεται σε δύο βασικές κατηγορίες, το λογισμικό ανάπτυξης, δηλαδή αυτό που χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό του εικονικού περιβάλλοντος και το λογισμικό εκτέλεσης, δηλαδή αυτό που εκτελείται κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης του χρήστη με το περιβάλλον. Είναι υπεύθυνο για τη διαχείριση των συσκευών εισόδου και εξόδου, για την ανάλυση των εισερχόμενων δεδομένων και τη δημιουργία κατάλληλης ανατροφοδότησης. Ένα σημαντικό σημείο είναι ότι ολόκληρη η εφαρμογή είναι κρίσιμη χρονικά και το λογισμικό πρέπει να το διαχειρίζεται αυτό: τα δεδομένα εισόδου πρέπει να διαχειρίζονται έγκαιρα και η απόκριση του συστήματος που αποστέλλεται στην έξοδο πρέπει να είναι άμεση. 2.2 Ανθρώπινος παράγοντας Τα εικονικά περιβάλλοντα με την κατασκευή τους θα πρέπει να «ξεγελούν τις αισθήσεις του χρήστη» [33]. Ποιες αισθήσεις, όμως, είναι 34

35 πιο σημαντικές, ποια είναι τα πιο σημαντικά ερεθίσματα και τι είδους θα πρέπει να είναι, ώστε να γίνουν αποδεκτά από τον χρήστη; Η συνεισφορά καθεμιάς από τις πέντε ανθρώπινες αισθήσεις [31] φαίνεται στο ακόλουθο γράφημα: Αισθήσεις Όραση Ακοή Όσφρηση Αφή Γεύση Φαίνεται σαφώς ότι η ανθρώπινη όραση παρέχει τη μεγαλύτερη πληροφορία που διαβιβάζεται στον εγκέφαλο μας και συλλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος της προσοχής μας. Συνεπώς, η διέγερση του οπτικού συστήματος διαδραματίζει κύριο ρόλο στο "ξεγέλασμα των αισθήσεων» και έχει γίνει το επίκεντρο της έρευνας. Η δεύτερη πιο σημαντική αίσθηση είναι η ακοή, η οποία επίσης αρκετά συχνά λαμβάνεται υπόψη. Η αφή σε γενικές γραμμές, δεν παίζει σημαντικό ρόλο, εκτός από εργασίες που απαιτούν ακριβή χειρισμό. Η όσφρηση και η γεύση δεν λαμβάνονται ιδιαίτερα υπόψη στα περισσότερα συστήματα εικονικής πραγματικότητας, εξαιτίας του περιθωριακού τους ρόλου και την δυσκολίας εφαρμογής τους. 2.3 Συσκευές εισόδου εικονικής πραγματικότητας Οι συσκευές εισόδου και εξόδου αποτελούν την διεπαφή αναπαράστασης και πληροφορίας μεταξύ των αντικειμένων και των δυνάμεων του πραγματικού κόσμου και του εικονικού. Αυτό που επιτελούν οι συσκευές εισόδου είναι να μεταφράζουν τις ενέργειες του χρήστη σε δεδομένα που χρησιμοποιούνται από τις εφαρμογές του υπολογιστή και μετατρέπονται 35

36 σε εντολές, ενώ οι συσκευές εξόδου μεταφράζουν τα δεδομένα από τον υπολογιστή σε μία τέτοια μορφή που μπορεί να αναγνωριστεί από τις ανθρώπινες αισθήσεις. Συντελούν, λοιπό, στο να γίνει η αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή πιο εύκολη και διαισθητική. Οι τρισδιάστατες συσκευές εισόδου φαίνονται καταλληλότερες για πλήρη ελευθερία κινήσεων. Συνδεδεμένες με το σώμα ή κρατώντας τες το χέρι, χρησιμοποιούνται γενικά για να την επιλογή, μετακίνηση, τροποποίηση εικονικών αντικειμένων. Όμως, και οι επιτραπέζιες συσκευές εισόδου είναι πολύ δημοφιλείς. Φυσικά και δεν έχουν τον διαισθητικό και αποτελεσματικό έλεγχο των τρισδιάστατων συσκευών, αλλά είναι πιο πρακτικές και απλές στη χρήση και οικονομικότερες. Σημαντικό είναι να γίνει μία διάκριση μεταξύ των συσκευών εισόδου και των τεχνικών αλληλεπίδρασης. Οι συσκευές εισόδου αποτελούν απλά φυσικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση των τεχνικών αλληλεπίδρασης. Γενικά, πολλές διαφορετικές τεχνικές μπορούν να συνδέονται με μια συγκεκριμένη συσκευή. Το ζήτημα, όμως, είναι με πόση φυσικότητα, επάρκεια και καταλληλότητα μπορεί κάποια συσκευή να «συνεργάζεται» με κάποια δεδομένη τεχνική. Ένα άλλο χαρακτηριστικό τους είναι οι βαθμοί ελευθερίας (Degrees of Freedom-DOFs) που διαθέτουν. Μία συσκευή με λίγους βαθμούς ελευθερίας και με την προσθήκη κουμπιών ισοδυναμεί με μία περισσοτέρων βαθμών ελευθερίας. Οι συσκευές εισόδου μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση το είδος των γεγονότων που δημιουργούν. Αυτές που ενεργοποιούν ένα γεγονός σε κάποια χρονική στιγμή που εξαρτάται από τον χρήστη ονομάζονται διακριτές συσκευές. Δηλαδή, όταν ο χρήστης πατήσει ένα κουμπί, δημιουργείται κάποιο γεγονός που συνήθως είναι μία boolean τιμή που δηλώνει αν το κουμπί είναι πατημένο ή ελεύθερο. Το πληκτρολόγιο αποτελεί ένα τέτοιο παράδειγμα. Σε αντίθεση με αυτές υπάρχουν οι συνεχείς συσκευές οι οποίες δημιουργούν αλληλουχία γεγονότων ανεξάρτητα από τον χρήστη ή ως απάντηση σε κάποια ενέργειά του. Για παράδειγμα, ένας ανιχνευτής αποτελεί μία συσκευή που παράγει συνεχώς στοιχεία θέσης και προσανατολισμού ακόμη και εάν η ίδια η συσκευή δεν κινείται. Αυτού του 36

37 τύπου οι συσκευές είναι χρήσιμες όταν θέλουμε να γνωρίζουμε που βρίσκεται κάτι στον εικονικό χώρο και δεν θέλουμε να το ψάχνουμε διαρκώς. Παράδειγμα τέτοιας συσκευής είναι αυτή της ανίχνευσης κεφαλιού και τα γάντια δεδομένων. Αυτές που συνδυάζουν και διακριτά και συνεχή γεγονότα με αποτέλεσμα τη δημιουργία μίας πιο ευέλικτης ονομάζονται υβριδικές. Τέτοια είναι για παράδειγμα οι οθόνες με γραφίδα που έχουν μεγάλη επιτυχία στις εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας γιατί παρέχουν στον χρήστη την δυνατότητα αλληλεπίδρασης σε δύο διαστάσεις. Τέλος, οι συσκευές εισόδου φωνητικής εντολής είναι μία κατηγορία από μόνες τους αφού η «συσκευή» είναι η ίδια η ανθρώπινη φωνή. Προσφέρουν ένα ιδανικό συμπλήρωμα σε άλλες συσκευές εισόδου. Είναι ένας φυσικός τρόπος για συνδυασμό διαφορετικών τρόπων εισόδου για τον σχηματισμό πιο συνεκτικού και φυσικού περιβάλλοντος. Σε γενικές γραμμές, όταν λειτουργεί σωστά μπορεί να είναι ένα πολύτιμο εργαλείο σε εικονικά περιβάλλοντα, ιδίως όταν και τα δύο χέρια του χρήστη είναι απασχολημένα. Όλες οι συσκευές που αντιπροσωπεύουν τις παραπάνω κατηγορίες παρουσιάζονται ακολούθως [26] Πληκτρολόγιο Το πληκτρολόγιο είναι αναμφισβήτητα από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες και πιο «παλιές» συσκευές που υπάρχουν. Ο ρόλος του είναι η εισαγωγή δεδομένων κειμένου, όπως γράμματα, αριθμοί και κάποιοι ιδιαίτεροι χαρακτήρες. Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, στα καθορισμένης λειτουργίας και στα ποικίλης λειτουργίας, που σημαίνει ότι στην πρώτη περίπτωση τι κάθε πλήκτρο επιτελεί μία προκαθορισμένη λειτουργία ενώ στην δεύτερη η λειτουργία του κάθε πλήκτρου μπορεί να αλλάζει. Το γεγονός ότι η διάταξη των πλήκτρων γίνεται ανάλογα με τη σημαντικότητα, τη συχνότητα και την αλληλουχία χρήσης, οδήγησε σε διαφορετικούς τύπους πληκτρολογίων, μεταξύ των οποίων τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα είναι το «QWERTY», το «DVORAK» και το «Αλφαβητικής διάταξης». Αυτά αποτελούνται από: 37

38 Τα κεντρικά πλήκτρα που χωρίζονται, Στους αλφαβητικούς χαρακτήρες που είναι κατάλληλοι για την εισαγωγή δεδομένων κειμένου Στα ψηφία από 0-9 που εισάγουν αριθμούς ή κάποια ιδιαίτερα σύμβολα Στα τροποποιητικά πλήκτρα, όπως SHIFT, CTRL, ALT, που διαφοροποιούν το νόημα των υπολοίπων αν χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό Στα πλήκτρα στίξης και κάποιων ιδιαίτερων συμβόλων Τα λειτουργικά πλήκτρα, σχεδιασμένα να επιτελούν συγκεκριμένες εντολές Τα πλήκτρα ελέγχου του κέρσορα που επιτρέπουν τον έλεγχο της κίνησής του στην οθόνη, σε κατεύθυνση πάνω, κάτω, αριστερά, δεξιά. Το αριθμητικό πληκτρολόγιο («NumPad») που αποτελείται από 10 πλήκτρα με τα 10 ψηφία, σε διάταξη πίνακα 3x3 με το μηδέν (0) στη βάση, για την γρήγορη εισαγωγή αριθμών και εκτέλεσης υπολογισμών και έχοντας επιπλέον τη δυνατότητα ελέγχου του κέρσορα και κάποιων άλλων λειτουργιών, αφού αναγράφουν τα σχετικά σύμβολα. Εικόνα 5: Πληκτρολόγιο "QWERTY" Εικόνα 6: Πληκτρολόγιο "DVORAK" 38

39 Εικόνα 7: Πληκτρολόγιο "Αλφαβητικής Διάταξης" Ποντίκι Πρόκειται για μία μικρής διάστασης συσκευή που την κινεί ο χρήστης σε μία επίπεδη επιφάνεια. Ανάλογα με την κίνηση του ποντικιού, ελέγχεται η κίνηση του κέρσορα στην οθόνη μέσω ενός μηχανισμού που μετατρέπει την κίνηση σε ηλεκτρικά σήματα που χρησιμοποιούνται από τον υπολογιστή. Επίσης, έχει ενσωματωμένα κουμπιά για την εκτέλεση κάποιων ενεργειών. Όλα αυτά καθιστούν το ποντίκι μία ιδανική συσκευή στόχευσης και επιλογής. Τα ποντίκια χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, Μηχανικά και Οπτικά Μηχανικό ποντίκι Περιέχουν μία μικρή μπάλα στο εσωτερικό τους που περιστρέφεται καθώς το ποντίκι κινείται στην επιφάνεια. Αυτή η μπάλα περιστρέφει μικρούς τροχούς των οποίων η κίνηση κωδικοποιείται από ποτενσιόμετρα ή οπτικούς κωδικοποιητές. Αυτά έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να κινηθούν χωρίς περιορισμό σε κάθε επιφάνεια, αλλά η μπάλα συγκεντρώνει σκόνη που λερώνει τους κωδικοποιητές Οπτικό ποντίκι Περιέχουν οπτικούς αισθητήρες που εκπέμπουν σήματα καθώς το ποντίκι κινείται πάνω σε ένα πλέγμα με γραμμές κατά μήκος των αξόνων X και Y και όταν κάθε γραμμή «ενεργοποιηθεί» από το ποντίκι, εκπέμπεται ένας παλμός. Αυτό δεν συγκεντρώνει ακαθαρσίες στο εσωτερικό του, αλλά λειτουργεί μόνο σε συνδυασμό με ένα ειδικό mousepad που ενσωματώνει το πλέγμα. 39

40 (α) (β) Εικόνα 8: (α) Μηχανικό ποντίκι, (β) Οπτικό ποντίκι Τρισδιάστατο ποντίκι Με αυτό το βασικό και απλό εργαλείο αλληλεπίδρασης επιτρέπεται στον να μετακινεί τρισδιάστατα αντικείμενα στην οθόνη με έναν πιο εύκολο και διαισθητικό τρόπο απ ότι με ένα ποντίκι δύο διαστάσεων, με αποτέλεσμα τη βέλτιστη απόδοση εργασίας. Είναι μία συσκευή με 6 βαθμούς ελευθερίας υπό τον έλεγχο του χρήστη που μπορεί να μετακινείται στο χώρο με το χέρι. Είναι εξοπλισμένο με έναν αισθητήρα ανίχνευσης θέσης / προσανατολισμού και με μερικά κουμπιά που μπορούν να προκαλέσουν κάποιες ενέργειες [85]. Μερικά 3D ποντίκια μπορεί να είναι εξοπλισμένα με μία σφαίρα που ρυθμίζεται από τον αντίχειρα για επιπλέον έλεγχο των κινήσεων. Εικόνα 9: Τρισδιάστατο ποντίκι Trackball Θα μπορούσε να χαρακτηριστεί και ως αντίστροφο ποντίκι αφού αποτελείται από τον βασικό σκελετό και μία σφαίρα που περιστρέφεται ελεύθερα προς κάθε κατεύθυνση και τη χειρίζεται ο χρήστης είτε με τα δάχτυλα είτε με την παλάμη του. Στα μηχανικά,η περιστρεφόμενη 40

41 σφαίρα συνδέεται με ποτενσιόμετρα η έξοδος των οποίων αντιστοιχίζεται με την κατεύθυνση X και Y. Στα οπτικά, οπτικοί κωδικοποιητές δημιουργούν παλμούς σύμφωνα με την αύξηση της περιστροφής στους άξονες X και Y. Αυτά προτιμώνται όταν απαιτείται ο κέρσορας να διανύσει γρήγορα μεγάλη απόσταση σε ένα περιβάλλον μεγάλων διαστάσεων, μιας και η σφαίρα περιστρέφεται πολύ γρήγορα και ο κέρσορας κινείται χωρίς να σταματά. Όμως, η θέση του δεν μπορεί να προσδιορίσει και τη θέση του κέρσορα στην οθόνη, όπως μπορεί να συμβαίνει με το κλασικό ποντίκι. Εικόνα 10: Trackball Joystick Έχει κι αυτό πολύ μεγάλη απήχηση, όπως και το ποντίκι. Αποτελείται από έναν βραχίονα τοποθετημένο κάθετα σε μία σταθερή βάση που μπορεί να περιστραφεί γύρω από δύο ορθογώνιους άξονες. Στις συνήθεις περιπτώσεις ελατήρια επαναφέρουν το joystick στην αρχική του θέση όταν δεν χρησιμοποιείται, ενώ αλλά αποθηκεύουν κάθε φορά την τελευταία του θέση. Υπάρχουν τέσσερις κατηγορίες, τα ψηφιακά joystick, τα joystick επανατοποθέτησης, τα δυναμικά joystick και τα τρισδιάστατα joystick Ψηφιακά Joystick Τα ψηφιακά joystick διαθέτουν συνήθως τέσσερις διακόπτες στη βάση του μοχλού και ανιχνεύεται η κίνηση. Η έξοδος δεν είναι, όμως, ανάλογη της θέσης του joystick, οπότε και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον απόλυτο προσδιορισμό της θέσης, αλλά μόνο για πληροφορίες κατεύθυνσης. Αυτού του τύπου έχουν ευρωστία και είναι απλά και φθηνά. 41

42 Joystick επανατοποθέτησης Τα joystick επανατοποθέτησης διαθέτουν αντιστάσεις των οποίων η ανθεκτικότητα είναι ανάλογη της θέσης του joystick κατά μήκος των δύο αξόνων. Αυξάνοντας τη δύναμη που εφαρμόζεται στο joystick μεταβάλλεται και η θέση του. Στην περίπτωση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως η απόλυτη συσκευή τοποθέτησης αφού η κάθετη θέση του βραχίονα αντιστοιχεί σε μία κεντρική θέση, ενώ η πλήρης εκτροπή του αντιστοιχεί σε γωνιακές θέσεις Δυναμικά Joystick Τα δυναμικά joystick διαθέτουν έναν σταθερό βραχίονα και η μετακίνησή τους δεν είναι εμφανής επειδή αυτό που μετριέται είναι η δύναμη που εφαρμόζεται σε αυτά. Επιστρέφουν πάντα στην αρχική τους θέση όταν απελευθερώνονται και εξαιτίας της περιορισμένης κίνησής τους δεν ενδείκνυνται για ακριβή τοποθέτηση Τρισδιάστατα Joystick Τα τρισδιάστατα joystick δίνουν τη δυνατότητα ελέγχου και της τρίτης διάστασης με την περιστροφή του μοχλού σύμφωνα με τη φορά των δεικτών του ρολογιού ή αντίστροφα, ή μετατοπίζοντάς το προς τα πάνω ή προς τα κάτω. Γενικά, τα joystick έχουν το πλεονέκτημα ότι απαιτούν λίγο χώρο στην επιφάνεια εργασίας και μπορούν να ενισχύσουν τη λειτουργικότητά τους με την τοποθέτηση επιπλέον κουμπιών. (α) (β) (γ) (δ) Εικόνα 11: (α) Ψηφιακό joystick, (β) Joystick επανατοποθέτησης, (γ) Joystick δύναμης, (δ) 3D joystick Spaceball Το spaceball μοιάζει πολύ με ένα 3D joystick. Eίναι μια απλή συσκευή εισόδου με 6 βαθμούς ελευθερίας. Ο χρήστης μπορεί να αρπάξει την σφαίρα με το χέρι του και να τη χειριστεί ενώ η συσκευή καταγράφει τις 42

43 δυνάμεις μετατόπισης και τις ροπές περιστροφής της σφαίρας κατά μήκος των τριών αξόνων X, Y, Z και στέλνει αυτά τα δεδομένα στον κεντρικό υπολογιστή καθορίζοντας τη θέση και τον προσανατολισμό ενός αντικειμένου στο χώρο. Επιπρόσθετα κουμπιά είναι ενσωματωμένα για την ενίσχυση των δυνατοτήτων αλληλεπίδρασης Εικόνα 12: Spaceball Cyberman Το Cyberman είναι μία επέκταση του τυπικού ποντικιού δύο διαστάσεων. Υποστηρίζει είσοδο 6 βαθμών ελευθερίας και με τη βοήθεια ενός μικρού μοτέρ μπορεί να προσομοιώσει απτική ανάδραση. Το μέρος αυτής της συσκευής που αγγίζει το χέρι του χρήστη μπορεί να δονείται για να υποδείξει μια σύγκρουση. Είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη συσκευή σε παιχνίδια στον υπολογιστή. Εικόνα 13: Cyberman Συσκευές ανίχνευσης θέσης και προσανατολισμού 43

44 Οι συσκευές ανίχνευσης (αγγλ. trackers ) είναι συσκευές για τον καθορισμό της θέσης και του προσανατολισμού των αντικειμένων στον τρισδιάστατο χώρο. Τα εικονικά περιβάλλοντα είναι το κυρίως πεδίο εφαρμογής τους, όπου ο ρόλος τους είναι ο εντοπισμός των μερών του σώματος του χρήστη. Κύριο ενδιαφέρον παρουσιάζουν το κεφάλι του χρήστη και κατά συνέπεια η κατεύθυνση του βλέμματός του και τα χέρια ή τα πόδια που επιτρέπουν τη γραφική αναπαράσταση του χρήστη. Οπότε, αν συνδυαστούν με Head Mounted Display ή με Data Gloves παρέχουν την ορθή τρισδιάστατη απόδοση (rendering) των εικόνων στο εικονικό περιβάλλον. Τα τρισδιάστατα αντικείμενα έχουν έξι βαθμούς ελευθερίας (6DOF): συντεταγμένες θέσης (x, y, z) και προσανατολισμού (yaw, pitch, roll). Κάθε ανιχνευτής πρέπει να υποστηρίζει αυτά τα δεδομένα ή ένα υποσύνολο αυτών [33]. Οι πιο σημαντικές ιδιότητες των ανιχνευτών 6 βαθμών ελευθερίας, που λαμβάνονται υπόψη για την επιλογή της σωστής συσκευής για δεδομένη εφαρμογή είναι [7], [33], [52]: Ρυθμός ανανέωσης - Καθορίζει πόσες μετρήσεις γίνονται ανά δευτερόλεπτο (μετράται σε Hz). Υψηλότερες τιμές ρυθμού ενημέρωσης υποστηρίζουν ομαλότερη ανίχνευση των κινήσεων, αλλά απαιτούν περισσότερη επεξεργασία. Καθυστέρηση - Το χρονικό διάστημα (συνήθως μετριέται σε ms) μεταξύ της πραγματικής (φυσικής) δράσης του χρήστη και της έναρξης της μετάδοσης της αναφοράς που αντιπροσωπεύει τη δράση αυτή. Χαμηλότερες τιμές συμβάλλουν στην καλύτερη απόδοση. Ακρίβεια - Το μέτρο του σφάλματος στην αναφερόμενη θέση και προσανατολισμό. Ορίζεται γενικά σε απόλυτες τιμές. Μικρότερες τιμές σημαίνουν καλύτερη ακρίβεια. Ανάλυση Η παραμικρή αλλαγή στη θέση και τον προσανατολισμό που μπορεί να εντοπιστεί από τον ανιχνευτή. Μετρημένη όπως και η ακρίβεια σε απόλυτες τιμές. Μικρότερες τιμές σημαίνουν καλύτερη απόδοση. Εύρος - Ο όγκος εργασίας, εντός του οποίου ο ανιχνευτής μπορεί να μετρήσει τη θέση και τον προσανατολισμό με καθορισμένη ακρίβεια. Εκτός από αυτές τις ιδιότητες, δεν γίνεται να παραληφθούν και οι παράγοντες της ευκολίας χρήσης, του μεγέθους και του βάρους της συσκευής. 44

45 Ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες της τρισδιάστατης αλληλεπίδρασης σε εικονικά περιβάλλοντα είναι να υπάρχει αντιστοιχία μεταξύ αυτών και του φυσικού κόσμου. Οπότε, το να υπάρχει ακριβής ανίχνευση είναι εξαιρετικά σημαντικός παράγοντας ευχρηστίας του εικονικού περιβάλλοντος. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι ανιχνευτών, οι οποίοι είναι οι μαγνητικοί, ακουστικοί, οπτικοί, μηχανικοί, αδρανείς, υβριδικοί και το GPS. Καθένας από αυτούς παρουσιάζεται ακόλουθα [50] Μαγνητικοί ανιχνευτές Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες συσκευές εντοπισμού στις εφαρμογές εμβύθισης είναι οι μαγνητικοί ανιχνευτές. Η δομή τους είναι: Ένα στατικό μέρος (πομπός, μερικές φορές ονομάζεται πηγή) Ένα ή περισσότερα κινητά μέρη (δέκτες, μερικές φορές ονομάζονται αισθητήρες) τοποθετημένα στα αντικείμενα προς ανίχνευση. Μια μονάδα ελέγχου. Υπάρχουν δύο είδη μαγνητικών ανιχνευτών που χρησιμοποιούν είτε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) είτε συνεχές ρεύμα (DC) για τη δημιουργία μαγνητικών πεδίων, ως μέσο επικοινωνίας[52]. Οι μαγνητικοί ανιχνευτές έχουν σχετικά καλές επιδόσεις κάτω από ιδανικές συνθήκες (έλλειψη κάθε είδους μαγνητικών παρεμβολών). Πλεονεκτήματα: οι αισθητήρες είναι μικροί, μικρού βάρους και εύχρηστοι δεν έχουν τον περιορισμό «γραμμή θέασης» δεν είναι ευαίσθητοι σε ακουστικές παρεμβολές έχουν υψηλά ποσοστά ανανέωσης και ακρίβεια Μειονεκτήματα: το πεδίο εργασίας τους είναι πολύ περιορισμένο και η ανάλυση χειροτερεύει καθώς η απόσταση πομπού-δέκτη αυξάνεται, δεδομένου ότι το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου μειώνεται αισθητά με την απομάκρυνση από τον πομπό 45

46 Το μαγνητικό πεδίο υπόκειται σε παραμόρφωση, που προκαλείται από μεταλλικά αντικείμενα στο εσωτερικό του και από οποιαδήποτε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο με αποτέλεσμα πρόσθετες στρεβλώσεις που οδηγούν σε ανακριβείς μετρήσεις. (α) (β) Εικόνα 14: Μαγνητικοί ανιχνευτές (α) Polhemus (β) Ascension Ακουστικοί ανιχνευτές Στους ακουστικούς ανιχνευτές γεννήτριες υπερηχητικά κύματα (πάνω από 20kHz) τοποθετούνται στα αντικείμενα προς ανίχνευση για τον προσδιορισμό της θέσης και του προσανατολισμού τους στο χώρο. Λαμβάνοντας ως δεδομένο ότι η χρήση του ήχου επιτρέπει τον προσδιορισμό της σχετικής απόστασης ανάμεσα σε δύο σημεία μόνο, πολλαπλοί δέκτες (συνήθως τρεις σε διάταξη τριγώνου) χρησιμοποιούνται και σύμφωνα με τον χρόνο που απαιτείται για να ταξιδέψουν προσδιορίζεται η θέση και ο προσανατολισμός [52]. Υπάρχουν δύο είδη ακουστικών ανιχνευτών, αυτοί που χρησιμοποιούν τις μετρήσεις του «χρόνου πτήσης» (time of flight-tof) και αυτοί της «συζυγούς φάσης» (phase-coherent-pc) για να καθορίσουν την απόσταση μεταξύ ενός ζεύγους σημείων. Οι ανιχνευτές TOF (π.χ. ο Υπερηχητικός Ανιχνευτής Κεφαλιού με 6 βαθμούς ελευθερίας της Logitech, το Δυναμικό Γάντι της Mattel) μετρούν τον χρόνο για να φτάσουν σύντομοι υπερηχητικοί παλμοί από την πηγή προς τον αισθητήρα. Οι ανιχνευτές PC (π.χ., αυτοί που χρησιμοποιήθηκαν από τον Ι. Sutherland το 1968) συγκρίνουν τη φάση ενός σήματος αναφοράς με τη φάση του σήματος που λαμβάνεται από τους αισθητήρες. Η διαφορά μεταξύ δύο διαδοχικών μετρήσεων των φάσεων επιτρέπει να υπολογίσουμε την αλλαγή 46

47 απόστασης από την τελευταία μέτρηση. Δεδομένου ότι αυτή η μέθοδος αποδίδει συσχετιζόμενα δεδομένα (το λάθος τείνει να συσσωρεύεται με το χρόνο), η ανάπτυξη των ανιχνευτών PC εγκαταλείφθηκε. Πλεονεκτήματα (ανιχνευτών TOF): ελαφρείς και μικροί σχετικά φθηνοί δεν επηρεάζονται από μαγνητικές παρεμβολές Μειονεκτήματα (ανιχνευτών TOF): περιορισμός γραμμής θέασης ευαίσθητοι από ακουστικές παρεμβολές (θόρυβος ή ηχώ μπορεί να οδηγήσει σε ανακριβείς μετρήσεις) χαμηλά ποσοστά ανανέωσης Εικόνα 15: Ακουστικός ανιχνευτής Fly mouse Οπτικοί ανιχνευτές Οι οπτικοί ανιχνευτές χρησιμοποιούν βιντεοκάμερες ή αισθητήρες φωτός για τον προσδιορισμό της θέσης και του προσανατολισμού των ανιχνευόμενων αντικειμένων από εικόνες που συλλαμβάνει η κάμερα. Κατόπιν με τεχνικές επεξεργασίας εικόνας αναγνωρίζονται τα μέρη του σώματος του χρήστη, όπως το κεφάλι ή τα χέρια. Προκειμένου, όμως, να γίνει σωστά ο εντοπισμός λαμβάνεται υπόψιν ένας αριθμός παραμέτρων, όπως, ο αριθμός και η θέση των καμερών, το φόντο του χρήστη, εάν αυτός 47

48 φέρει πάνω του ειδικά οπτικά στοιχεία, όπως LED για να διευκολυνθεί η ανίχνευση. Σε γενικές γραμμές μπορούμε να τους χωρίσουμε σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με το είδος και τη διαμόρφωση [52]: Ανιχνευτές ορόσημα - Η προσέγγιση αυτή χρησιμοποιεί μια ομάδα οροσήμων (π.χ. LED) και ένα σύνολο καμερών που συλλαμβάνουν εικόνες των οροσήμων. Δεδομένου ότι η γεωμετρία των οροσήμων και των ανιχνευτών είναι γνωστή, η θέση και ο προσανατολισμός του ανιχνεύσιμου σώματος μπορεί να παραχθεί [82], [84]. Αναγνώριση προτύπων - Αυτά τα συστήματα δεν χρησιμοποιούν κανένα ορόσημο, αλλά καθορίζουν τη θέση και τον προσανατολισμό συγκρίνοντας γνωστά πρότυπα με τα ανιχνεύσιμα [52], [61]. Laser φάσματος - Τα συστήματα αυτά μεταδίδουν επί του αντικειμένου το φως του λέιζερ που διέρχεται μέσω ενός πλέγματος περίθλασης. Ένας αισθητήρας αναλύει το πρότυπο περίθλασης στην επιφάνεια του σώματος για να υπολογίσει τη θέση και τον προσανατολισμό του. Για όλα αυτά τα συστήματα η ακρίβεια μειώνεται σημαντικά καθώς η απόσταση μεταξύ των αισθητήρων και των ανιχνευόμενων αντικειμένων αυξάνεται [52]. Πλεονεκτήματα: Υψηλά ποσοστά ανανέωσης (έως 240Hz [33]) που στις περισσότερες περιπτώσεις περιορίζεται μόνο από την ταχύτητα του υπολογιστή που εκτελεί τον έλεγχο Δυνατότητα επέκτασης σε μεγάλα πεδία εργασίας [82], [84] Απουσία ευαισθησίας στην παρουσία μεταλλικών, σιδηρομαγνητικών αντικειμένων και σε ακουστικές παρεμβολές Σχετικά καλή ακρίβεια: τάξεις μεγέθους μεταξύ 1 mm και 0,1 Μειονεκτήματα: Περιορισμός πεδίου εργασίας 48

49 Το φως του περιβάλλοντος και η υπέρυθρη ακτινοβολία μπορεί να επηρεάσουν την απόδοση Ακριβή και πολύ συχνά περίπλοκη κατασκευή Δυσκολία στο να ανιχνευθούν περισσότερα από ένα αντικείμενα σε ένα πεδίο εργασίας Εικόνα 16: Οπτικός ανιχνευτής LaserBird Μηχανικοί ανιχνευτές Για τη μέτρηση της θέσης και του προσανατολισμού ενός ελεύθερου σημείου σε σχέση με τη βάση χρησιμοποιείται μια μηχανική σύνδεση μερικών άκαμπτων βραχιόνων με αρθρώσεις μεταξύ τους. Το ένα άκρο έχει καθορισμένη θέση ενώ το άλλο προσκολλάται στο αντικείμενο που πρόκειται να ανιχνευθεί (συνήθως το κεφάλι του χρήστη). Οι γωνίες στις αρθρώσεις μετρώνται με τη βοήθεια τροχών ή ποτενσιομέτρων, τα οποία σε συνδυασμό με την γνώση της σύνδεσης κατασκευής επιτρέπει να οριστούν οι απαιτούμενες τιμές της θέσης και του προσανατολισμού. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα μιας μηχανικής συσκευής ανίχνευσης είναι το BOOM (Binocular Omni-Oriented Monitor) που αναπτύχθηκε από τα εργαστήρια Fake Space. Πλεονεκτήματα: Μεγάλη ακρίβεια «Ανοσία» σε όλα τα είδη παρεμβολών (εκτός μηχανικών εμποδίων) Υψηλή συχνότητα ανανέωσης (έως 300 Hz) Υποστήριξη ανάδρασης δυνάμεων 49

50 Μειονεκτήματα: Μη πλήρης ελευθερία κινήσεων λόγω της μηχανικής σύνδεσης Μικρό πεδίο εργασίας (περίπου ένα κυβικό μέτρο) Εντοπισμός ενός μόνο αντικειμένου στο πεδίο εργασίας Εικόνα 17: Μηχανικός ανιχνευτής Fakespace BOOM Αδρανείς ανιχνευτές Ο πυρήνας τους είναι επιταχυνσιόμετρα ή γυροσκόπια, που επιτρέπουν τον υπολογισμό του προσανατολισμού με την προσθήκη της σχετικής μετρούμενης κίνησης από την επιτάχυνση. Πλεονεκτήματα: Ασύρματη λειτουργία Απεριόριστο εύρος πεδίου εργασίας Δεν απαιτείται πομπός Δεν δέχονται παρεμβολές από μέταλλα Μειονεκτήματα: Μεγάλη εκτροπή Είναι ογκώδεις και υψηλού κόστους Με την συνεχή προσθήκη τιμών, συσσωρεύονται λάθη 50

51 Εικόνα 18: Αδρανής ανιχνευτής InterSense IS Υβριδικοί ανιχνευτές Οι υβριδικοί ανιχνευτές συνδυάζουν περισσότερες από μία τεχνολογίες εντοπισμού για να αυξηθεί η ακρίβεια, να μειωθούν τα λάθη και, εν γένει, να υπάρχει καλύτερη εμπειρία εικονικού περιβάλλοντος. Η κύρια δυσκολία με τους υβριδικούς ιχνηλάτες είναι ότι όσο περισσότερα εξαρτήματα προστίθενται στο σύστημα, τόσο πιο περίπλοκη γίνεται η συσκευή. Άλλοι τύποι υβριδικών ανιχνευτών περιλαμβάνουν τον συνδυασμό βιντεοκαμερών και δομημένων ψηφιακών προβολέων φωτός. Συνδυάζοντας αυτές τις δύο τεχνολογίες επιτρέπεται η σύλληψη του βάθους, του χρώματος, καθώς και πληροφορίες για τα αντικείμενα και τους συμμετέχοντες στο περιβάλλον από τις αντανακλάσεις της επιφανείας. Εικόνα 19: Υβριδικός ανιχνευτής InterSense IS Global Positioning System - GPS Ένα ακόμα σύστημα ανίχνευσης είναι το Global Positioning System-GPS. Χρησιμοποιεί το σήματα που προέρχονται από τουλάχιστον τρεις (μέχρι 51

52 24) δορυφόρους σε τροχιά γύρω από τη γη για να τριγωνοποιήσει την απόλυτη θέση και προσανατολισμό του δέκτη. Τα GPS χρησιμοποιούνται ευρέως σε πλοία, αεροσκάφη και στην πλοήγηση οχημάτων. Εικόνα 20: Global Positioning System GPS Ανίχνευση οφθαλμού Η ανίχνευση του κεφαλιού διευκολύνει τη σωστή απεικόνιση των εικόνων από το οπτικό πεδίο του χρήστη. Το πλεονέκτημα της ανίχνευσης του κεφαλιού είναι ότι βελτιώνει την αντίληψη του βάθους. Μία σημαντική παράμετρος που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ότι η οπτική οξύτητα του οφθαλμού αλλάζει ανάλογα με την απόσταση από τη γραμμή θέασης. Αυτό σημαίνει ότι η εικόνα δεν χρειάζεται να έχει ίδια ανάλυση και ποιότητα σε ολόκληρη την επιφάνεια της οθόνης. Τα αντικείμενα που βρίσκονται μακριά από τη γραμμή θέασης μπορούν να αντιπροσωπεύονται ατελώς, μιας και ο χρήστης δεν θα το προσέξει. Κατά συνέπεια, αυτό μπορεί να οδηγήσει στην σημαντική μείωση του χρόνου τρισδιάστατης οπτικοποίησης (rendering) [23], [45], [60]. Ως εκ τούτου, τεχνικές ανίχνευσης οφθαλμών μπορούν να ενσωματωθούν για να καθοριστεί η κατεύθυνση του βλέμματος [73]. Γενικά, οι πιο σημαντικές τεχνικές ανίχνευσης οφθαλμού μπορούν να ομαδοποιηθούν ως εξής: Εντοπισμός ωχράς κηλίδας - Το κρίσιμο όριο μεταξύ ίριδας και ωχράς κηλίδας, μπορεί εύκολα να εντοπιστεί. Τα υπέρυθρα LED και οι οπτικές λυχνίες τοποθετούνται στα γυαλιά του χρήστη ώστε να παρακολουθούν τις υπέρυθρες αντανακλάσεις από την ίριδα και την 52

53 ωχρά κηλίδα, προκειμένου να καθοριστεί η κατεύθυνση του βλέμματος. Η τεχνική αυτή προσφέρει καλή ακρίβεια (1 έως 3 ), αλλά περιορίζει την κατακόρυφη κίνηση του ματιού (στις έντονες κάθετες κινήσεις του ματιού η ωχρά κηλίδα επισκιάζεται μερικώς από τα βλέφαρα που εμποδίζουν την ακριβή μέτρηση). Ανίχνευση εικόνας Γίνεται χρήση μιας κάμερας και τεχνικών επεξεργασίας εικόνας για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης του βλέμματος. Η τεχνολογία αυτή προσφέρει καλή ακρίβεια τυπικά περίπου 1. Ηλεκτρο-οφθαλμογραφία (EOG) - Χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια που τοποθετούνται δίπλα από τα μάτια για τη μέτρηση του διαρκούς δυναμικού μεταξύ κερατοειδούς και αμφιβληστροειδούς. Συνήθως, τα καταγραμμένα δυναμικά είναι πολύ μικρού εύρους, από 15μV έως 200μV. Αυτή η προσέγγιση έχει μια αμφισβητήσιμη αξία επειδή είναι ευαίσθητη σε εξωτερικές ηλεκτρικές παρεμβολές και σε μυϊκή δράση. Αντανάκλαση κερατοειδούς - Χρησιμοποιεί οπτικές λυχνίες για την ανάλυση της αντανάκλασης συγκεντρωμένης δέσμης φωτός από την κυρτή επιφάνεια του κερατοειδούς. Η προσέγγιση αυτή προσφέρει σχετικά καλή ακρίβεια (0,5 έως 1 ), αλλά χρειάζεται πολύπλοκη βαθμονόμηση, καλύπτει σχετικά μικρή περιοχή κίνησης οφθαλμού και είναι ευαίσθητη σε διακυμάνσεις, όπως παραλλαγές του σχήματος του κερατοειδούς, δάκρυα και αστιγματισμό Γάντια δεδομένων Τα γάντια είναι μία διαδραστική συσκευή που διευκολύνει την αίσθηση αφής και τον ποιοτικό έλεγχο της κίνησης και χαρακτηρίζεται ως μία από τις πιο σημαντικές συσκευές στα εικονικά περιβάλλοντα. Είναι εφοδιασμένα με αισθητήρες που ανιχνεύουν τις αρθρώσεις των δακτύλων, μετρούν την κάμψη τους και μετατρέπουν αυτές τις κινήσεις σε σήματα για την είσοδο χειρονομιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από ένα εικονικό χέρι (π.χ. στα παιχνίδια σε υπολογιστή) ή από ένα ρομποτικό χέρι (π.χ. τηλεχειριζόμενη χειρουργική) και που το καθιστούν «πλουσιότερη» συσκευή αλληλεπίδρασης από το 3D ποντίκι. Ακόμη, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως επιφάνεια τοποθέτησης ενός ανιχνευτή, που καθορίζει τη θέση και τον προσανατολισμό του χεριού. 53

54 Εικόνα 21: Γάντια δεδομένων «Κουστούμι» δεδομένων Μια επέκταση του γαντιού δεδομένων είναι το κουστούμι δεδομένων που καλύπτει ολόκληρο το σώμα του χρήστη. Το πρώτο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση είναι συλλαμβάνοντας τις κινήσεις ολόκληρου του σώματος με ελάχιστο αριθμό αισθητήρων. Ένα παράδειγμα της εφαρμογής της τεχνολογίας εντοπισμού του σώματος είναι το animation σε πραγματικό χρόνο των εικονικών ηθοποιών στην βιομηχανία θεάματος. Εικόνα 22: "Κουστούμι" δεδομένων Επιδέξια χειριστήρια Σε ορισμένες εφαρμογές (π.χ. χειρουργική επέμβαση) απαιτείται εξαιρετικά ακριβής έλεγχος. Όμως, με τα γάντια δεδομένων πολύ συχνά δεν μπορεί να εκπληρωθεί αυτή η απαίτηση, γεγονός που οδήγησε στην ανάπτυξη των επιδέξιων χειριστηρίων. Αυτά μπορεί να υποστηρίζουν 9 βαθμούς ελευθερίας ελέγχου και ανάδρασης δύναμης και χρησιμοποιούν 54

55 ποτενσιόμετρα για τη μέτρηση της γωνίας κάμψης. Κάποια άλλα μπορεί να εντοπίζουν τρεις γωνίες αρθρώσεων για κάθε δάκτυλο (4βαθμούς ελευθερίας για κάθε δάκτυλο που καθιστά συνολικά 20 βαθμούς ελευθερίας για ολόκληρο το χέρι). Επίσης, εγγυώνται υψηλή ακρίβεια μέτρησης των γωνιών κάμψης (σφάλμα τάξης μεγέθους της 1 σε αντίθεση με τις 5-10 στην περίπτωση των γαντιών). Εικόνα 23: Επιδέξια χειριστήρια Υβριδικές συσκευές Πρόκειται για συσκευές που συνδυάζουν αυτές που δημιουργούν και διακριτά και συνεχή γεγονότα και το αποτέλεσμα είναι μία και μόνο εύχρηστη συσκευή. Δύο από τις πιο συνηθισμένες είναι το joystick και το ποντίκι. Μία ακόμη είναι το tablet με «πένα γραφής». Μερικές ακόμη συσκευές τέτοιου τύπου είναι το Space Mouse (Magellan), που είναι μια συσκευή εισόδου 6 DOF και αρχικά είχε σχεδιαστεί για τηλερομποτικό χειρισμό. Ελαφρά πίεση των δακτύλων πάνω στο κουμπί του Space Mouse δημιουργεί μικρές αποκλίσεις στο Χ, Υ, και Ζ, ώστε να κινηθούν αντικείμενα σε 3D χώρο. Μικρές περιστροφές του κουμπιού δημιουργούν και περιστροφή των αντικειμένων. Έχει επίσης μια σειρά από κουμπιά τα οποία θα παράγουν διακριτά γεγονότα. Το Ring Mouse είναι μια μικρή συσκευή που φοριέται στο δάχτυλο του χρήστη και χρησιμοποιεί υπερηχητικούς ανιχνευτές. Επίσης, έχει δύο κουμπιά για τη δημιουργία διακριτών γεγονότων. Το κύριο πλεονέκτημά της είναι ότι είναι ασύρματη και φθηνή. 55

56 Το ShapeTape είναι μια ευαίσθητη ταινία που κάμπτεται και συστρέφεται διαρκώς και η οποία απαιτεί χειρισμό και με τα δύο χέρια. Η συσκευή αυτή χρησιμοποιείται για τη δημιουργία και επεξεργασία καμπυλών και επιφανειών. Κάμπτεται και συστρέφεται με δύο αισθητήρες οπτικών ινών σε διάστημα 6 cm. (α) (β) (γ) Εικόνα 24: Υβριδικές συσκευές (α) Space Mouse (Magellan), (β) Ring Mouse, (γ) ShapeTape Φωνητική εντολή Όταν πρόκειται για εισαγωγή ομιλίας, υπάρχουν πολλά θέματα προς επίλυση και συμβιβασμοί που πρέπει να γίνου εκτός από το ποια συσκευή αναγνώρισης θα χρησιμοποιηθεί. Ένα σημαντικό ζήτημα είναι που θα τοποθετηθεί το μικρόφωνο. Ιδανικά, ένα μικρόφωνο μακράς εμβέλειας θα ήταν καλύτερο, έτσι ώστε ο χρήστης να μην χρειάζεται να φοράει ακουστικά. Η τοποθέτηση, όμως, ενός τέτοιου μικροφώνου στο φυσικό περιβάλλον μπορεί να είναι προβληματική, δεδομένου ότι θα μπορούσε να λαμβάνει θορύβους και από άλλους ανθρώπους ή μηχανήματα στο χώρο. Ένα από τα μεγάλα προβλήματα όταν γίνεται εισαγωγή ομιλίας είναι το να γνωρίζει ο υπολογιστής πότε πρέπει να ακούει τη φωνή του χρήστη και πότε όχι. Συχνά, ένας χρήστης συνομιλεί με κάποιον συνεργάτη του χωρίς την πρόθεση φωνητικής εντολής αλλά ο υπολογιστής «νομίζει» ότι ο χρήστης του μιλάει. Αυτή η παρερμηνεία μπορεί να είναι πολύ προβληματική. Ένας από τους καλύτερους τρόπους για να αποφευχθεί αυτό το πρόβλημα είναι να χρησιμοποιηθεί μια αόρατο σύστημα push-to-talk. Αυτό επιτρέπει στον χρήστη να πει στην εφαρμογή αν μιλάει σε αυτήν ή σε κάποιον άλλο. Για να διατηρηθεί η φυσικότητα της διεπαφής ομιλίας, δεν πρέπει να επιβαρύνεται ο χρήστης με γνωστικά ζητήματα. Ο στόχος του συστήματος push-to-talk είναι ακριβώς δίνει αυτήν την εντολή στις υπάρχουσες τεχνικές αλληλεπίδρασης, ώστε ο χρήστης να μην χρειάζεται να θυμάται να ειδοποιήσει την εφαρμογή ότι πρόκειται να δώσει μια φωνητική εντολή. 56

57 2.4 Συσκευές εξόδου εικονικής πραγματικότητας Διαφορετικού τύπου συστήματα εικονικής πραγματικότητας, από επιτραπέζια έως πλήρους εμβύθισης, παρουσιάζουν με διαφορετικό τρόπο την οπτική πληροφορία. Μπορεί να ποικίλουν από μια τυπική οθόνη υπολογιστή σε ένα εξελιγμένο HMD. Η επόμενη ενότητα θα παρουσιάσει μια επισκόπηση των πιο συχνά χρησιμοποιούνται οθονών σε εικονικά περιβάλλοντα. Στις εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας υπάρχουν δύο τρόποι για να παρουσιαστεί στον χρήστη οπτική πληροφορία. Ο πρώτος, οθόνη πλήρους εμβύθισης, αποκλείει ολοκληρωτικά τον πραγματικό κόσμο από τον χρήστη. Ο δεύτερος τρόπος, οθόνη fish tank, επιτρέπει στον χρήστη να βλέπει ταυτόχρονα και τον πραγματικό και τον εικονικό κόσμο. Όπως για όλα, υπάρχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και στους δύο τρόπους. Η ποιότητα της εικόνας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο για τη δημιουργία του αισθήματος εμβύθισης. Η ιδανική οθόνη θα πρέπει να έχει υψηλή ανάλυση, υψηλή συχνότητα ανανέωσης, ευρύ πεδίο άποψης, υψηλή φωτεινότητα και αντίθεση. Από την άλλη πλευρά η δυνατότητα να την φοράς δεν μπορεί να παραβλεφθεί, οπότε απαιτείται ευκολία χρήσης, μικρό βάρος, κλπ. [12], [33], [42], [46], [51] D Γυαλιά Τα 3D γυαλιά επιτρέπουν τη στερεοσκοπική όραση και την αντίληψη του βάθους. Είμαστε σε θέση να αντιληφθούμε το βάθος χάρις το γεγονός ότι καθένα από τα μάτια μας παρατηρεί την ίδια σκηνή, αλλά από μια ελαφρώς διαφορετική οπτική γωνία. Όταν οι μεμονωμένες εικόνες που προβάλλονται από κάθε μάτι φτάσουν στον οπτικό φλοιό μας, ο εγκέφαλός μας βάζει αυτόματα αυτές τις εικόνες μαζί και ερμηνεύει τις πληροφορίες ως τρίτη διάσταση. Οποιαδήποτε τεχνολογία τρισδιάστατης απεικόνισης βασίζεται στη χρήση μιας μεθόδου για την διαμοίραση ξεχωριστών εικόνων της ίδιας 57

58 σκηνής σε κάθε μάτι. Τα 3D γυαλιά παρέχουν μια πολύ απλή προσέγγιση για την επίτευξη αυτού του στόχου. Η ιδέα πίσω από αυτά είναι η εξής: κάθε μάτι επιτρέπει στην εικόνα που προορίζεται για τον αντίστοιχο οφθαλμό να εισέλθει διαμέσου ενώ μπλοκάρει την εικόνα που προορίζεται για το άλλο μάτι. Τα 3D γυαλιά μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριες τεχνολογίες, Ενεργητική και Παθητική. Τα ενεργητικά γυαλιά λειτουργούν με την μετακίνηση ή την εναλλαγή στοιχείων, τα οποία «ενεργά» διαχωρίζουν την εισερχόμενη εικόνα έτσι ώστε αυτή που απευθύνεται σε κάθε μάτι να είναι διαφορετική. Σε άμεση αντίθεση, τα παθητικά γυαλιά δεν στηρίζονται σε κανένα μετακινούμενο ή εναλλασσόμενο στοιχείο. Συνήθως βασίζονται σε κάποιο ειδικού τύπου οπτικό υλικό που βοηθά στο διαχωρισμό μεταξύ των εικόνων που προορίζονται για κάθε μάτι. Τα τρισδιάστατα ενεργά γυαλιά κλείστρου (Active shutter 3D glasses) είναι μια πολύ δημοφιλής επιλογή. Τα μεμονωμένα τεμάχια αυτών των γυαλιών για το κάθε μάτι ενσωματώνουν υγρούς κρυστάλλους και ένα φίλτρο πόλωσης, έτσι ώστε όταν εφαρμόζεται μία τάση, το γυαλί γίνεται σκούρο και εμποδίζει το φως να περάσει διαμέσου. Έτσι, το αριστερό και το δεξί γυαλί ανοιγοκλείνουν εναλλάξ με αυτόν τον τρόπο και έτσι συγχρονίζονται με το ρυθμό ανανέωσης της οθόνης. Η οθόνη εμφανίζει ένα frame για το αριστερό και το δεξί μάτι εναλλάξ και ο συγχρονισμός με τα γυαλιά διασφαλίζει ότι κάθε μάτι βλέπει πάντα μόνο την εικόνα που πρέπει να δει. Εικόνα 25: Active shutter 3D glasses Τα παθητικά πολωμένα γυαλιά (Passive polarized 3D glasses) βασίζονται σε οπτικό εφέ για να διαχωρίσουν δύο προβαλλόμενες σε οθόνη εικόνες, που καθεμία προορίζεται για διαφορετικό μάτι. Η τεχνολογία αυτή έχει 58

59 περιορισμούς, κυρίως λόγω της κακή πιστότητας των χρωμάτων που οφείλονται στη χρήση των φιμέ τζαμιών. Τα απαλά χρώματα οδηγούν σε μια πολύ σουρεαλιστική, δυσάρεστη και ενοχλητική οπτικά 3D εμπειρία που εμποδίζει τον χρήστη να εμβυθιστεί στο εικονικό περιβάλλον. Εικόνα 26: Passive polarized 3D glasses Οθόνες προσαρμοζόμενες στο κεφάλι (Head Mounted Displays- HMD) Οι HMD τοποθετούνται στο κεφάλι και ενσωματώνουν δύο μικρές CRT ή LCD οθόνες που τοποθετούνται μπροστά από τα μάτια του χρήστη. Είναι από τις πιο κοινές συσκευές προβολής σε ένα εικονικό περιβάλλον. Με μία συσκευή ανίχνευσης προσαρμοσμένη στην συσκευή παράγουν μία στερεοσκοπική άποψη που κινείται σε σχέση με τη θέση και τον προσανατολισμό του κεφαλιού του χρήστη, ο οποίος δεν έχει καθόλου εικόνα του φυσικού κόσμου. Οι εικόνες που προβάλλονται στον χρήστη βασιζόμενες στην τρέχουσα θέση και προσανατολισμό του μετριούνται από ανιχνευτή. Δεδομένου ότι η HMD είναι τοποθετημένη στο κεφάλι του χρήστη, πρέπει να πληροί αυστηρές εργονομικές απαιτήσεις: θα πρέπει να είναι σχετικά ελαφριά, άνετη και να φοριέται εύκολα (Εικόνα 27). Όπως κάθε οπτική απεικόνιση θα πρέπει ενδεχομένως να έχει την καλύτερη ποιότητα. Αυτές οι απαιτήσεις αναγκάζουν τους μηχανικούς να κάνουν σκληρούς συμβιβασμούς με συνέπεια οι τιμές και η ποιότητα τους να ποικίλλουν. Αυτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: αδιαφανείς και διαφανείς. Οι αδιαφανείς αντικαθιστούν πλήρως το οπτικό πεδίο του χρήστη με εικόνες του εικονικού κόσμου και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές, δημιουργίας ενός νέου κόσμου, όπως αρχιτεκτονικές περιδιαβάσεις, επιστημονική απεικόνιση ή παιχνίδια. Οι διαφανείς υπερθέτουν τις εικόνες που δημιουργούνται από υπολογιστή σε αντικείμενα του 59

60 πραγματικού κόσμου, ενισχύοντας τον πραγματικό κόσμο με πρόσθετη πληροφορία. Αυτός ο τύπος χρησιμοποιείται συνήθως σε επαυξημένα συστήματα. Αφού το κάθε μάτι έχει τη δική του οθόνη επιτρέπει καλή στερεοσκοπική άποψη και μάλιστα οι οθόνες αυτές βρίσκονται πολύ κοντά στα μάτια του χρήστη (από 2,5 έως 5 cm). Επιπλέον, είναι εύκολο να ρυθμιστούν, δεν εμποδίζουν τον χρήστη από το να περιφέρεται στον πραγματικό κόσμο, ενώ δεν είναι και πολύ ακριβές. Από την άλλη, δεν εκμεταλλεύονται την περιφερειακή όραση, μπορεί να είναι βαριές και να μην προσαρμόζονται καλά, ενώ αυτές μιας μέσης ποιότητας δεν έχουν πολύ καλή ανάλυση και οπτικό πεδίο. Σε σχέση με τον σχεδιασμό της διεπαφής, μιας και ολόκληρος ο πραγματικός κόσμος αποκλείεται από το οπτικό πεδίο του χρήστη, θα πρέπει να του παρέχεται κάποια γραφική απεικόνιση των φυσικών αντικειμένων. Αυτή μπορεί να ποικίλλει από ένα απλό γεωμετρικό σχήμα έως ένα πολύπλοκο μοντέλο αποτελούμενο από χιλιάδες πολύγωνα. Επίσης, θέτουν και περιορισμό στο είδος των συσκευών εισόδου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν αφού ο χρήστης δεν μπορεί να δει φυσικά τη συσκευή που πρόκειται να χειριστεί. Εικόνα 27: Head Mounted Displays HMD Binocular Omni Oriented Monitors (BOOM) Αυτές οι πολύπλοκες συσκευές από τα εργαστήρια Fake Space υποστηρίζουν και τη μηχανική ανίχνευση και την τεχνολογία 60

61 στερεοσκοπικής προβολής. Είναι σαν τις HMD με τη διαφορά ότι είναι τοποθετημένες σε έναν τεχνητό βραχίονα. Δυο οθόνες οπτικής απεικόνισης (για στερεοσκοπική όψη) τοποθετούνται σε ένα κουτί τοποθετημένο σε ένα μηχανικό βραχίονα. Το κουτί μπορεί να το κρατήσει στα χέρια του ο χρήστης και οι οθόνες μπορούν να παρακολουθούνται μέσα από δύο τρύπες. Καθώς η μηχανική κατασκευή συνήθως υποστηρίζει αντίβαρο, οι οθόνες που χρησιμοποιούνται δεν πρέπει να είναι ούτε μικρές ούτε ελαφριές. Επίσης, χρησιμοποιούν μηχανική τεχνολογία ανίχνευσης για να εντοπίζουν τη θέση και τον προσανατολισμό του κεφαλιού του χρήστη. Ως εκ τούτου, η τεχνολογία CRT μπορεί να χρησιμοποιηθεί για καλύτερη ανάλυση και ποιότητα εικόνας. Παρέχουν καλύτερη ανάλυση από τις HMD και καλύτερο οπτικό πεδίο. Αφού ο χρήστης δεν χρειάζεται να τις φοράει και είναι και ελαφριές μπορούν να χειριστούν πιο εύκολα και προσφέρουν και καλή στερεοσκοπική άποψη, αφού και εδώ το κάθε μάτι του χρήστη έχει τη δική του οθόνη. Επειδή, όμως είναι συνδεδεμένη με ένα σταθερό άκρο, η κίνηση του χρήστη στον χώρο είναι περιορισμένη και επιπλέον πρέπει να την κρατάει σαν να βλέπει μέσα από κιάλια και επίσης δεν εκμεταλλεύεται την περιφερειακή όραση του χρήστη. Σε σχέση με τον σχεδιασμό της διεπαφής, κι σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει να παρέχεται στον χρήστη κάποια γραφική απεικόνιση των φυσικών αντικειμένων και η απασχόληση τουλάχιστον του ενός χεριού, εμποδίζει την αλληλεπίδραση με τα δύο χέρια. Εικόνα 28: Binocular Omni Oriented Monitors BOOM 61

62 2.4.4 Οθόνες αμφιβληστροειδούς (Virtual Retinal Displays VRD) Οι εικονικές οθόνες αμφιβληστροειδούς αναπτύχθηκαν το 1991 και βασίζονται στην τεχνολογία ότι οι εικόνες μπορούν να προβάλλονται απ ευθείας στον αμφιβληστροειδή. Μία πηγή φωτονίων χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει μια συνεκτική δέσμη φωτός που επιτρέπει στο σύστημα να οδηγήσει ένα περιορισμένο σημειακό φως περιθλάσεως στον αμφιβληστροειδή. Η δέσμη φωτός έχει διαμορφούμενη ένταση ώστε να ταιριάζει με την ένταση της εικόνας που οπτικοποιείται. Κατόπιν η δέσμη σαρώνεται για να τοποθετήσει κάθε σημείο ή εικονοστοιχείο της εικόνας, στην κατάλληλη θέση του αμφιβληστροειδούς. Οι οθόνες αυτές χρησιμοποιούνται και για εικονική και για επαυξημένη πραγματικότητα. Είναι ελαφριές, έχουν υψηλή ανάλυση και οπτικό πεδίο, καλή στερεοσκοπική άποψη και περιβάλλουν ολόκληρο το οπτικό πεδίο του χρήστη παρέχοντας οπτική εμβύθιση. Εικόνα 29: Εικονικές οθόνες αμφιβληστροειδούς (Virtual Retinal Displays - VRD) Περιβάλλουσες οθόνες εικονικής πραγματικότητας (Surround Screen VE SSVR) Οι μεγάλες οθόνες προβολής αποτελούν μία εναλλακτική λύση στις συνήθεις επιτραπέζιες οθόνες. Προσφέρουν όχι μόνο καλύτερη ποιότητα εικόνας, αλλά επίσης και ένα ευρύτερο οπτικό πεδίο, γεγονός που τις καθιστά πολύ ελκυστικές για εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας και ρυθμίζονται από μία ή συνδυασμό ισχυρής «μηχανής» γραφικών. Η απαίτηση για ολική εμβύθιση μπορεί να εκπληρωθεί από οθόνες τύπου CAVE, όπου ο χρήστης περιβάλλεται από πολλαπλές επίπεδες οθόνες (3 έως 6) [19] ή από μία θολωτή οθόνη. Το 62

63 μειονέκτημα αυτών των συστημάτων προβολής είναι ότι είναι μεγάλα, ακριβά, εύθραυστα και απαιτούν ρύθμιση υλικού ακριβείας. Τα πλεονεκτήματά τους είναι ποικίλα. Ο χρήστης χρειάζεται μόνο ένα ζευγάρι ελαφριών γυαλιών κλείστρου για στερεοσκοπική άποψη και έχει την ελευθερία να κινείται στο χώρο, ενώ μπορεί και συνυπάρχει και με άλλον χρήστη ταυτόχρονα στον ίδιο χώρο, παρέχει υψηλή ανάλυση και μεγάλο οπτικό πεδίο και τα πραγματικά με τα εικονικά αντικείμενα μπορούν να ενσωματωθούν στο περιβάλλον. Από την άλλη, είναι πολύ ακριβές και καταλαμβάνουν πολύ χώρο ενώ μερικές φορές η στερεοσκοπική άποψη μπορεί να παρουσιάσει προβλήματα. Αν και δεν απαιτείται γραφική αναπαράσταση αντικειμένων, ένα σημαντικό πρόβλημα δημιουργείται όταν φυσικά αντικείμενα (π.χ., χέρια) περνούν μπροστά από τα εικονικά ή όταν ο χρήστης πλησιάσει πολύ στην οθόνη ώστε τα αντικείμενα να βρίσκονται ακριβώς μπροστά του. Δεν επιτυγχάνεται καλή συγχώνευση των εικόνων με αποτέλεσμα το μάτι του χρήστη να κουράζεται και να εμποδίζεται η εμπειρία της εμβύθισης. Σε σχέση με τον σχεδιασμό της διεπαφής, μπορεί να εκμεταλλευθεί η περιφερειακή όραση του χρήστη και μια καλή ιδέα θα ήταν να μην εισέρχονται φυσικά αντικείμενα μεταξύ του οπτικού πεδίου του χρήστη και των εκπομπών. Και αυτό διότι, τα γυαλιά κλείστρου που φοράει ο χρήστης συγχρονίζονται να τρεμοπαίζουν σε ποσοστό ίσο με το ρυθμό ανανέωσης της μηχανής γραφικών. Αυτά τα σήματα αποστέλλονται προς τα γυαλιά με υπέρυθρο σήμα. Έτσι, αν αυτό το σήμα διακοπεί, τα γυαλιά θα σταματήσουν να λειτουργούν και το στερεοσκοπικό φαινόμενο θα διαταραχθεί. Εικόνα 30: Περιβάλλουσες οθόνες εικονικής πραγματικότητας (Surround Screen VE - SSVR) 63

64 2.4.5 Stereo οθόνες Ο πιο εύκολος τρόπος για τη δημιουργία ενός εικονικού περιβάλλοντος είναι με μια οθόνη εφοδιασμένη με πομπό και ένα ζευγάρι γυαλιά κλείστρου. Είναι ο πιο οικονομικός τρόπος από άποψη hardware, έχει καλή ανάλυση και δίνει το πλεονέκτημα στον χρήστη να εκμεταλλευτεί οποιαδήποτε συσκευή εισόδου, όπως το πληκτρολόγιο και το ποντίκι. Από την άλλη, δεν επιτρέπει την εμβύθιση, ο χρήστης δεν μπορεί να απομακρυνθεί τον σταθμό εργασίας, δεν εκμεταλλεύεται την περιφερειακή όραση και η στερεοσκοπική άποψη μπορεί να είναι προβληματική σε περίπτωση παρεμβολής φυσικών αντικειμένων. Εικόνα 31: Stereo monitor Πάγκοι εργασίας Μοιάζουν με τις περιβάλλουσες οθόνες με τη διαφορά ότι χρησιμοποιείται μια οθόνη που μπορεί να είναι τοποθετημένη και πάνω σε ένα γραφείο. Έχουν υψηλή ανάλυση, όμως ενώ μπορεί να περιβάλλονται από πολλά άτομα, μόνο δυο κάθε φορά μπορούν να αλληλεπιδρούν. Επιπλέον, έχουν περιορισμό κίνησης του χρήστη ενώ υπάρχει η πιθανότητα παρεμβολής φυσικών αντικειμένων. Σε σχέση με τον σχεδιασμό της διεπαφής, η εργονομία πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψιν, ο χρήστης μπορεί να εκμεταλλευτεί τη χρήση συσκευών όπως γραφίδες, ενώ δεν είναι απαραίτητη η γραφική απεικόνιση των φασικών αντικειμένων. 64

65 Εικόνα 32: Πάγκοι εργασίας Οθόνες ήχου Ως ενίσχυση της οπτικής πληροφορίας, οι ηχητικές πληροφορίες μπορούν να ενισχύσουν δυναμικά την ανθρώπινη αντίληψη αφού ενημερώνουν τον χρήστη για γεγονότα που μπορεί να συμβαίνουν εκτός του οπτικού του πεδίου προσφέροντας τη δυνατότητα κατανόησης πολλών πληροφοριών. Στα επιτραπέζια εικονικά περιβάλλοντα αυτό που συμβαίνει συνήθως με τον ήχο είναι να υποδηλώνει την ολοκλήρωση κάποιας εργασίας χωρίς να αλλάζει αυτό που ο χρήστης βλέπει στην οθόνη του εκείνη τη στιγμή. Θεωρείται ότι ο μονοφωνικός ήχος είναι επαρκής. Για να μπορέσει να δημιουργηθεί ο ήχος και να γίνεται και αντιληπτός από τον χρήστη δεν είναι κάτι εύκολο και απαιτείται γνώση του ανθρώπινου συστήματος εντοπισμού του ήχου. Παράλληλα, απαιτείται να υπάρχει και σωστός συγχρονισμός των ηχητικών γεγονότων με τα οπτικά προκειμένου να μην δημιουργείται σύγχυση και αποπροσανατολισμός στον χρήστη. Υπάρχουν πολλοί τρόποι για την εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήματος, με τον πιο απλό την χρήση ακουστικών. Αυτός, όμως, περιορίζει τη χρήση από ένα μόνο άτομο κάθε φορά. Ένας άλλος τρόπος είναι με την τοποθέτηση σε κατάλληλες θέσεις του χώρου, ηχείων. Έτσι, πολλοί χρηστές μπορούν να συμμετέχουν ταυτόχρονα, αλλά υπάρχει μεγαλύτερη δυσκολία στην εγκατάσταση και στη δημιουργία λογισμικού. 65

66 Σε σχέση με τον σχεδιασμό της διεπαφής, προσφέρουν υποκατάσταση αισθητήρων όταν δεν υπάρχει απτική ανατροφοδότηση και μπορούν να αποτελέσουν πολύ δυναμικό εργαλείο, αν χρησιμοποιηθούν σωστά. Ο ήχος μπορεί να υποκαταστήσει την αίσθηση της πίεσης ενός κουμπιού η της μετακίνησης ενός αντικειμένου στον εικονικό χώρο. Επίσης, είναι πολύ χρήσιμες σε συνεργατικά περιβάλλοντα, όπου ο κάθε χρήστης μπορεί να λαμβάνει γνώση της θέσης του άλλου. Εικόνα 33: Οθόνες ήχου Απτική ανάδραση Η αίσθηση της αφής αποτελεί έναν πολύ κρίσιμο παράγοντα αλληλεπίδρασης σε ένα εικονικό περιβάλλον. Επιτρέποντας στον χρήστη να αγγίζει και να αισθάνεται στον εικονικό κόσμο, όπως ακριβώς και στον πραγματικό, αποτελεί πολύ δυναμικό εργαλείο. Το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον μπορεί ο χρήστης να το νιώσει μέσω των μυών, αρθρώσεων, τενόντων με τη μορφή ταλάντωσης η δόνησης από το περιβάλλον και μέσω του δέρματος με τη μορφή θερμότητας ή υφής. Οι συσκευές που δημιουργούν απτική ανάδραση είναι πολύ χρήσιμες για τον χειρισμό αντικειμένων και μιμούνται σε μεγάλο βαθμό την διάδραση στον πραγματικό κόσμο. Τα πεδία εφαρμογών τα οποία κάνουν χρήση αυτών των συσκευών είναι της ιατρικής (προσομοίωση χειρουργικών επεμβάσεων, εκπαίδευση), του βιομηχανικού σχεδιασμού (συναρμολόγηση), της επιστήμης (μοριακή δομή), της ψυχαγωγίας (3D ζωγραφική, animation χαρακτήρων). Οι απτικές αντιλήψεις του ανθρώπου μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες. 66

67 Ανατροφοδότηση δύναμης Πρόκειται για τις δυνάμεις που ανιχνεύονται από τους μυς, τις αρθρώσεις και τους τένοντες. Ανατροφοδότηση αφής Πρόκειται για την ανάδραση μέσω του δέρματος, όπως η αίσθηση της αφής, της θερμοκρασίας, της υφής ή της πίεσης στην επιφάνεια του δέρματος. Αυτά τα ζητήματα αντίληψης είναι εξαιρετικά σημαντικά όταν εκτελούνται κάποιες εργασίες που απαιτούν ακριβή χειρισμό. Στον πραγματικό κόσμο όταν χειριζόμαστε αντικείμενα αυτό που συμβαίνει είναι μία σύγκρουση μεταξύ του χεριού και του αντικειμένου, η οποία γίνεται αντιληπτή ως απτική ανάδραση. Ως εκ τούτου, η πληθώρα των επιδέξιων χειριστηρίων και κάποια γάντια δεδομένων είναι εξοπλισμένα με συσκευές που προσομοιώνουν αυτές οι αισθήσεις [26], [79]. Μια απομακρυσμένη αλληλεπίδραση με ευαίσθητα αντικείμενα (π.χ., χειρουργική επέμβαση ανθρώπινου οφθαλμού ή εργαστηριακά πειράματα), δεν θα μπορούσε να ολοκληρωθεί με ακρίβεια χωρίς τις κατάλληλες απτικές ενδείξεις. Κιναισθητική ανατροφοδότηση ή ανατροφοδότηση δύναμης Για να αυξηθεί η φυσικότητα της αλληλεπίδρασης και η αποτελεσματικότητα των διαφόρων εργασιών τοποθέτησης και χειρισμού στο εικονικό περιβάλλον υπάρχουν συσκευές που είναι εξοπλισμένες με ανάδραση δύναμης, από τις πιο απλές, όπως γάντια, joystick, ποντίκια έως εξελιγμένες και πολύπλοκες μηχανικά συσκευές (εικόνα 34). Επιπλέον, έχει ανακαλυφθεί ότι η απτική οθόνη μαζί με την οπτική, μπορεί να ενισχύσει την αντίληψη και κατανόηση των φυσικών φαινομένων. Εικόνα 34: Ανάδραση δύναμης 67

68 Ανατροφοδότηση αφής Η ανατροφοδότηση αφής είναι πολύ πιο δύσκολο να δημιουργηθεί τεχνητά από την ανατροφοδότηση δύναμης. Η προσομοίωση μπορεί να επιτευχθεί με την τοποθέτηση κάτω από την επιφάνεια του γαντιού υγρών των οποίων το ιξώδες αυξάνεται με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου (Εικόνα 35). Βέβαια, αυτές οι τεχνολογίες είναι αδύνατο να παρέχουν τα αισθητήρια δεδομένα που προσλαμβάνουμε μέσω του δέρματός μας. Εικόνα 35: Ανάδραση αφής 2.5 Κριτήρια επιλογής συσκευών εισόδου-εξόδου Προφανώς και όταν πρόκειται να επιλεγεί κάποια συσκευή εισόδου ή εξόδου για τη δημιουργία εφαρμογών εικονικής πραγματικότητας, έχει μεγάλη σημασία το κόστος, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι οι πιο ακριβές συνθέτουν ένα εύχρηστο περιβάλλον. Αυτό που πρέπει να λαμβάνεται κυρίως υπόψιν είναι ο λόγος για τον οποίο ο χρήστης θα χειριστεί αυτό το περιβάλλον και τι είδους τεχνικές αλληλεπίδρασης θα χρειαστούν. Και, φυσικά, η τεχνολογία εξελίσσεται συνεχώς, πράγμα που σημαίνει ότι η απεριόριστη ανθρώπινη φαντασία θα δημιουργεί συνεχώς συσκευές που θα ταιριάζουν και θα ικανοποιούν κάθε ανάγκη. 2.6 Εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας 68

69 Υπάρχει μία φυσική τάση στο να φτάσει κάποιος και να αγγίξει εικονικά αντικείμενα, ακόμη κι όταν αυτά δεν υπάρχουν. Και σ αυτό το σημείο είναι που η εικονική πραγματικότητα προσφέρει κάτι νέο: επιτρέπει στον χρήστη να φτάσει και να μετακινήσει αντικείμενα, σαν να υπήρχαν. Η προοπτική, λοιπόν, της ύπαρξης συστημάτων που επιτρέπουν στον χρήστη να μετακινηθεί σε έναν εικονικό κόσμο και να αλληλεπιδράσει με αυτόν, έχει εξαιρετικές εφαρμογές. Καθιστά δυνατή την πραγματοποίηση εικονικών διακοπών, την δοκιμαστική οδήγηση σε εικονικά αυτοκίνητα, ακόμη και την αλληλεπίδραση με εικονικούς ηθοποιούς σε τρισδιάστατη τηλεόραση. Οι σχεδιαστές αυτοκινήτων θα μπορούσαν να σχεδιάσουν εικονικά αντικείμενα και να τα ελέγξουν σε εικονικό επίπεδο πριν καν αυτά κατασκευασθούν. Οι χειρουργοί θα πραγματοποιούσαν επεμβάσεις σε εικονικά σώματα και να τελειοποιήσουν ευαίσθητες και μικρές κινήσεις πριν πραγματοποιήσουν μία πραγματική χειρουργική επέμβαση. Οι εφαρμογές δεν έχουν τέλος αλλά όλα εξαρτιόνταν από τη δυνατότητα να φτιαχτούν τέτοια συστήματα και από τις προσδοκίες μας. Οι πρώτες εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας ως εργαλείο απεικόνισης ήταν στην αρχιτεκτονική περιδιάβαση. Αρκετές εντυπωσιακές εφαρμογές αναπτύχθηκαν μία από τις οποίες ήταν και η οπτικοποίηση της Βασιλικής του Αγίου Πέτρου στο Βατικανό. Η επιτυχία έγκειται στην παροχή της αίσθησης παρουσίας στον χώρο ενός εικονικού κτιρίου, η αντίληψη του σε συνθήκες φωτισμού, ακόμη και η ύπαρξη μέσα σε ερείπια που δεν μπορεί να επιτευχθεί ακόμη και με τα πιο ρεαλιστικά τρισδιάστατα γραφικά. Μια άλλη σημαντική εφαρμογή είναι στο επιστημονικό πεδίο. Έδινε τη δυνατότητα στους ερευνητές να αναλύσουν δεδομένα μεταβάλλοντας τις συνθήκες ενός πειράματος το οποίο θα ήταν πολύ δύσκολο να υλοποιηθεί πραγματικά και να οπτικοποιήσουν ακόμη και τη δομή των χημικών μορίων. Στον τομέα της μοντελοποίησης και του σχεδιασμού παρέχει τη δυνατότητα οπτικοποίησης σκίτσων με την αλλαγή χρωμάτων, υφών, θέσης ώστε να παρουσιαστεί ένας χώρος όπως θα ήταν στην πραγματικότητα σε πραγματικό χρόνο. Ακόμη και επιφανειών ώστε ο χρήστης να νιώθει την υφή τους. Στον τομέα της εκπαίδευσης και της επιμόρφωσης προσφέρει μεγάλα οφέλη αφού κάνει πιο ασφαλή την ενασχόληση με χώρους εργασίας που 69

70 ενέχουν κινδύνους. Επίσης, χάρη στη βελτίωση των διεπαφών χρήστη με ευρύτερα κανάλια εισόδου και εξόδου επιτρέπει τη χρήση των υπολογιστών και από άτομα με ειδικές ανάγκες. Με τη δυνατότητα της τηλεπαρουσίας οι άνθρωποι μπορούν να εργάζονται σε απομακρυσμένα περιβάλλοντα ή επικίνδυνα για την υγεία μέσω των διεπαφών εικονικής πραγματικότητας. Ακόμη, επιτρέπεται η συλλογική εργασία μεταξύ απομακρυσμένων χρηστών σε διαμοιρασμένα εικονικά περιβάλλοντα. Αλλά και στον χώρο της ψυχαγωγίας, η βελτίωση του hardware και η μείωση των τιμών έφερε στην αγορά συστήματα εικονικών παιχνιδιών για πολλούς παίκτες. Τέλος, στη βιομηχανία του θεάματος, το συναίσθημα, η έκφραση και η προσομοίωση της κίνησης κάθε ηθοποιού μεταφερόταν ακαριαία σε κάποιον χαρακτήρα κινουμένων σχεδίων. 70

71 Πλοήγηση και αλληλεπίδραση σε επιτραπέζια εικονικά περιβάλλοντα Γίνεται ανάλυση της έννοιας της αλληλεπίδρασης σε εικονικά περιβάλλοντα, παρουσιάζονται προβλήματα που δυσχεραίνουν τη χρήση τους και δίνονται προτάσεις επίλυσής τους. Παρουσιάζονται τεχνικά και σχεδιαστικά ζητήματα καθώς και ο ρόλος του φύλου, της ηλικίας και της συμπεριφοράς των χρηστών. Προτείνονται σχεδιαστικές αρχές πλοήγησης και εξετάζονται ζητήματα ευχρηστίας 3.1 Η έννοια της πλοήγησης σε επιτραπέζια εικονικά περιβάλλοντα Το τρισδιάστατο εικονικό περιβάλλον είναι μία αναπαράσταση στον υπολογιστή του πραγματικού ή ενός φανταστικού κόσμου στον οποίο ο χρήστης μπορεί να πλοηγηθεί και να αλληλεπιδράσει με αντικείμενα. Σε αντίθεση με τα εικονικά περιβάλλοντα εμβύθισης που χρησιμοποιούν πιο εξειδικευμένες συσκευές αλληλεπίδρασης (π.χ. οθόνη προσαρμοζόμενη στο κεφάλι), τα επιτραπέζια εκμεταλλεύονται συνηθισμένες συσκευές χρήσης σε υπολογιστή (π.χ. ποντίκι, πληκτρολόγιο) και παρότι η αίσθηση της παρουσίας είναι μειωμένη σε σχέση με τα προηγούμενα, χρησιμοποιούνται σε πάρα πολλά πεδία εφαρμογών. Η τεχνολογία της εικονικής πραγματικότητας ενσωματώνει χρήσιμα εργαλεία για ποικίλες εφαρμογές, όπως προαναφέρθηκε. Τα εργαλεία, όμως αυτά, πρέπει να είναι και εύχρηστα για να είναι αποτελεσματικά. Πρέπει ο χρήστης να αναγνωρίζει αμέσως τον τρόπο που λειτουργούν ώστε να αλληλεπιδράσει μαζί τους και να ολοκληρώσει κάποια εργασία, επομένως και αυτά θα πρέπει να έχουν ανάλογο σχεδιασμό. Τα εικονικά περιβάλλοντα, λόγω ανεπαρκούς σχεδιασμού και έλλειψης στοιχείων ένδειξης προσανατολισμού και κίνησης «βλάπτουν» τη δράση του χρήστη. Μια σημαντική συνιστώσα για εύχρηστα εικονικά περιβάλλοντα είναι η πλοήγηση. Διότι τα προβλήματα ευχρηστίας δημιουργούνται αν ληφθεί υπόψιν ότι η πλοήγηση είναι η δεδομένη κατάσταση στην οποία 71

72 επιστρέφουν όλοι οι χρήστες μετά από οποιουδήποτε είδους αλληλεπίδραση [37]. Ο χρήστης θα πρέπει να είναι σε θέση να πλοηγείται στο εικονικό περιβάλλον, δηλαδή να αναγνωρίζει που βρίσκεται κάθε χρονική στιγμή, που θέλει να πάει, να σχεδιάζει την πορεία του και να την εκτελεί. Οι δυνατότητες πλοήγησης σε ένα εικονικό περιβάλλον ποικίλουν σε σχέση με την πραγματικότητα ενώ μπορεί να προσφερθεί μεγαλύτερη ευελιξία και να μην κατακλύζεται ο χρήστης από πληροφορίες που τον μπερδεύουν Ταξινόμηση πλοήγησης Η διαδικασία της πλοήγησης είναι η πιο κυρίαρχη δράση του χρήστη σε όλα τα τρισδιάστατα περιβάλλοντα είτε μικρής είτε μεγάλης κλίμακας. Επίσης, είτε πρόκειται για πλοήγηση στον εικονικό είτε στον πραγματικό κόσμο οι ίδιες παράμετροι ισχύουν για έναν χρήστη, φυσικές και αντιληπτικές. Σε αυτές περιλαμβάνεται ο προσανατολισμός (αγγλ. orientation) (τρέχουσα θέση και οπτικό πεδίο), η εύρεση της διαδρομής (αγγλ. wayfinding) (που θέλει να πάει και πώς θα φτάσει εκεί) και πορεία (αγγλ. travelling) (κίνηση στο χώρο για να φτάσει στον προορισμό του). Ο προσανατολισμός και η εύρεση της διαδρομής συνδέονται με την αντίληψη, αφού ο χρήστης συγκρίνει τη λαμβάνουσα πληροφορία της τρέχουσας θέσης του και τη συγκρίνει με τον νοητό χάρτη του συνολικού περιβάλλοντος για να κατανοήσει που βρίσκεται και να χαράξει τη διαδρομή του, ενώ η πορεία συνδέεται με μία φυσική κίνηση, δηλαδή την μετακίνηση από ένα σημείο σε ένα άλλο [1] Απόκτηση γνώσης εικονικού περιβάλλοντος Υπάρχουν τρεις τύποι επίγνωσης που αποκτά ένας χρήστης όταν πλοηγείται σε ένα περιβάλλον [47]. Το πρώτο επίπεδο είναι η γνώση οροσήμων (αγγλ. landmark knowledge). Αυτή αναπτύσσεται όταν ο χρήστης εξοικειωθεί με ιδιαίτερα σημεία του περιβάλλοντος. Κατόπιν αυτού, ακολουθεί η γνώση πορείας (αγγλ. route / procedural knowledge). Αυτή είναι εγωκεντρική, και σημαίνει το να γνωρίζει ο χρήστης πως θα φτάσει στο επιθυμητό σημείο. Περιγράφει την πορεία μεταξύ των θέσεων, αποκτάται συνήθως μέσω της προσωπικής εξερεύνησης, επιτρέπει την κατάληξη σε 72

73 έναν προορισμό μέσω μιας γνωστής διαδρομής, αλλά δεν επιτρέπει την αναγνώριση άγνωστων εναλλακτικών διαδρομών. Τελευταία έρχεται η διαμόρφωση γνώσης (αγγλ. configuration / survey knowledge) ολόκληρου του περιβάλλοντος. Αυτή είναι εξωκεντρική, περιγράφει τις σχέσεις μεταξύ των θέσεων, μπορεί να αποκτηθεί μέσω μελέτης, επιτρέπει την αναγνώριση εναλλακτικών διαδρομών και παρέχει την ανάπτυξη ενός νοητού χάρτη του περιβάλλοντος (συχνά καλούμενος, γνωστικός χάρτης). Αν μάλιστα ο χάρτης αυτός παρέχεται στον χρήστη εξαρχής, ενισχύεται το τρίτο επίπεδο της διαμόρφωσης γνώσης, με τον χρήστη να εντοπίζει τα ορόσημα και τη σχέση μεταξύ τους, να καθορίζει τις διαδρομές και δημιουργεί τον νοητό χάρτη στο μυαλό του πιο γρήγορα. Και οι τρεις αυτοί τύποι επίγνωσης συγκροτούν τη χωρική επίγνωση (αγγλ. spatial knowledge). Όσο πιο πλήρης, τόσο πιο επιτυχημένη η πλοήγηση. 3.2 Προβλήματα στην πλοήγηση Η αποτελεσματική πλοήγηση σημαίνει ο χρήστης να γνωρίζει πού βρίσκεται, πού θέλει να πάει και πώς θα φτάσει εκεί. Πρέπει να εντοπιστεί ο λόγος για τον οποίο η πλοήγηση είναι προβληματική για τον χρήστη και πως πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να τον υποστηρίζει στην εκτέλεση μιας εργασίας με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Η ανεπαρκής υποστήριξη της πλοήγησης το πιο πιθανό είναι να καταλήξει στην εγκατάλειψη της εφαρμογής από τον χρήστη ή να τον αφήσει με την εντύπωση ότι δεν την εξερεύνησε επαρκώς και να του δημιουργήσει αίσθημα δυσαρέσκειας. Υπάρχουν τεχνικές και σχεδιαστικά εργαλεία που ενδυναμώνουν τη γνώση του χρήστη για τον χώρο. Αυτό γίνεται π.χ. με τη βοήθεια πινακίδων, επιγραφών, κατόψεων και ανόψεων, χαρτών που του δείχνουν την τρέχουσα θέση του σε σχέση με ολόκληρη την περιοχή. Επίσης, η εκτέλεση ενεργειών και η όλη συμπεριφορά του χρήστη προς το περιβάλλον σχετίζεται και εξαρτάται άμεσα από τα μέσα πλοήγησης που του παρέχονται (συσκευές εισόδου). Οι παράγοντες που είναι σημαντικοί σε κάθε επιτραπέζιο εικονικό περιβάλλον για να χαρακτηριστεί ως επαρκές και επιτυχημένο είναι ασφαλώς η πλοήγηση και ο προσανατολισμός, αλλά και οι συσκευές αλληλεπίδρασης και η επιτυχής ολοκλήρωση του έργου που θα επιτελέσει ο χρήστης μέσα σε αυτό και σε πόσο χρόνο, καθώς και η ικανότητά του να 73

74 διατηρεί στη μνήμη του στοιχεία του περιβάλλοντος ακόμη και αφού ολοκληρωθεί η πλοήγησή του μέσα σε αυτό. Ο χρήστης πρέπει να μπορεί να κινείται επαρκώς στο εικονικό περιβάλλον και αυτός είναι ο κρισιμότερος παράγοντας επιτυχίας του. Ωστόσο, η πλοήγηση πολλές φορές γίνεται με δυσκολία. Επίσης, η γνώση της σχετικής του θέσης σε σχέση με το περιβάλλον, ο προσανατολισμός, είναι ένας επίσης σημαντικός παράγοντας. Το να χάνει ο χρήστης την αίσθηση του χώρου ή να μην γνωρίζει τι βρίσκεται πίσω του, επηρεάζει την ικανότητα να βρίσκει πληροφορίες ή να εκτελεί κάποιο έργο που του έχει ανατεθεί. Το ποντίκι, ως μέσο αλληλεπίδρασης, είναι μία δισδιάσταση συσκευή που παρέχεται για πλοήγηση σε τρισδιάστατο χώρο, κάνοντας πολλές φορές τους χρήστες να αντιμετωπίζουν δυσκολίες. Ο προσανατολισμός και η χρήση του ποντικιού μπορούν να συμβάλλουν στην επιτυχή ή ανεπιτυχή ολοκλήρωση μιας εργασίας. Ο χρόνος, επίσης, έχει σημασία γιατί είναι ένδειξη του πόσο αποτελεσματικά δρουν οι προηγούμενοι παράγοντες σε ένα εικονικό περιβάλλον. Πολύ σημαντικό ρόλο σε ένα εικονικό περιβάλλον παίζει ο ρεαλισμός και είναι ένας στόχος που όλα τα συστήματα πρέπει να είναι σχεδιασμένα να ικανοποιούν [15]. Ο χρήστης πρέπει να βιώνει μία απόλυτα φυσική εμπειρία. Αν, μάλιστα αυτή ενισχύεται από απτική ανάδραση τότε η αίσθηση του ρεαλισμού ενισχύεται περαιτέρω. 3.3 Εργαλεία ενίσχυσης πλοήγησης Η προοπτική ενός εικονικού περιβάλλοντος μπορεί να είναι δύο τύπων: πρώτου προσώπου που παρέχει ένα εγωκεντρικό οπτικό πεδίο (σαν να ήταν ο χρήστης σε πλήρη εμβύθιση) και τρίτου προσώπου που παρέχει ένα οπτικό πεδίο εκτός του χρήστη, ο οποίος μπορεί να δει την τρέχουσα θέση του που είναι «σημαδεμένη» μέσα στο περιβάλλον. Σε μερικές εφαρμογές, εμφανίζονται και οι δύο προοπτικές, με κύρια αυτήν του πρώτου προσώπου και με δευτερεύουσα αυτήν του τρίτου προσώπου σαν ένα μικρό παράθυρο σε μία γωνία της οθόνης. Αυτή η λύση συντηρεί τη συνοχή της εμπειρίας πλοήγησης σε πρώτο πρόσωπο. Η ενίσχυση της πλοήγησης μέσω αυτών των δύο τύπων προοπτικής διαφέρουν επίσης στο είδος των γνωστικών χαρτών που αναπτύσσει ο χρήστης για το περιβάλλον. Γενικά, το να πλοηγείται σε ένα περιβάλλον απευθείας είναι πιθανότερο να οδηγήσει σε 74

75 διαμόρφωση χωρικής γνώσης που είναι ανεξάρτητη από τον προσανατολισμό, ενώ αυτή που αποκτάται από έναν εξωτερικό χάρτη τείνει να είναι συγκεκριμένου προσανατολισμού Προσανατολισμός (Orientation) Ο αποπροσανατολισμός είναι ένα σημαντικό πρόβλημα πλοήγησης είτε σε επιτραπέζια είτε σε συστήματα εμβύθισης και το αποτέλεσμα είναι χαμηλή ευχρηστία και μεγάλη δυσαρέσκεια του χρήστη. Επηρεάζει και την απόδοση στην εύρεση της πορείας (wayfinding) και την απόκτηση χωρικής γνώσης. Αυτός μπορεί να οφείλεται σε πολλούς λόγους. Λόγω έλλειψης οροσήμων, πλοήγησης πολύ κοντά ή διαμέσου αντικειμένων του εικονικού κόσμου, μονόχρωμης απεικόνισης του περιβάλλοντος ή περιβάλλον μίας μόνο υφής, έλλειψης αναγνώρισης σύγκρουσης, περιορισμένου οπτικού πεδίου μέσα από μία οθόνη υπολογιστή, επιβάρυνσης του χρήστη να δημιουργήσει επίγνωση του χώρου, επιλογής τεχνικής ελέγχου κίνησης, ελέγχου ταχύτητας, τηλεμεταφοράς. Το καθένα από τα παραπάνω μόνο του ή σε συνδυασμό έχουν σαν αποτέλεσμα τον αποπροσανατολισμό [72]. Έναν πολύ σημαντικό ρόλο στην πλοήγηση ενός εικονικού περιβάλλοντος έχουν τα διακριτά στοιχεία που λειτουργούν ως σημεία αναφοράς, τα λεγόμενα ορόσημα (αγγλ. landmarks) τα οποία διευκολύνουν την πλοήγηση ιδιαίτερα σε μεγάλης έκτασης εικονικά περιβάλλοντα, όπου το οπτικό πεδίο του χρήστη δεν εσωκλείει το σύνολο αυτού, σηματοδοτώντας συγκεκριμένες ενέργειες (όπως στρίψε αριστερά), επιταχύνοντας την εκμάθηση του περιβάλλοντος από τον χρήστη και ενισχύοντας την εξοικείωσή του με αυτό. Καταρχήν, πρέπει το περιβάλλον να ενσωματώνει αρκετά και διαφορετικά ορόσημα που τοποθετούνται σε στρατηγικά σημεία, π.χ. σταυροδρόμια. Αν μάλιστα τοποθετηθούν κατά μήκος μονοπατιών, συνεισφέρουν στην εκτίμηση της απόστασης και στην επαλήθευση της διαδρομής. Επιπλέον, αυτά θα πρέπει να είναι ευδιάκριτα, οπότε είναι ευθύνη του σχεδιαστή να κάνει τον χρήστη να τα προσέξει και να θυμάται τη θέση τους. Η διάκρισή του από τα υπόλοιπα στοιχεία του περιβάλλοντος συμβάλλουν στον χαρακτηρισμό του ως επιτυχημένου οροσήμου. Επίσης, να είναι ξεκάθαρα και όχι αφηρημένα, ώστε να 75

76 αποτυπώνονται καλύτερα στη μνήμη του χρήστη. Ουσιαστικής σημασίας είναι, επίσης, να είναι ευδιάκριτα σε όποια κλίμακα και αν αναπροσαρμόζεται το περιβάλλον και να μην χάνονται εάν ο χρήστης επιλέξει π.χ. να το μικρύνει. Ακόμη, οι όψεις του χρήσιμο είναι να διαφέρουν ώστε να ενισχύεται ο προσανατολισμός του χρήστη. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί και με την τοποθέτηση κάποιου αντικειμένου δίπλα τους. Επομένως, τα ορόσημα δεν υποδεικνύουν μόνο τη θέση και τον προσανατολισμό διευκολύνοντας την πλοήγηση και επιτρέποντας στον χρήστη να επικεντρωθεί στην εργασία που θα επιτελέσει, αλλά και ενισχύουν τη χωρική γνώση [81]. Τα εικονικά περιβάλλοντα συνήθως δεν παρέχουν τον ίδιο πλούτο σε ενδείξεις απόστασης, κίνησης και κατεύθυνσης με αυτά του πραγματικού κόσμου. Όμως, η αντίληψη του χρήστη για τον περιβάλλοντα χώρο που βρίσκεται εκτός οθόνης μπορεί να ενισχυθεί προκειμένου να μειωθεί ο αποπροσανατολισμός του. Οι Marsh and Wright (2000) πρότειναν δύο σχεδιαστικές αρχές για να λυθεί αυτό το πρόβλημα [48]: τα σημεία εισόδου και εξόδου και τα αντικείμενα μερικώς εκτός οθόνης. Όσον αφορά στο πρώτο, όπου είναι δυνατόν μέσα στο περιβάλλον, να παρέχεται ξεκάθαρα στον χρήστη η επιλογή να «εγκαταλείψει» την πλοηγούμενη περιοχή που εσωκλείεται στα όρια της οθόνης του (π.χ. μέσω πορτών). Όσον αφορά στο δεύτερο, να τοποθετούνται πάνω από ένα αντικείμενα στον χώρο, τα οποία να διακρίνονται μερικώς στο οπτικό πεδίο του χρήστη. Με αυτόν τον τρόπο υποδηλώνεται ότι υπάρχει κι άλλος χώρος, εκτός του οπτικού του πεδίου, ο οποίος αυτήν τη στιγμή δεν είναι ορατός. Ένα άλλο σημείο που δημιουργεί αποπροσανατολισμό είναι όταν ο χρήστης κινείται πολύ κοντά σε κάποιο αντικείμενο με αποτέλεσμα να «μπλοκάρεται» το οπτικό του πεδίο και να μην μπορεί να καθορίσει την επόμενη κίνηση. Ένας τρόπος για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα και να ενισχυθεί η πλοήγηση και η καλύτερη συνειδητοποίηση της δομής του εικονικού περιβάλλοντος είναι με τη χρήση της ημιδιαφάνειας, η οποία αξιοποιείται ως το μέσο να δει ο χρήστης «μπλοκαρισμένες» επιφάνειες [16]. Αυτή βρίσκει ιδανική εφαρμογή στην περίπτωση εικονικών περιβαλλόντων με πολλά επίπεδα απόκρυφων επιφανειών, π.χ. σε εικονικά κτίρια ή πόλεις, όπου για να περιοριστούν τα προβλήματα πλοήγησης για τους ανθρώπους που εργάζονται ή επισκέπτονται τον χώρο, αυξάνεται η οπτική πρόσβαση 76

77 (δηλ. τα μέρη του περιβάλλοντος που μπορεί να δει ένα άτομο από τη θέση του στον χώρο) ή προστίθενται αναγνωριστικά στοιχεία (δηλ. αρίθμηση γραφείων, ονόματα κτιρίων). Αξίζει να επισημανθεί ότι η επιλογή του επιπέδου διαφάνειας είναι σημαντική: από τη μία ένα ανεπαρκές επίπεδο ημιδιαφάνειας δεν θα επέτρεπε στο χρήστη για να διακρίνει σαφώς το περιβάλλον πίσω από έναν τοίχο, ενώ ένα υπερβολικό επίπεδο ημιδιαφάνειας θα μπορούσε να παραπλανήσει το χρήστη, δίνοντας την εντύπωση ότι το περιβάλλον που «ανοίγεται» μπροστά του είναι διαθέσιμο για εξερεύνηση-αλληλεπίδραση όταν αυτό δεν ισχύει. Καλύτερη άποψη του συνολικού χώρου μέσα από την οθόνη του υπολογιστή επιτυγχάνεται κάνοντας καλύτερη εφαρμογή της πανοραμικής άποψης (αγγλ. birds-eye view). Είναι δυνατό η πλήρης οθόνη του επιτραπέζιου συστήματος να χρησιμοποιηθεί για να παρουσιαστεί ολόκληρος ο χώρος από ψηλά (κάτοψη), κάνοντας το πάνω μέρος («ταβάνι») διαφανές (έτσι ώστε η άποψή του να είναι σαν ένας χάρτης) και δίνοντας έμφαση στην τρέχουσα θέση του χρήστη στον χώρο [62]. Χρήσιμο είναι η πανοραμική άποψη ολόκληρου του περιβάλλοντος να προσαρμόζεται στην οθόνη, για να επιτευχθεί πλήρης επισκόπηση αυτού, διότι σε διαφορετική περίπτωση απαιτείται κύλιση πάνω-κάτω, που μειώνει αρκετά τη γενική απόδοση και συνοχή. Ο εικονικός κόσμος σε μινιατούρα (αγγλ. World in Miniature - WIM) είναι μια τεχνική αλληλεπίδρασης που προσφέρει μια μικροσκοπική αναπαράσταση του περιβάλλοντος, που βρίσκεται μεταξύ του χρήστη και του ίδιου του περιβάλλοντος, και στέκεται στο εικονικό χέρι του χρήστη. Ο χρήστης μπορεί άμεσα να χειριστεί και το WIM και το περιβάλλον (οι αλλαγές σε ένα από τα δύο, αλλά και την απεικόνιση στο άλλο). Σε ένα εικονικό περιβάλλον που προσομοιώνεται όπως ο φυσικός κόσμος ο χρήστης θα περιοριζόταν μόνο στο περπάτημα. Αντίθετα, λοιπόν, με αυτό, μπορεί να εκμεταλλευθεί την ευελιξία του πετάγματος. Ο χρήστης μπορεί να δει τον κόσμο από ψηλά, δυνατότητα που ενισχύει τη διαμόρφωση καλύτερης γνώσης του εικονικού περιβάλλοντος. Η κίνηση σε ένα τέτοιο είναι δυνητικά απεριόριστη, ανόμοια με την πραγματικότητα, όπου η βαρύτητα επιτρέπει την κίνηση στους δύο άξονες, εκτός από κάποιες περιορισμένες κινήσεις στον τρίτο κάθετο άξονα, όπως να στέκεται στις μύτες ή να ανεβαίνει σε σκάλες. Επιπλέον, η έλλειψη σύγκρουσης με αντικείμενα που επιτρέπει τη δίοδο του χρήστη διαμέσου τοίχων, ταβανιών ή αντικειμένων, κάνει τους πιο έμπειρους 77

78 χρήστες να κερδίζουν χρόνο στην πλοήγηση από το να ανέβαιναν ή να κατέβαιναν εικονικές σκάλες. Ευρέως αποδεκτά στοιχεία που ενσωματώνονται σε ένα εικονικό περιβάλλον είναι οι χάρτες και τα βέλη. Επίσης, η καθοδηγούμενη ή στοχευμένη πλοήγηση κατευθύνει και αποτρέπει τον χρήστη από το να εισέλθει σε προβληματικές περιοχές, όπως γωνίες. Ένας απλός χάρτης που παρέχει μια άποψη του περιβάλλοντος με τη μορφή μινιατούρας αυτού, που βρίσκεται διαρκώς στο οπτικό πεδίο του χρήστη και περιλαμβάνει μία ένδειξη της τρέχουσας θέσης του κάθε στιγμή σε σχέση με το περιβάλλον, βοηθάει πολύ στην ενίσχυση του προσανατολισμού του χρήστη και του δίνει μία άποψη του περιβάλλοντος σαν να το παρατηρούσε από ψηλά. Αυτό το εργαλείο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές που απαιτείται ενίσχυση του προσανατολισμού, όπως σε εικονικά μουσεία, που είναι σημαντικό ο χρήστης να πλοηγείται αποτελεσματικά και παράλληλα να έχει γνώση της θέσης του σε σχέση με το σύνολο του περιβάλλοντος [29]. Ωστόσο, ο χάρτης κάποιες φορές μπλοκάρει το οπτικό πεδίο του χρήστη αφού δεν μπορεί να δει το περιβάλλον που βρίσκεται πίσω από αυτόν. Δίνοντάς του την επιλογή αν αυτός θα είναι ορατός ή όχι, θα μπορούσε να λυθεί το πρόβλημα, εγείροντας όμως ερώτημα για την αποτελεσματικότητα αυτού του εργαλείου, αφού δεν θα είναι συνέχεια ορατός. Ο χάρτης αποτελεί μία πολύ ισχυρή βοήθεια πλοήγησης και απόκτησης χωρικής επίγνωσης. Στην ιδανική περίπτωση, η επίγνωση αυτή θα πρέπει να είναι σαν να αποκτήθηκε από την εμπειρία πλοήγησης του χώρου. Για να γίνει αυτό, οι χάρτες πρέπει να σχεδιάζονται κατάλληλα ώστε να επιτυγχάνεται επιτυχημένη αποτύπωση του περιβάλλοντος. Για να επιτευχθεί μια επιτυχημένη αποτύπωση του περιβάλλοντος πάντα πρέπει να καταδεικνύεται η θέση του χρήστη, να φαίνονται όλα τα οργανωτικά δεδομένα (π.χ. ορόσημα, μονοπάτια) και ο προσανατολισμός του χάρτη να είναι σε αντιστοιχία με τον παρατηρητή, ξεκινώντας την απεικόνιση από «μπροστά» και προς τα «πάνω». Η χρήση βελών σε προβληματικά σημεία του χώρου τον βοηθά εξαιρετικά στην πλοήγηση αφού κάθε φόρα που ο χρήστης εισέρχεται σε μια περιοχή που περιλαμβάνει προβληματικές περιοχές, αυτά εμφανίζονται και του δίνουν τη δυνατότητα κάνοντας απλό κλικ πάνω τους, να έχει μία άποψη της περιοχής ενδιαφέροντος. 78

79 Προκειμένου να απλοποιηθεί η χρήση του ποντικιού, ένας ακόμη τρόπος είναι η στοχευμένη πλοήγηση. Αντί ο χρήστης να κρατά πατημένο το κουμπί του ποντικιού και να το κινεί για να κινηθεί στο χώρο, πατά στο σημείο του χάρτη που τον ενδιαφέρει και μεταφέρεται αυτόματα εκεί. Αυτού του είδους η πλοήγηση οδηγεί σε καλύτερη απόδοση του χρήστη. Η χρήση του ποντικιού, πολλές φορές, είναι δύσκολη στην πλοήγηση σε έναν τρισδιάστατο χώρο. Σε περιπτώσεις, όμως, που το περιβάλλον είναι μεγάλων διαστάσεων, ο χάρτης δεν μπορεί να παρέχει τις λεπτομέρειες αυτού, οπότε η δυνατότητα zoom, ίσως να έλυνε το πρόβλημα αυτό. Για να είναι καλύτερα κατανοητό από τον χρήστη πως έφτασε στην τρέχουσα θέση του, είναι χρήσιμο να βλέπει πως αυτή συνδέεται με την προηγούμενή του κατάσταση. Αυτό αποκαλείται οπτική δυναμική (αγγλ. visual momentum) και παρέχεται κατά την πλοήγηση μεταξύ δύο σημείων, υποστηρίζοντας την ανάπτυξη ενός νοητικού μοντέλου του περιβάλλοντος. Αντίθετα, αν η σκηνή αλλάζει ολοκληρωτικά στα ξαφνικά, ο χρήστης χρειάζεται χρόνο για να συσχετίσει την τρέχουσα θέση με την προηγούμενη και να χρειάζεται να επαναπροσανατολιστεί Εύρεση διαδρομής (Wayfinding) Για να κατανοηθεί καλύτερα, η εύρεση της διαδρομής (wayfinding) μπορεί να διακριθεί στην απλή διερεύνηση του περιβάλλοντος (maneuvering), όπου ο χρήστης δεν έχει καμία γνώση του στόχου και χρειάζεται να πλοηγηθεί αρκετά, στην διερεύνηση με γνώση του στόχου (search task) οπότε και η πλοήγηση είναι μικρής διάρκειας και στην εξερεύνηση (exploration) όπου δεν υπάρχει καν στόχος. Η πρώτη είναι και η πιο συνηθισμένη και αυτή στην οποία ο χρήστης πρέπει να διασχίσει όλο το περιβάλλον τουλάχιστον μία φορά. Για να μειωθούν τα πολλαπλά περάσματα από την ίδια περιοχή ή να μην παραλειφθεί κάποια άλλη, πρέπει να υπάρχει μία μέθοδος οργάνωσης του χώρου. Στη δεύτερη ο χρήστης πρέπει απλά να αναγνωρίσει την απόσταση και την κατεύθυνση προς τον στόχο. Εδώ, δεν ενισχύεται ιδιαίτερα η χωρική επίγνωση. Η τελευταία περίπτωση, αντίθετα, είναι ο κύριος τρόπος απόκτησης χωρικής επίγνωσης. Η χωρική επίγνωση είναι το «κλειδί» για την επιτυχή εύρεση της διαδρομής (wayfinding) σε ένα περιβάλλον. 79

80 Για να ενισχυθεί η εύρεση της διαδρομής πρέπει να ξεκαθαριστεί αν επίκεντρο είναι ο χρήστης ή το περιβάλλον. Με επίκεντρο τον χρήστη περιλαμβάνονται παράγοντες, όπως μεγάλο οπτικό πεδίο, περίληψη της οπτικής κίνησης, μη οπτική υποστήριξη (όπως ήχος). Με επίκεντρο το περιβάλλον μπορεί να διαχωρίζεται σε οργανωτική δομή και σε ίχνη. Η οργανωτική δομή καθορίζει πόσο ευδιάκριτα είναι τα διαφορετικά τμήματα των περιβαλλόντων και η συσχέτισή τους με τα υπόλοιπα. Τα ίχνη αποτελούν αρχές εύρεσης διαδρομής των πραγματικών περιβαλλόντων που μεταφέρονται στο εικονικό. Τα πιο συχνά είναι τεχνητά, όπως χάρτες, πυξίδες και πλέγματα. Θα μπορούσε να είναι επίσης και αρχιτεκτονικά, όπως φωτισμός, χρώμα, υφές καθώς και φυσικά, όπως άποψη του ορίζοντα και της ατμόσφαιρας. Η εύρεση της διαδρομής γίνεται πιο εύκολη όταν ο χρήστης έχει καλή εικόνα του συνόλου του περιβάλλοντος μέσω του νοητού χάρτη, αλλά μπορεί και να ενισχυθεί με την παροχή της λειτουργίας εύρεσης και της λειτουργίας επιλογής στόχου Εκτέλεση διαδρομής (Travelling) Οι τεχνικές αλληλεπίδρασης για να πραγματοποιήσει ο χρήστης την πορεία του (travelling) σε ένα περιβάλλον χρησιμοποιούν τις κάτωθι μεταφορές [80]: Φυσική κίνηση Η κίνηση του σώματος του χρήστη χρησιμοποιείται για να κινείται μέσα στο περιβάλλον. Αυτό προϋποθέτει ανίχνευση κίνησης σε μεγάλη περιοχή και συσκευές κίνησης, όπως στατικά ποδήλατα. Αυτή η τεχνική είναι χρήσιμη σε περιπτώσεις που απαιτείται έντονη αίσθηση της παρουσίας ή όταν η εφαρμογή προϋποθέτει ο χρήστης να βιώσει τη φυσικότητα του περπατήματος. Χειροκίνητος χειρισμός σημείων Οι κινήσεις των χεριών του χρήστη καθορίζουν την κίνηση, αφού με την επιλογή σημείων στο χώρο μπορεί να προσδιοριστεί η πορεία της κίνησης. Καθοδήγηση - Είναι ο συνεχής προσδιορισμός της κατεύθυνσης της κίνησης. Είναι η πιο συνηθισμένη μεταφορά και περιλαμβάνει την καθοδήγηση μέσω του βλέμματος (όταν ο προσανατολισμός του κεφαλιού του χρήστη καθορίζει την κατεύθυνση της κίνησης) ή το σημάδεμα (π.χ. 80

81 όταν ο προσανατολισμός του χεριού του χρήστη καθορίζει την κατεύθυνση της κίνησης). Στοχευμένη κίνηση Ο χρήστης ορίζει τον προορισμό και το σύστημα εκτελεί την κίνηση. Αυτό ονομάζεται «τηλεμεταφορά» αφού ο χρήστης μεταφέρεται αυτόματα στη νέα τοποθεσία. Σχεδιασμός πορείας Ο χρήστης καθορίζει το μονοπάτι που θα ακολουθήσει (π.χ. με τον σχεδιασμό του πάνω στον χάρτη απεικόνισης του χώρου) και το σύστημα πραγματοποιεί την κίνηση κατά μήκος του. Έτσι, και ελέγχεται η κίνηση και ο χρήστης μπορεί να εκτελεί και άλλες ενέργειες παράλληλα. Οι παράγοντες αυτοί μειώνουν την ανάγκη για ανάπτυξη της επίγνωσης του χώρου, γεγονός που ενισχύει την απόδοση του χρήστη στην εκτέλεση των καθηκόντων του, μιας και δεν τον απασχολούν θέματα πλοήγησης. Η ιδέα της απλής χρήσης του ποντικιού σε συνδυασμό με την καθοδηγούμενη κίνηση είναι πιο αποτελεσματική, αφού και η κάθε εργασία επιτελείται σε πιο σύντομο χρόνο. 3.4 Τεχνικά ζητήματα πλοήγησης Επειδή στο εικονικό περιβάλλον η πλοήγηση γίνεται μέσω συσκευών ελέγχου οι οποίες επηρεάζουν την απόδοση του χρήστη πρέπει να ληφθούν υπόψιν σχεδιαστικά θέματα. Μερικά από αυτά είναι η σχέση των συσκευών με την κατεύθυνση της κίνησης, τα είδη της κίνησης και ο «νεκρός χώρος». Η σχέση ανάμεσα στον τρόπο που ένας χρήστης κινεί τη συσκευή ελέγχου και την αντιστοιχία της κίνησης στην οθόνη είναι πολύ σημαντική. Το ποντίκι, για παράδειγμα, επιτρέπει την κίνηση μόνο στις δύο κατευθύνσεις x και z. Ο χρήστης, όμως, μπορεί να κινηθεί προς τα πάνω και προς τα κάτω, οπότε είναι πολύ σημαντικό η συσκευή να ανταποκρίνεται και κινητικά σε αυτό. Τα είδη της κίνησης χαρακτηρίζονται από την κατεύθυνση του εικονικού σώματος, την κατεύθυνση του βλέμματος και κατεύθυνση της κίνησης. Στον πραγματικό κόσμο οι τρεις παράμετροι είναι ανεξάρτητες, ενώ στον εικονικό αλληλεξαρτώνται. Οι χρήστες γενικά κινούνται και κοιτούν προς την κατεύθυνση του σώματος. Υπάρχει περιορισμός στη δυνατότητα να κοιτούν σε διαφορετική κατεύθυνση από αυτήν που κινείται και είναι προσανατολισμένο το σώμα. 81

82 Ο «νεκρός χώρος» είναι μια περιοχή γύρω από την αδρανή θέση ενός σημείου ελέγχου που η οποιαδήποτε μετακίνηση κοντά σε αυτό, δεν θα προκαλέσει μεταβολή στην οθόνη. Επηρεάζει την απόδοση ανάλογα με το μέγεθός του, αφού μερικές φορές αναγκάζει τους χρήστες να κάνουν υπερβολικές κινήσεις ελέγχου προκειμένου να δουν αλλαγή στην κατάσταση της οθόνης. 3.5 Σχεδιαστικά ζητήματα πλοήγησης Η ταξινόμηση της πλοήγησης και των τεχνικών βοηθά πολύ και τη δουλειά του σχεδιαστή. Αρχικά, πρέπει να απαντηθεί το ερώτημα, γιατί ο χρήστης προσπαθεί να πλοηγηθεί [77]. Είτε για εξερεύνηση (απόκτηση μιας εικόνας του χώρου), είτε για έρευνα (εντοπισμός διαδρομής ή αντικειμένου), είτε επιθεώρηση (παρατήρηση αντικειμένου για κάποιο λόγο). Μόνο με την απάντηση θα μπορέσει ο σχεδιαστής να αναπτύξει την καταλληλότερη διεπαφή. Κατόπιν, να καθορίζονται οι παράγοντες θέσης, προσανατολισμού και ταχύτητας ώστε ο σχεδιαστής να ορίσει τις κατάλληλες συναρτήσεις. Τέλος, να επιλέγεται το μέσο διεπαφής αφού αποτελεί σημαντικό παράγοντα αποτελεσματικής πλοήγησης, αλληλεπίδρασης και απόκτησης πληροφορίας από τον χρήστη. Ο σχεδιαστής πρέπει, λοιπόν, να παρουσιάσει αυτήν την πληροφορία με τρόπο διαισθητικό στον χρήστη. Το πιο λογικό κατά την μοντελοποίηση της πλοήγησης στο εικονικό περιβάλλον είναι να μοιάζει με αυτήν στον πραγματικό κόσμο, μιας και οι χρήστες έχουν σ αυτό μεγάλη εμπειρία. Όμως, η απόκτηση γνώσης στο εικονικό περιβάλλον είναι πιο δύσκολη από το πραγματικό λόγω της τεχνολογίας της εικονικής πραγματικότητας. Στα εικονικά περιβάλλοντα απουσιάζουν στοιχεία του πραγματικού, όπως υφές, σκιές και σχέσεις μεγέθους ώστε να ενισχύεται η αίσθηση του βάθους και της απόστασης. Επιπλέον, το περιορισμένο οπτικό πεδίο περιορίζει το τμήμα του σκηνικού που βλέπει κάθε φορά ο χρήστης με αποτέλεσμα να δυσκολεύεται να το κατανοήσει συνολικά. Αυτά τα προβλήματα μπορεί να οδηγήσουν σε λανθασμένη νοητική απεικόνιση του χώρου στο μυαλό του χρήστη. Για να είναι αυτή επιτυχημένη υπάρχουν κάποια στοιχεία που οι σχεδιαστές πρέπει να λάβουν υπόψιν κατά την δημιουργία του εικονικού περιβάλλοντος. Όσο μεγάλος κι αν είναι ο εικονικός κόσμος καλό θα ήταν να διαχωρίζεται σε μικρότερα μέρη και αυτά να οργανώνονται με βάση 82

83 κάποια απλή οργανωτική δομή. Επίσης, να παρέχονται συχνά στοιχεία ένδειξης κατεύθυνσης. Ένας ακόμη παράγοντας είναι η έλλειψη των κιναισθητικών αισθήσεων που στο πραγματικό περιβάλλον, όπου και υπάρχουν, συμβάλλουν στην κατανόηση της ταχύτητας της κίνησης, ενώ στο εικονικό μπορεί να οδηγήσουν λανθασμένη κατανόησή τους. Είναι, λοιπόν, δύσκολο, με βάση τα παραπάνω, να προσομοιωθεί επακριβώς ο πραγματικός κόσμος και να αναμένεται ο χρήστης να τον κατανοήσει πλήρως. Οι δυνατότητες της παρουσίασης της πληροφορίας και της αλληλεπίδρασης στον εικονικό κόσμο είναι πολύ μεγαλύτερες από της πραγματικότητας και δεν μπορούν να αξιοποιηθούν αν οι σχεδιαστές εμμείνουν απλά στο να αντιγράψουν την πραγματικότητα. 3.6 Σχέση φύλου χρηστών και πλοήγησης Έχει παρατηρηθεί πολλές φορές η υπεροχή των ανδρών έναντι των γυναικών όσον αφορά στην πλοήγηση που ίσως οφείλεται στον διαφορετικό τρόπο χειρισμού της πλοήγησης μεταξύ των δύο φύλων [43]. Αν προστεθούν και οι διαφορετικές ικανότητες, οδηγούμαστε σε διαφορετικές τεχνικές πλοήγησης. Ιδιαίτερα σημαντικό στη σχεδίαση εικονικών περιβαλλόντων είναι ότι ακόμη και μικρές διαφορές μεταξύ των τεχνικών, μεγεθύνονται στο εικονικό περιβάλλον. Πρέπει να βρεθούν σχεδιαστικές πρακτικές εφαρμογές που να αντισταθμίζουν την ανεπάρκεια προηγούμενων συστημάτων για την επίτευξη της ισορροπίας στην επίδοση των δύο φύλων. 3.7 Σχέση ηλικίας χρηστών και πλοήγησης Έχει αποδειχθεί μέσω έρευνας σχετικά με την ευχρηστία των εργαλείων που χρησιμοποιούνται σε δισδιάστατες διεπαφές ότι οι χρήστες ακόμη και για την εκτέλεση απλών ενεργειών μπορεί να αντιμετωπίζουν δυσκολίες. Κι αυτές, μάλιστα, μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με την ηλικία τους. Η οπτική απεικόνιση βοηθημάτων πλοήγησης βελτιώνει πάρα πολύ την απόδοση των χρηστών κάθε ηλικίας και όσον αφορά στον χρόνο ολοκλήρωσης της εργασίας και στην ικανοποίησή του [65]. 83

84 Οι χρήστες μεγαλύτερης ηλικίας, αν και οι περισσότεροι είναι πολύ πρόθυμοι να αποκτήσουν εξοικείωση με την τεχνολογία των υπολογιστών, συνήθως συναντούν περισσότερες δυσκολίες σε σχέση με τους νεότερους χρήστες. Διαφέρουν και αυτοί αρκετά μεταξύ τους ως προς την «έκθεσή» τους στους υπολογιστές με κάποιους να έχουν μικρή εμπειρία, ίσως λόγω εργασίας, και με κάποιους άλλους μηδαμινή σε σύγκριση με τους νεότερους που μεγαλώνουν με τους υπολογιστές σαν αναπόσπαστο μέρος της καθημερινότητάς τους. Επίσης, οι ικανότητές τους, φυσικές και νοητικές, διαφέρουν τόσο ώστε να μην είναι κατάλληλη μία γενική σχεδιαστική προσέγγιση. Επομένως, ο σχεδιασμός της διεπαφής ανθρώπου-υπολογιστή είναι ένα πολύ σημαντικό πεδίο πλέον για κάθε εφαρμογή. Ο παράγοντας της ηλικίας στην πλοήγηση ενός τρισδιάστατου εικονικού περιβάλλοντος στην οθόνη ενός υπολογιστή συμβάλει στη μείωση της απόδοσης όσο μάλιστα η ηλικία αυξάνεται. Ο ανθρωποκεντρικός σχεδιασμός των εικονικών περιβαλλόντων διαφέρει κατά πολύ από αυτόν των υπολοίπων εφαρμογών. Κι αυτό γιατί υπεισέρχεται ο παράγοντας της τρίτης διάστασης που εγείρει θέματα όπως η θέση του χρήστη στο περιβάλλον, ο έλεγχος του σημείου θέασης καθώς και ο παράγοντας του είδους της εφαρμογής που δημιουργεί διαφορετικές απαιτήσεις (διαφορετικές για περιβάλλον εκπαίδευσης, συνεργατικό ή ψυχαγωγίας). Ωστόσο, κάποιες σχεδιαστικές προτάσεις που έχουν σαν αποτέλεσμα τη βελτίωση της πλοήγησης σε όλες τις ηλικίες είναι ότι σίγουρα όλα τα λειτουργικά εργαλεία πρέπει να είναι ορατά στη διεπαφή, να παρέχεται η δυνατότητα της αναίρεσης ώστε να διορθώνονται εύκολα τα λάθη και να αυξάνεται ο χρόνος της απόδοσης, να είναι ευδιάκριτος ο έλεγχος της ταχύτητας, να παρέχεται χάρτης του χώρου και να είναι δυνατή η τηλεμεταφορά όταν κρίνεται απαραίτητη. Επίσης, η απόδοση των μεγαλύτερων σε ηλικία χρηστών με διαφορετική εμπειρία πλοήγησης, ενισχύεται εντυπωσιακά με οποιουδήποτε είδους ανάδραση (οπτική, ακουστική, απτική). 3.8 Συμπεριφορά χρηστών Η συμπεριφορά του χρήστη σε ένα εικονικό περιβάλλον είναι πολύ σημαντικό να εκτιμηθεί προκειμένου η εύρεση της διαδρομής σε αυτό να γίνεται όπως ακριβώς στον πραγματικό κόσμο [64]. Η εύρεση της 84

85 διαδρομής είναι η πιο συνηθισμένη εργασία σε ένα εικονικό περιβάλλον κάθε τύπου στο οποίο οι χρήστες πρέπει να πλοηγηθούν. Η εκτίμηση αυτή θα μπορούσε να γίνει με την μέτρηση της εκτέλεσης μιας εργασίας, της κατάστασης του χρήστη όταν επιτελεί αυτήν την εργασία και την ανάλυση της λογικής βάσει της οποίας την εκτέλεσε. Η μέτρηση της εκτέλεσης μιας εργασίας μπορεί να δώσει συμπεράσματα για τον χρόνο ολοκλήρωσης, της απόστασης που διανύθηκε και του αριθμού των λαθών, δίνοντας και τη δυνατότητα σύγκρισης μεταξύ χρηστών. Η κατάσταση του χρήστη δίνει πληροφορίες για το τι έκανε αυτός κατά τη διάρκεια της εργασίας και όχι για το πόσο γρήγορος ή ακριβής ήταν. Υπάρχουν δύο επιλογές, είτε αλλαγή θέσης είτε προσανατολισμού. Η ανάλυση της λογικής γίνεται με τη βοήθεια ερωτηματολογίων, συνεντεύξεων και ελεύθερης έκφρασης κατά την διάρκεια εκτέλεσης της εργασίας. 3.9 Σχεδιαστικές αρχές επιτυχούς πλοήγησης Με βάση τα προηγούμενα προέκυψαν κάποιες σχεδιαστικές αρχές που θα ήταν χρήσιμο να ακολουθούνται προκειμένου να γίνεται αποτίμηση της επιτυχίας της πλοήγησης σε επιτραπέζια εικονικά περιβάλλοντα. Να παρέχεται ομαλή μεταβατική κίνηση μεταξύ δύο σημείων και να μην ενισχύεται η χρήση της τηλεμεταφοράς. Να υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου της ταχύτητας της κίνησης με ευέλικτο τρόπο, ώστε ο χρήστης να διαφοροποιεί τον τρόπο της πλοήγησης και τον κάνει να αποφεύγει το «σταμάτημα-ξεκίνημα». Να υπάρχει η δυνατότητα αναίρεσης κάποιας ενέργειας. Να παρέχεται εικονικός χάρτης για διευκόλυνση εντοπισμού της θέσης και του προσανατολισμού του χρήστη. Να καταδεικνύεται η κατεύθυνση της κίνησης. Να μην παρακινείται η χρήση αυτόματης πλοήγησης. Να επιτρέπεται η ταυτόχρονη εκτέλεση εργασιών. Να χρησιμοποιείται τεχνική προσδιορισμού στόχου. Να συμπεριλαμβάνονται ορόσημα με αναγραφή μηνυμάτων με νόημα. Να είναι ορατά όλα τα εργαλεία αλληλεπίδρασης. Να παρέχονται ευδιάκριτης λειτουργίας κουμπιά. Να φαίνεται η μετάβαση από την τρέχουσα θέση στην άλλη 85

86 Να παρέχεται αναγνώριση σύγκρουσης ώστε να μην αποπροσανατολίζεται ο χρήστης περνώντας μέσα από συμπαγή αντικείμενα (πιθανόν να διευκολύνει μόνο τους έμπειρους χρήστες). Να παρέχονται μικροί «νεκροί χώροι» ώστε τυχόν ακούσιες κινήσεις του χεριού να μην δημιουργούν αποκλίσεις στην κατεύθυνση της κίνησης. Να παρέχεται ένδειξη της τρέχουσας γραμμής θέασης σε περίπτωση που ο χρήστης ξεφύγει από την ευθεία και κοιτάξει ελαφρώς πάνω ή κάτω. Να υπάρχει η δυνατότητα αποδέσμευσης της κατεύθυνσης του βλέμματος από αυτήν της κίνησης και του προσανατολισμού του σώματος ώστε ο χρήστης να κοιτάζει τριγύρω το εικονικό περιβάλλον χωρίς να χάνει τον προσανατολισμό του. Καταλήγοντας, η καλή πλοήγηση είναι απαραίτητη, αλλά δεν επαρκεί για τη θετική αξιολόγηση της ευχρηστίας. Η σημαντικότητα της πλοήγησης σε σχέση με την ευχρηστία έγκειται στη σχέση της πλοήγησης με την εκτέλεση εργασιών που προσπαθεί να επιτελέσει ο χρήστης. Εάν η πλοήγηση είναι δύσκολο να εκτελεστεί, τότε και η έννοια της ευχρηστίας θα αξιολογηθεί ως χαμηλή Ζητήματα αλληλεπίδρασης Οι τεχνικές αλληλεπίδρασης για τρισδιάστατο χειρισμό σε ένα εικονικό περιβάλλον πρέπει να παρέχει μέσα για την επίτευξη τουλάχιστον ενός εκ των βασικών ενεργειών: επιλογή αντικειμένου, τοποθέτηση, περιστροφή και απελευθέρωση [9]. Ο σχεδιασμός τεχνικών αλληλεπίδρασης για την επιλογή και τον χειρισμό αντικειμένων έχει επίδραση στην ποιότητα ολόκληρης της διεπαφής χρήστη. Μια τεχνική για τον χειρισμό αντικειμένων παρέχει στον χρήστη ένα εικονικό χέρι το οποίο κινείται αντίστοιχα με τον ανιχνευτή χεριού και με το οποίο γίνεται η αλληλεπίδραση με το αντικείμενο. Η προσομοίωση αυτή ταυτίζεται με τον τρόπο χειρισμού αντικειμένων στον πραγματικό κόσμο. Μια άλλη τεχνική είναι με μια εικονική δέσμη που αλληλεπιδρά με το αντικείμενο όταν το συναντήσει. Όλες οι τεχνικές έχουν αδυναμίες, γι αυτό η εύρεση των καλύτερων χαρακτηριστικών τους και η ενσωμάτωση τους σε μία θα έδινε το ιδανικό αποτέλεσμα. 86

87 Όσον αφορά στον έλεγχο του συστήματος οι τεχνικές διακρίνονται σε αυτές που απεικονίζουν οπτικά τις εντολές, στις εντολές μέσω φωνής, σε αυτές μέσω χειρονομιών και σε εργαλεία με κάποια υπονοούμενη λειτουργία [80]. Επίσης, ο σχεδιαστής θα πρέπει να προσπαθεί να αποφεύγει τα λάθη, δίνοντας στον χρήστη ανατροφοδότηση κατά την επιλογή μιας εντολής σχετικά με το αποτέλεσμά της διότι έτσι δεν διακόπτεται η ροή της δράσης στην εφαρμογή. Μπορούν να δημιουργηθούν διεπαφές για τρισδιάστατες εφαρμογές που εκμεταλλεύονται τα οφέλη των δύο διαστάσεων και είναι πιο εύκολες και διαισθητικές για τον χρήστη. Η επιτυχής ενσωμάτωση αυτών είναι κρίσιμη σχεδιαστική απόφαση και από τη φυσική και τη λογική πλευρά. Από τη φυσική πλευρά, δεν πρέπει να είναι δύσκολη η μετάβαση του χρήστη από τη συσκευή των δύο διαστάσεων σε αυτήν των τριών και από τη λογική οι συσκευές της εφαρμογής πρέπει να είναι γνωστό για ποιων διαστάσεων χρήση προορίζονται. Αυτό συμβάλει και στη μείωση του γνωστικού βάρους του χρήστη. Οι διεπαφές των δύο και τριών διαστάσεων χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες. Σε όλες απαιτείται κάποιο είδος φυσικής επιφάνειας για την δισδιάστατη είσοδο. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει τις εφαρμογές που χρησιμοποιούν πλήρως εμβυθιζόμενες συσκευές (π.χ. HMD) και ο χρήστης δεν μπορεί να έχει φυσική άποψη της δισδιάστατης επιφάνειας, οπότε και πρέπει να έχει μια γραφική αναπαράσταση αυτής για να αλληλεπιδράσει μαζί της στον εικονικό χώρο. Η δεύτερη περιλαμβάνει εφαρμογές που χρησιμοποιούν ημιεμβυθιζόμενες συσκευές (π.χ. πάγκοι εργασίας) και η δισδιάστατη επιφάνεια αλληλεπίδρασης μπορεί να βρίσκεται είτε πάνω στη συσκευή είτε να αναπαρίσταται γραφικά. Η τρίτη περιλαμβάνει δισδιάστατες επιφάνειες προβολής. Κάποιες γενικές σχεδιαστικές αρχές για ανάπτυξη τρισδιάστατης διεπαφής χρήστη μπορούν να συνοψιστούν στις ακόλουθες: Η επιλογή τεχνικών αλληλεπίδρασης πρέπει να εξαρτάται από τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Οι ίδιες τεχνικές δεν λειτουργούν το ίδιο σε κάθε κατάσταση. Να καθοδηγείται με φυσικούς ή εικονικούς περιορισμούς η είσοδος του χρήστη. 87

88 Να εκμεταλλεύεται η δυνατότητα χρήσης συσκευών εισόδου και εξόδου που συνδυάζουν πολλά χαρακτηριστικά και να παρέχεται στον χρήστη η υποδομή και η υποστήριξη να διαχειρίζεται την αυξανόμενη πολυπλοκότητα. Καταλήγοντας, ο σχεδιασμός του περιβάλλοντος, η εργασία και οι συσκευές που ενεργοποιούν την αλληλεπίδραση πρέπει να αποτελούν αλληλένδετα μέρη ενός δυναμικού συστήματος που θα οδηγήσουν στην αύξηση της έννοιας της ευχρηστίας με απώτερο σκοπό την ικανοποίηση του χρήστη Ζητήματα ευχρηστίας Εκτίμηση ευχρηστίας διεπαφής Κατά την ανάπτυξη και τον σχεδιασμό των εικονικών περιβαλλόντων πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν παράγοντες που συμβάλουν στην ευχρηστία του συστήματος και τελικά στην ικανοποίηση του χρήστη. Η ευχρηστία είναι ένα στοιχείο που πρέπει να ενσωματώνεται στο εικονικό περιβάλλον και μετρώντας την από την πλευρά του χρήστη, εντοπίζεται στο σημείο που εκείνος αρχίζει να «την νιώθει», το σημείο, δηλαδή, στο οποίο νιώθει ικανοποίηση. Για να ενισχυθεί η ευχρηστία ενός συστήματος θα πρέπει να ικανοποιούνται τα ακόλουθα κριτήρια [27]: Ευκολία εκμάθησης - Πόσο γρήγορα είναι σε θέση ένας χρήστης να εξοικειωθεί με τη διεπαφή προκειμένου να εκτελέσει κάποια εργασία Επαρκής χρήση Πόσο άμεσα μπορεί να ολοκληρώσει μια εργασία ένας χρήστης αφού εξοικειωθεί με τη διεπαφή Μνήμη Έχει την ευκολία ο χρήστης που χρησιμοποίησε στο παρελθόν το σύστημα να το ξαναθυμηθεί και να αλληλεπιδράσει έχοντας γνώση των στοιχείων του ή πρέπει να το ξαναμάθει από την αρχή Συχνότητα σφαλμάτων Πόσο συχνά γίνονται λάθη, πόσο σοβαρά είναι αυτά και πόσο εύκολη είναι να ξεπεραστούν Υποκειμενική ικανοποίηση Πόσο ικανοποιημένος έμεινε ο χρήστης από το σύστημα 88

89 Η έννοια της ευχρηστίας είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με πλήθος χαρακτηριστικών, τα οποία μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: 1) Πλοήγηση (π.χ. πέταγμα, φυσική, συνδυασμός συσκευών εισόδου) 2) Αλληλεπίδραση (π.χ. με πόσα αντικείμενα, είναι αναγνωρίσιμη) 3) Χαρακτηριστικά χρήστη (π.χ. εξοικείωση με υπολογιστές, εμπειρία σε εικονικά περιβάλλοντα) 4) Οπτικά γνωρίσματα (π.χ. χρώμα, σκιές, υφές) 5) Ηχητικά γνωρίσματα (π.χ. περιβαλλοντικοί ήχοι, προειδοποιητικοί ήχοι) 6) Γνωρίσματα αντικειμένων (π.χ. εύκολα αναγνωρίσιμα, είναι ρεαλιστικά) 7) Χαρακτηριστικά hardware (π.χ. τύπος συσκευών εισόδου, άνεση χρήσης) 8) Ανατιθέμενες εργασίες (π.χ. χρόνος ολοκλήρωσης, εκπαίδευση στο σύστημα) 9) Θέματα διεπαφής (π.χ. αποτελεσματικότητα, ικανοποίηση) Η διεπαφή που εξετάζεται ως προς την ευχρηστία της μπορεί να ειδωθεί σαν ένας «κόσμος μέσα σε κόσμο». Η ιδέα του μοντέλου αυτού είναι σχετικά απλή αν αναλογιστεί κανείς ότι ο χρήστης αλληλεπιδρά με στοιχεία του εικονικού κόσμου χρησιμοποιώντας εργαλεία του πραγματικού. Η ευχρηστία είναι πολύ σημαντική για την αποδοχή των συστημάτων. Δίνοντας έμφαση σε αυτήν, η αλληλεπίδραση με τα εικονικά περιβάλλοντα γίνεται πιο ελκυστική, παραγωγική και ευχάριστη για κάθε χρήστη Μέθοδοι αξιολόγησης εικονικού περιβάλλοντος Ένα σύστημα εικονικής πραγματικότητας μπορεί να «πάσχει» από σοβαρά προβλήματα ευχρηστίας, όπως αποπροσανατολισμό, δυσκολία στο χειρισμό αντικειμένων [74]. Για να διαπιστωθεί αν πέτυχε τον στόχο του, δηλαδή αν οι χρήστες αυτού εξοικειώθηκαν με τα στοιχεία που το συνθέτουν, αλληλεπίδρασαν αποτελεσματικά χωρίς πολλά σφάλματα και έμειναν ικανοποιημένοι, αναπτύχθηκαν μέθοδοι αξιολόγησης που βασίζονται στην εμπειρία των χρηστών. Οι μέθοδοι που ακολουθούν 89

90 προτείνονται για την αξιολόγηση της ευχρηστίας ενός εικονικού περιβάλλοντος [8]. Μία τεχνική για συλλογή πληροφοριών είναι η άμεση επικοινωνία με τον χρήστη. Αυτό επιτυγχάνεται με τα ερωτηματολόγια, τις συνεντεύξεις και το πρωτόκολλο του «σκέφτομαι μεγαλοφώνως» [47]. Είναι και οι τρεις τρόποι συλλογής δεδομένων ευχρηστίας του περιβάλλοντος και μάλιστα αν υπάρχει συνδυασμός τους, τα αποτελέσματα μπορεί να είναι και εγκυρότερα. Το ερωτηματολόγιο δίνεται στους χρήστες με το πέρας της αλληλεπίδρασης με το εικονικό περιβάλλον και περιλαμβάνει ερωτήσεις σχετικά με το συνολικό σχεδιασμό και απόδοση του συστήματος. Οι χρήστες έχουν το χρόνο τους και την ησυχία τους να σκεφτούν και να το συμπληρώσουν. Η συνέντευξη γίνεται επίσης στο τέλος, με τον χρήστη να ερωτάται από τον άνθρωπο που κάνει την αξιολόγηση για συγκεκριμένα χαρακτηριστικά του συστήματος με δυνατότητα να υπεισέλθουν σε περισσότερες λεπτομέρειες και οι απαντήσεις του καταγράφονται. Υστερεί ως προς τα ερωτηματολόγια στο ότι ο χρήστης δεν έχει τον χρόνο να συγκροτήσει η σκέψη του και να απαντήσει γραπτώς σε ένα ερώτημα με σαφήνεια, αλλά πρέπει να δώσει μια άμεση απάντηση σε κάποιον που τον «αξιολογεί». Η τακτική του «σκέφτομαι μεγαλοφώνως» ενθαρρύνει τον χρήστη να υποβάλλει ερωτήσεις κάθε τύπου κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασής του με το σύστημα, είτε σχετικές με την εφαρμογή είτε με την εργασία που επιτελεί. Αυτό δίνει τη δυνατότητα στον άνθρωπο που κάνει την αξιολόγηση να εντοπίσει προβληματικά σημεία και δυσκολίες που αντιμετωπίζει ο χρήστης, τη στιγμή που αυτό συμβαίνει, που ίσως να μην τα κατέγραφε με τους δύο προηγούμενους τρόπους. Βέβαια, η επιτυχία αυτού του τρόπου αξιολόγησης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό και από την προσωπικότητα του χρήστη διότι πολλοί άνθρωποι χαρακτηρίζονται από ντροπαλότητα και δεν εκφράζουν με ευκολία απορίες και δυσαρέσκεια. Με την μέθοδο της παρατήρησης αξιολογείται η αλληλεπίδραση του χρήστη και η ικανότητά του να πλοηγηθεί και να μάθει, με την εκτέλεση από αυτόν ενεργειών βασισμένων σε σενάρια. Η μέθοδος αυτή παράγει ποιοτικά αποτελέσματα (π.χ. σχόλια και κρίση των χρηστών), αλλά και ποσοτικά (π.χ. χρόνο ολοκλήρωσης, σφάλματα). 90

91 Άλλος τρόπος είναι η αξιολόγηση της διεπαφής ως προς την ικανότητά της να υποστηρίζει βασικές ενέργειες του χρήστη, Αυτή έχει απόδοση περισσότερο στις περιπτώσεις χρηστών που χρησιμοποιούν το σύστημα για πρώτη φορά και θέλουν απλά να το εξερευνήσουν. Μία ακόμη μέθοδος είναι αυτή στην οποία διαφορετικοί αξιολογητές ευχρηστίας εκτιμούν τη διεπαφή εφαρμόζοντας σχετικές σχεδιαστικές αρχές. Τα αποτελέσματα συγκεντρώνονται και χρησιμοποιούνται για τον επανασχεδιασμό οποιουδήποτε σημείου συνετέλεσε στη μείωση της ευχρηστίας. Οι μέθοδοι αυτές, ξεχωριστά ή και σε συνδυασμό μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση ενός εικονικού περιβάλλοντος Αίσθηση παρουσίας στο εικονικό περιβάλλον Μία δυναμική διεπαφή χαρακτηρίζεται από το αίσθημα παρουσίας του χρήστη σε αυτήν, κάτι το οποίο είναι απαραίτητο ιδιαίτερα σε περιβάλλοντα συνεργασίας. Η αίσθηση της παρουσίας ορίζεται ως η έκταση στην οποία ο συμμετέχων σε ένα εικονικό περιβάλλον επιτρέπει στον εαυτό του (συναισθηματικά και νοητικά) να πειστεί ότι βρίσκεται κάπου αλλού και όχι στο μέρος που παρευρίσκεται φυσικά ενώ βιώνει την εμπειρία και τα αποτελέσματα ενός περιβάλλοντος προσομοιωμένου σε υπολογιστή [63]. Σε αυτά η απεικόνιση του χρήστη γίνεται μέσω των avatar, που είναι η γραφική του απεικόνιση στο εικονικό περιβάλλον και το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης με τα avatar των άλλων χρηστών και με τα αντικείμενα του περιβάλλοντος πρέπει να είναι ορατό σε όλους τους χρήστες προκειμένου το σύστημα να χαρακτηρίζεται ως εύχρηστο [20]. Η αίσθηση της παρουσίας μπορεί να διακριθεί σε προσωπική, κοινωνική και περιβαλλοντική. Προσωπική παρουσία Νοείται ως η έκταση στην οποία κάποιος νιώθει ότι βρίσκεται μέσα στον εικονικό κόσμο. Το αίσθημα της φυσικής παρουσίας ενισχύεται με την κατανόηση από τον χρήστη των ενεργειών που θα επιτελέσει και βελτιώνοντας την οπτική ανάδραση των πράξεών του, βλέποντας π.χ. το avatar να εκτελεί την εντολή. 91

92 Κοινωνική παρουσία - Νοείται ως η έκταση στην οποία άλλοι συμμετέχοντες στο περιβάλλον δίνουν «σημείο ζωής» και αλληλεπιδρούν με τον χρήστη. Μέσω της δράσης του avatar ο χρήστης γνωρίζει ότι οι ενέργειές του γίνονται αντιληπτές και από τους άλλους χρήστες. Επιπλέον, η αλληλεπίδραση των avatar μεταξύ τους, τονίζει την ύπαρξη δραστηριότητας (ζωής) στο περιβάλλον και κατά συνέπεια την αίσθηση παρουσίας. Περιβαλλοντική παρουσία - Νοείται ως η έκταση στην οποία ο χρήστης νιώθει ότι το περιβάλλον λαμβάνει γνώση της ύπαρξής του και ανταποκρίνεται στις ενέργειές του. Αυτό παρουσιάζεται στον χρήστη με τη μορφή animation του τι συμβαίνει στα αντικείμενα του περιβάλλοντος όταν ο χρήστης αλληλεπιδρά μαζί τους με συγκεκριμένο τρόπο. Το αίσθημα της παρουσίας ενισχύεται, λοιπόν, από τον τρόπο που τα αντικείμενα αντιδρούν στις ενέργειες του χρήστη. Επιπλέον, η αίσθηση της παρουσίας συμβάλλει στην ενίσχυση της μάθησης και ενισχύει τη μεταφορά γνώσεων και δεξιοτήτων. Η αίσθηση της παρουσίας κατά τη διάρκεια της εκπαίδευσης και μάθησης είναι πολύ σημαντική και μετά από αυτές, όταν τίθεται το θέμα ανάκλησης μνήμης για την επίλυση προβλημάτων και τη διαχείριση καταστάσεων στον πραγματικό κόσμο. Γι αυτό και όσο μεγαλύτερη είναι η αίσθηση της παρουσίας, τόσο μεγαλύτερη είναι και η συναισθηματική εμπλοκή με αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη πιθανότητα ανάκλησης μνήμης Αίσθηση προσαρμογής στο εικονικό περιβάλλον Σε ένα εικονικό περιβάλλον, συνήθως, οι χρήστες επιτελούν από πολύ απλές έως πολύ σύνθετες εργασίες χρησιμοποιώντας κάθε είδους διεπαφή και τεχνική αλληλεπίδρασης με αποτέλεσμα να αυξάνεται το επίπεδο της πολυπλοκότητας και να κωλύεται η φυσική και διαισθητική συμπεριφορά τους. Προκειμένου να αυξάνεται η προσαρμοστικότητα του κάθε χρήστη στην αλληλεπίδρασή του με ένα εικονικό περιβάλλον πρέπει να μελετηθούν οι ικανότητές του, οι προτιμήσεις του, η μεθοδικότητά του [55]. Οι χρήστες συμπεριφέρονται αποδοτικότερα, βιώνουν λιγότερη δυσαρέσκεια και επιτυγχάνεται φυσικότερη αλληλεπίδραση με το εικονικό περιβάλλον όταν λαμβάνεται υπόψιν και ενσωματώνεται η έννοια της προσαρμοστικότητας στην μέθοδο πλοήγησης και στην 92

93 κατανόηση του περιεχομένου [86]. Επιπλέον, βελτιώνεται η ευχρηστία του συστήματος. 93

94 Η φυσικότητα ως παράγοντας ενίσχυσης της αλληλεπίδρασης και τρόπος υλοποίησής της Συνοψίζονται και συσχετίζονται οι παράγοντες επιτυχίας ενός εικονικού περιβάλλοντος και εισάγεται η έννοια της φυσικότητας ως παράγοντας ενίσχυσης της φυσικής αλληλεπίδρασης και η υλοποίησή της μέσω των χειρονομιών. Αναζητείται και προτείνεται τρόπος μέτρησης και αξιολόγησης της φυσικότητας, εξετάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της και ερευνούνται τρόποι επίτευξης της φυσικής αλληλεπίδρασης σε ένα εικονικό περιβάλλον 4.1 Παράγοντες επιτυχημένου εικονικού περιβάλλοντος Από τη μελέτη όλων των παραπάνω, αποδεικνύεται ότι ο κρισιμότερος παράγοντας επιτυχίας ενός εικονικού περιβάλλοντος είναι η αλληλεπίδραση. Αυτή, πολλές φορές, είναι δύσκολο να επιτευχθεί και σε αυτό συντελούν πολλοί παράγοντες, οι οποίοι είναι αλληλένδετοι μεταξύ τους. Από τη δυσκολία χειρισμού των μέσων αλληλεπίδρασης που συντελεί στη μειωμένη εξοικείωση του χρήστη με το εικονικό περιβάλλον, την μη ικανοποιητική απόδοσή του στην ολοκλήρωση μίας εργασίας και κατά συνέπεια, τη δυσαρέσκειά του. Και όταν ο χρήστης δεν είναι ικανοποιημένος, φυσικό επακόλουθο είναι η «εγκατάλειψη» της εφαρμογής. Επιτυχημένο, λοιπόν, εικονικό περιβάλλον είναι αυτό που θα δεσμεύσει τον χρήστη. Η δέσμευση αποτελεί μια διάσταση της ευχρηστίας και επηρεάζεται από την πρώτη εντύπωση που θα σχηματίσει ο χρήστης για μια εφαρμογή και την ικανοποίηση που θα αντλήσει από την αλληλεπίδρασή του με αυτήν [54]. 94

95 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΥΧΡΗΣΤΙΑ ΔΕΣΜΕΥΣΗ ;; ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΝΗΜΗ, ΑΠΟΔΟΣΗ, ΙΚΑΝΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΤΥΧΗΜΕΝΟ ΕΙΚΟΝΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Εικόνα 36: Παράγοντες επιτυχημένου εικονικού περιβάλλοντος 4.2 Ενσωμάτωση της έννοιας της φυσικότητας στην αλληλεπίδραση Οι παράγοντες επιτυχίας ενός εικονικού περιβάλλοντος συνοψίζονται στην εικόνα 36. Υπάρχει, όμως, ένα πλαίσιο που δεν είναι συμπληρωμένο. Και αυτή είναι η συνιστώσα που αναζητούμε προκειμένου να ικανοποιούνται τα κριτήρια της ευχρηστίας ενός συστήματος και να χαρακτηρίζεται ως επιτυχημένο. Και είναι η κατάλληλη προσπάθεια χωρίς πολλή εκπαίδευση και δυσκολία και ονομάζεται φυσικότητα. Η φυσικότητα είναι, δηλαδή, ο στόχος της εμπειρίας του χρήστη στην αλληλεπίδρασή του με ένα εικονικό περιβάλλον. Η διεπαφή που υπάρχει μεταξύ αυτού και του υπολογιστή πρέπει να είναι «αόρατη» και να παραμένει έτσι για όσο διάστημα ο χρήστης συνεχίζει να προσθέτει στην εμπειρία του στοιχεία από την αλληλεπίδραση αυτή. Μία τέτοια διεπαφή δεν διαθέτει συσκευές την χρήση των οποίων ο χρήστης πρέπει να μάθει 95

96 και επιπλέον και σημαντικό, μετατρέπει έναν αρχάριο χρήστη πολύ γρήγορα σε έμπειρο. Σε ένα επιτραπέζιο εικονικό περιβάλλον προκειμένου ο χρήστης να αλληλεπιδράσει αποτελεσματικά με αυτό, έχει διαρκώς απασχολημένο τουλάχιστον το ένα του χέρι αφού χρησιμοποιεί συσκευές σε συνδυασμό (π.χ. πληκτρολόγιο, ποντίκι) για να μετατραπεί η δισδιάστατη κίνηση στο πλήθος των τρισδιάστατων κινήσεων του εικονικού κόσμου. Η προσπάθειά του αυτή να βρει τον τρόπο να πλοηγηθεί επαρκώς, τον αποσπά από το κύριο «καθήκον» και η μη ολοκλήρωση αυτού τον κάνει να δυσανασχετεί και σε αρκετές περιπτώσεις, να εγκαταλείψει την προσπάθεια. Δεδομένου ότι τα επιτραπέζια περιβάλλοντα αντιπροσωπεύουν μία πολύ δυναμική διεπαφή χρήστη και χρησιμοποιούνται τις τελευταίες δεκαετίες ως το χαρακτηριστικότερο μέσο αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή σε αμέτρητες εφαρμογές, η χρήση τους ενδείκνυται και για εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας. Οι αυξημένες, όμως, απαιτήσεις των εφαρμογών αυτών, σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να υπερβαίνουν τις δυνατότητες των παραδοσιακών εργαλείων αλληλεπίδρασης, με αποτέλεσμα να υπάρχει ανάγκη για πιο διαισθητικές διεπαφές. Οθόνες στο κεφάλι, στερεοσκοπικά γυαλιά και γάντια δεδομένων, μπορεί να λύνουν το πρόβλημα της διάδρασης, αλλά δεν παρέχουν στον χρήστη άνεση, και μπορεί να τον φτάσουν στο σημείο της ενόχλησης [4]. 4.3 Οι χειρονομίες ως τρόπος έκφρασης της φυσικής αλληλεπίδρασης Τα περιβάλλοντα οθόνης, λοιπόν, σε συνδυασμό με συσκευές ανίχνευσης παρέχουν στον χρήστη την εμπειρία αλληλεπίδρασης με έναν εικονικό κόσμο με πιο φυσικό τρόπο, μέσω χειρονομιών και της ανίχνευσης κίνησης όλων των μερών του σώματος του χρήστη, γενικότερα. Οι χειρονομίες στην καθημερινή αλληλεπίδραση ανθρώπου με άνθρωπο είναι ένα φυσικό και δυναμικό εργαλείο που συμβάλλουν στην ολοκλήρωση της μη λεκτικής επικοινωνίας. Τις χρησιμοποιούμε για να εμπλουτίσουμε το νόημα, όχι μόνο των λεγομένων μας, αλλά και για να περιγράψουμε το σχήμα αντικειμένων, να παίξουμε παιχνίδια, να επικοινωνήσουμε σε θορυβώδη περιβάλλοντα και να συνεννοηθούμε με 96

97 ανθρώπους με ειδικές ικανότητες. Με άλλα λόγια, είναι οι εκφραστικές κινήσεις του σώματος και μεταφέρουν μέχρι και ολοκληρωμένα λεκτικά και γραμματικά νοήματα, όπως στην περίπτωση της νοηματικής γλώσσας [58]. Η χειρονομία θα μπορούσε να οριστεί ως «Κάθε κίνηση που εκτελείται από τον άνθρωπο για τη μετάδοση κάποιας πληροφορίας» [40]. Στο πλαίσιο της διάδρασης ανθρώπου-υπολογιστή, η χειρονομία ορίζεται ως «συντονισμένη και κατάλληλη για τα ανθρώπινα μέρη του σώματος κίνηση για την επίτευξη επικοινωνίας» [38]. Η πληροφορία που περιέχεται καθορίζεται από τη διαμόρφωση των μελών του σώματος, την ταχύτητα και την κατεύθυνση της κίνησης και πρέπει να είναι ερμηνεύσιμη από τον δέκτη της. Οι χειρονομίες, ως μέσο διεπαφής, εφαρμόζονται σε μεγάλο εύρος τεχνολογικών συστημάτων και χωρίζονται σε δύο διαστάσεων που γίνονται με το δάχτυλο σε μία οθόνη αφής ή διαδραστικές επιφάνειες και σε τριών διαστάσεων που πραγματοποιούνται με ελεύθερη μετακίνηση στο χώρο. Η χρήση χειρονομιών είναι μια εναλλακτική λύση, μάλλον ελκυστική, για δυσκίνητες συσκευές που προορίζονται για την αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή (Human-Computer Interaction-HCI). H οπτική ερμηνεία των χειρονομιών μπορεί να βοηθήσει στην επίτευξη της ευκολίας και της φυσικότητας που είναι επιθυμητή για αυτήν την αλληλεπίδραση [57]. Η χρήση του σώματος του χρήστη για τον χειρισμό συστημάτων θεωρείται πιο ευθύς και διαισθητική. Διευκολύνει, επίσης, σε περιπτώσεις απόστασης μεταξύ χρήστη και περιφερειακών συσκευών ή απασχολημένων χεριών. Ο απώτερος στόχος της αλληλεπίδρασης βασισμένης σε χειρονομίες είναι να επιτρέπεται η είσοδος εντολών χωρίς επαφή [5]. Η ανάγκη για αλληλεπίδραση που χρησιμοποιεί γυμνά χέρια χωρίς τη βοήθεια κάποιου χειριστηρίου ή άλλων εργαλείων είναι μία ένδειξη ότι η τεχνολογία ενισχύει τη φυσικότητα σε ένα σύστημα που δέχεται εντολές εισόδου. Επομένως, η τεχνολογία που είναι βασισμένη σε χειρονομίες προσφέρει ένα φυσικό τρόπο αλληλεπίδρασης, αφού αυτές είναι η «συσκευή» εισόδου και ελέγχου του εικονικού περιβάλλοντος [11]. Στην περίπτωση της πλοήγησης ο προσανατολισμός των χεριών μπορεί να εκληφθεί ως είσοδος και περαιτέρω κίνηση μέσα στο περιβάλλον, ενώ μία στάση τους μπορεί να καθορίσει τη θέση και την αλληλεπίδραση με 97

98 κάποιο αντικείμενο. Πολλές εφαρμογές τονίζουν επιτυχώς τη σημασία της φυσικής διάδρασης με χειρονομίες, όπως ο χειρισμός ρομποτικών συσκευών ή αναπηρικών αμαξιδίων από άτομα περιορισμένης κινητικότητας. Το αποτέλεσμα της φυσικής αλληλεπίδρασης με χειρονομίες, μπορεί να είναι θετικό για τον χρήστη διότι η φυσικότητα με την οποία ελέγχονται οι συσκευές εισόδου τον προτρέπει να απεικονίσει τις καταστάσεις του πραγματικού κόσμου στην αλληλεπίδραση με το εικονικό περιβάλλον και έτσι τον βοηθά να επαναφέρει στη μνήμη και να καταδείξει την εντολή χειρονομίας πιο εύκολα, προκαλώντας του και θετικά συναισθήματα. Η βασισμένη στην χειρονομία αλληλεπίδραση στην πραγματικότητα περιέχει πληροφορίες του τύπου, π.χ. για να χαιρετήσω κάποιον, «κυματίζω» το χέρι στον αέρα. Δηλαδή, η φυσική αλληλεπίδραση νοείται ως η αυθόρμητη ενέργεια του χρήστη μέσω των διαισθητικών ενεργειών που συσχετίζονται ή είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στη φυσική καθημερινή ανθρώπινη συμπεριφορά. Με τον όρο «διαισθητικός», χαρακτηρίζεται όχι ένα εύχρηστο διαδραστικό σύστημα, αλλά που βασίζεται σε αυτό που κάποιος αισθάνεται ότι είναι αληθινό ακόμη και για μη προφανείς και συνειδητούς συλλογισμούς [90]. Έτσι ο χρήστης μπορεί με λίγη ή και καθόλου εμπειρία ή εκπαίδευση να αλληλεπιδράσει με το εικονικό περιβάλλον κάνοντας τις σωστές χειρονομίες. Οι χειρονομίες χωρίζονται σε: αυτές του χεριού, των δαχτύλων και του βραχίονα, αυτές του κεφαλιού και του προσώπου και σε αυτές του σώματος. Στην πρώτη κατηγορίας περιλαμβάνονται στάσεις του χεριού (πόζες), αλληλουχία κινήσεων του χεριού που επιτρέπουν σε χρήστες κάθε ηλικίας να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον. Στην δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνονται τα νεύματα του κεφαλιού, οι εκφράσεις του προσώπου, η κατεύθυνση του βλέμματος και στην τρίτη κατηγορία περιλαμβάνονται οι κινήσεις ολόκληρου του σώματος και απαιτείται ο εντοπισμός της θέσης και της κίνησης αυτού, που χρησιμοποιούνται για πλήθος εφαρμογών [53]. 4.4 Μέτρηση και αξιολόγηση της φυσικότητας Η φυσικότητα θα μπορούσε να θεωρηθεί ο ποιοτικός παράγοντας αξιολόγησης μίας αποτελεσματικής χειρονομίας. Η φυσικότητα μπορεί να επιτευχθεί μέσω της χρήσης συμβόλων, π.χ. τεντώνοντας δύο δάχτυλα 98

99 στον αέρα, να μεγεθύνεται μία εικόνα ή ένα νεύμα του κεφαλιού προς τα κάτω, να είναι η εντολή για το «ναι». Όσο πιο αφύσικη είναι μια χειρονομία, τόσος περισσότερος χρόνος απαιτείται για να τη θυμηθεί κάποιος. Επομένως, η φυσικότητα επηρεάζει το χρόνο που ξοδεύει ο χρήστης στο να θυμηθεί κάθε χειρονομία που χρειάζεται προκειμένου να δώσει εντολή στο σύστημα και ολοκληρώσει την εργασία που επιτελεί. Ικανοποιείται, λοιπόν, το κριτήριο της μνήμης που έχει ο χρήστης για το σύστημα, αφού με μία φυσική χειρονομία μπορεί έχει την ευκολία που μπορεί να το ξαναθυμηθεί και να αλληλεπιδράσει άμεσα, σε περίπτωση που το έχει χρησιμοποιήσει στο παρελθόν. Η αλληλεπίδραση βασισμένη στη φυσική χειρονομία εμπλουτίζει τις γνωστικές δυνατότητες των χρηστών. Επομένως, όσο πιο φυσικές χειρονομίες εφαρμόζονται σε ένα σύστημα χειρονομίας, τόσο μεγαλύτερο το όφελος για τους χρήστες διότι το γνωστικό τους φορτίο μειώνεται, και το σύστημα γίνεται ευκολότερο να μαθευτεί. Έτσι, επιταχύνεται η αλληλεπίδραση και δημιουργούνται θετικά συναισθήματα στον χρήστη όταν πραγματοποιεί τις χειρονομίες επιτυχώς. Η μέτρηση της διαισθητικότητας μιας χειρονομίας μπορεί να ερμηνευθεί ως μέτρηση φυσικότητας. 4.5 Ποιοτικοί παράγοντες φυσικής αλληλεπίδρασης Οι χειρονομίες εξυπηρετούν τρεις λειτουργικούς ρόλους [5]: Σημειωτικό - Η δυνατότητα να μεταβιβαστούν οι πληροφορίες Εργατικό - Η δυνατότητα χειρισμού αντικειμένων στον πραγματικό κόσμο Επιστημονικό - Επιτρέπει την εκμάθηση από το περιβάλλον μέσω απτικής εμπειρίας Επίσης οι σχεδιαστικοί παράγοντες για τις εντολές χειρονομιών ταξινομούνται στις εξής τρεις: γνωστικοί, αρθρωτικοί, και τεχνολογικοί. Οι γνωστικοί αναφέρονται στο πόσο εύκολα μια εντολή μπορεί να μαθευτεί και να υπενθυμιστεί. Οι αρθρωτικοί καθορίζουν πόσο εύκολο είναι για έναν χρήστη να εκτελέσει τις χειρονομίες. Οι χειρονομίες πρέπει να παρέχουν γρήγορες και αναστρέψιμες ενέργειες και να μην απαιτούν πολλή ακρίβεια, ώστε να αποφεύγεται η κούραση. Το 99

100 κύριο πλεονέκτημα αυτών είναι η φυσική αλληλεπίδραση μεταξύ ανθρώπου και υπολογιστή εξαλείφοντας την ανάγκη για ενδιάμεσες συσκευές. Διάρκεια Η ποιότητα του συστήματος επηρεάζεται από τον χρόνο που ξοδεύεται για να εκτελεστεί η χειρονομία. Όσο περισσότερος, τόσο λιγότερες εργασίες μπορούν να ολοκληρωθούν μέσα σε έναν ορισμένο χρόνο. Ως εκ τούτου, η διάρκεια της χειρονομίας έχει επιπτώσεις στην αποδοτικότητα όλου του συστήματος. Ακρίβεια Η ακρίβεια μιας δεδομένης χειρονομίας είναι ένας καλός δείκτης και της δυσκολίας της και της μοναδικότητάς της. Εάν μια χειρονομία δεν είναι αρκετά μοναδική αλλά παρόμοια με κάποια άλλη, θα είναι εύκολο να πραγματοποιηθεί ακούσια η λανθασμένη χειρονομία και να αναγκαστεί το σύστημα να παρερμηνεύσει τη χειρονομία και να εκτελέσει λανθασμένη λειτουργία. Φυσικότητα Η φυσικότητα μιας χειρονομίας είναι ένας μεγάλος παράγοντας που συμβάλλει στην αποτελεσματικότητά της, δεδομένου ότι επηρεάζει άμεσα το γνωστικό πεδίο του χρήστη και μένει και πιο εύκολα στη μνήμη. Εάν μια χειρονομία δεν είναι εύκολα ενθυμούμενη, περισσότερος χρόνος ξοδεύεται στην απομνημόνευσή της, με συνέπεια τη λιγότερο αποδοτική χρήση του συστήματος. Η φυσικότητα επιτυγχάνεται συχνά μέσω της χρήσης των συμβόλων, π.χ. κάνοντας την κίνηση του σπρωξίματος για να επιλεγεί κάτι ή το συμβολισμό του «κόβω με ψαλίδι» για τη λειτουργία της αποκοπής. Εντούτοις, με τη φυσικότητα αναφερόμαστε και σε άλλους υποκειμενικούς παράγοντες όπως πόσο φυσικά μια χειρονομία γίνεται αντιληπτή από έναν χρήστη όταν την εκτελεί. Κούραση Για την ποιοτική μέτρηση μιας χειρονομίας, η κούραση είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες. Το επίπεδο κούρασης επηρεάζει την ευχρηστία μιας χειρονομίας, μειώνοντας την «απήχησή» της στο χρήστη. Όμως, επειδή η κούραση είναι υποκειμενικός παράγοντας δεν είναι εύκολο να μετρηθεί. 100

101 4.6 Ταξινόμηση φυσικών χαρακτηριστικών χειρονομιών Η αλληλεπίδραση με μία εφαρμογή μπορεί να γίνεται μέσω χειρονομιών αλλά και συνδυασμού χειρονομίας-λόγου. Οι διεπαφές που συνδυάζουν χειρονομίες και ομιλία όπου προσφέρουν πιο «φυσική» αλληλεπίδραση που κάνει χρήση των ελεύθερων χεριών. Οι ανθρώπινες χειρονομίες εκφράζονται με το σώμα, το πρόσωπο και τα χέρια. Οι πιο συνηθισμένες, εκφραστικές και συχνά χρησιμοποιούμενες είναι αυτές με τα χέρια και μπορεί να είναι στατικές χρησιμοποιώντας μόνο τα δάχτυλα ή δυναμικές με χρήση ολόκληρου του χεριού [53]. Οι χειρονομίες χωρίζονται σε κατηγορίες ανάλογα με το είδος τους [28], [36]. Χειρονομίες χωρίς πρόθεση Δεν εξυπηρετούν κάποιον επικοινωνιακό σκοπό, αλλά εξαρτώνται ολοκληρωτικά από το περιεχόμενο της συζήτησης καθώς η ίδια χειρονομία μπορεί να μεταφέρει πληροφορία σε κάποια δεδομένη κατάσταση, αλλά να μην έχει απολύτως κανένα νόημα σε κάποια άλλη. Επεξηγηματικές χειρονομίες Θεωρούνται μια από τις φυσικότερες μορφές χειρονομίας, κάνουν χρήση του χεριού και του βραχίονα και χρησιμοποιούνται συνήθως σε συνδυασμό με διεπαφές συνομιλίας. Δεν βασίζονται σε προκαταγεγραμμένες χειρονομίες και διακρίνονται σε διαχειριστικές και επικοινωνιακές. Οι επεξηγηματικές συνδυάζονται με λόγο και δεν απαιτείται από τον χρήστη να πάρει συγκεκριμένες στάσεις ή να μάθει χειρονομίες άλλες από αυτές που φυσιολογικά θα συνόδευαν τον καθημερινό του λόγο. Διαχειριστικές χειρονομίες Χρησιμοποιούνται για να «δράσουν» σε αντικείμενα του περιβάλλοντος και στην περίπτωση διεπαφών είναι αυτές που χρησιμοποιούνται όταν απαιτείται ευθεία φυσική επαφή για να επιτευχθεί η αλληλεπίδραση. Σηματοφόρες χειρονομίες Οι σηματοφόρες χειρονομίες μπορούν να αναφερθούν ως «επικοινωνιακές» διότι χρησιμεύουν ως ένας κόσμος συμβόλων που επικοινωνούνται με το σύστημα. Χρησιμοποιούνται μαζί ή αντί του 101

102 λόγου. Παρέχουν μικρή λειτουργική χρησιμότητα διότι η χρήση συμβόλων για τη μετάδοση πληροφοριών κατέχει μικρό μέρος των ανθρώπινων αλληλεπιδράσεων. Είναι το επίκεντρο των διεπαφών φυσικής αλληλεπίδρασης. Επεμβατικές χειρονομίες Η χειρονομία για χειρισμό είναι αυτή της οποίας ο σκοπός είναι ο έλεγχος κάποιας οντότητας με την εφαρμογή μιας δυναμικής σχέσης μεταξύ των ξεκάθαρων μετακινήσεων του χεριού με την οντότητα που αυτό χειρίζεται. Ο τρισδιάστατος χειρισμός δισδιάστατων αντικειμένων περιλαμβάνει χειρονομίες, όπως επιλογή ενός αντικειμένου και μετακίνησή του στον εικονικό χώρο. Η δυνατότητα αυτή σε συνδυασμό με ηλεκτρονικούς αισθητήρες πίεσης ενισχύουν την αλληλεπίδραση εισάγοντας πρόσθετη πληροφορία, όπως ταχύτητα και υποστηρίζουν πολλαπλά σημεία επαφής. Οι επεμβατικές χειρονομίες ισχύουν επίσης για αλληλεπιδράσεις με φυσικά αντικείμενα που αντιπροσωπεύσουν ψηφιακά αντικείμενα. Αυτός ο τύπος αλληλεπίδρασης περιλαμβάνει τον φυσικό χειρισμό του πραγματικού αντικειμένου και τον προκύπτοντα χειρισμό στην οθόνη. Επίσης, ισχύουν για τον έλεγχο της κίνησης διαφόρων φυσικών αντικειμένων του πραγματικού περιβάλλοντος από τον χρήστη. Δεικτικές χειρονομίες Οι δεικτικές χειρονομίες περιλαμβάνουν την υπόδειξη για να αναγνωριστεί η ταυτότητα ή η θέση ενός αντικειμένου μέσα στον χώρο της εικονικής εφαρμογής. Πολλές εφαρμογές χρησιμοποιούν αποκλειστικά δεικτικές χειρονομίες. Γλωσσικές χειρονομίες Οι χειρονομίες αυτές είναι γλωσσολογικά βασισμένες και εκτελούνται χρησιμοποιώντας μια σειρά από μεμονωμένα σημάδια ή χειρονομίες που συνδυάζονται για τη διαμόρφωση γραμματικών δομών για διεπαφές διαλόγου. Εντούτοις, οι χειρονομίες στη νοηματική βασίζονται στα γλωσσικά στοιχεία και παρότι είναι επικοινωνιακής φύσης, διαφέρουν 102

103 από τις υπόλοιπες στο ότι οι χειρονομίες αντιστοιχούν σε σύμβολα που αποθηκεύονται στο σύστημα αναγνώρισης. Σύμβολα Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωρίς να έχει προηγηθεί μελέτη τους. Ποικίλουν ανάλογα με την κουλτούρα και συνδέονται με συγκεκριμένα μηνύματα και νοήματα. Συνδυασμός χειρονομιών Υπάρχουν, όμως και εφαρμογές, που δεν βασίζονται μόνο σε ένα είδος χειρονομίας διάδρασης αλλά συνδυάζουν ποικιλία αυτών, όπως δεικτικές και επεμβατικές ή επεμβατικές και σηματοφόρες ή σηματοφόρες, επεμβατικές και δεικτικές. 4.7 Τεχνολογία και φυσική αλληλεπίδραση Η φυσική αλληλεπίδραση μέσω των χειρονομιών απαιτεί πολύ καλή υποστήριξη από την τεχνολογία με την είσοδο των εντολών που διακρίνεται σε μη αντιληπτική και αντιληπτική. Ως μη αντιληπτική είσοδος χειρονομίας, χαρακτηρίζεται αυτή που κάνει χρήση συσκευών ή αντικειμένων οι οποίες απαιτούν φυσική επαφή για να μεταδώσουν θέση, χωρική ή χρονική πληροφορία στον επεξεργαστή των δεδομένων του υπολογιστή. Ως αντιληπτική, χαρακτηρίζεται αυτή που υποστηρίζει τις χειρονομίες να αναγνωρίζονται χωρίς να απαιτείται κάποιου είδους φυσική επαφή με μια συσκευή εισόδου ή με οποιαδήποτε φυσικό αντικείμενο, δίνοντας την ελευθερία στον χρήστη να «επικοινωνεί» τις χειρονομίες χωρίς να χρειαστεί να φοράει, να κρατάει ή να έχει φυσική επαφή με κάποια ενδιάμεση συσκευή όπως ένα γάντι ή ένα ποντίκι. Η αντιληπτική τεχνολογία εισόδου περιλαμβάνει οπτικούς, ακουστικούς ή αισθητήρες κίνησης που μπορούν να λαμβάνουν αισθητήρια δεδομένα εισόδου από το χρήστη μέσω των ενεργειών του, του λόγου ή της φυσικής του θέσης τους μέσα στο εικονικό περιβάλλον Συσκευές μη αντιληπτικής εισόδου 103

104 Σε αυτές ανήκουν οι ηλεκτρονικοί αισθητήρες, που μπορεί να είναι τοποθετημένοι στο σώμα, προσαρμοσμένοι σε γάντια, σε αντικείμενα, σε απτές επιφάνειες και σε συσκευές ανίχνευσης καθώς και η είσοδος ήχου. Οι ηλεκτρονικοί αισθητήρες προσαρμοζόμενοι στο σώμα ήταν οι πρώτοι που χρησιμοποιήθηκαν για αναγνώριση της κίνησης, της θέσης και του προσανατολισμού του σώματος, του χεριού, του βραχίονα ή του δακτύλου σε διεπαφές που λειτουργούν με αναγνώριση χειρονομίας. Έχουν μεγάλη απήχηση σε πλοήγηση εικονικών περιβαλλόντων σε συνδυασμό με συσκευές ανίχνευσης του κεφαλιού. Το κόστος, βέβαια, είναι μεγάλο και παρότι υπάρχει μεγάλη ποικιλία στις συσκευές ανίχνευσης οπτικών ή ακουστικών δεδομένων, το μειονέκτημα είναι ότι παραμένουν προσκολλημένες στον χρήστη. Τα γάντια με αισθητήρες χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση χειρονομιών με περισσότερες λεπτομέρειες, ευελιξία και ακρίβεια όπως αυτές που κάνουν τα δάκτυλα και ο καρπός. Οι χειρονομίες μπορούν, επίσης να ανιχνευθούν και μέσω φυσικών αντικειμένων που διαθέτουν αισθητήρες και που τα χειρίζεται ο χρήστης και μεταφράζονται σε δεικτικές, σηματοφόρες και επεμβατικές. Ανίχνευση των χειρονομιών γίνεται επίσης με τη χρήση συσκευών ανίχνευσης που χρησιμοποιούν υπέρυθρες για ανίχνευση κίνησης. Η υπέρυθρη ακτίνα ανιχνεύεται από την κάμερα και οι κινήσεις και χειρονομίες ορίζουν τη συμπεριφορά του συστήματος. Οι ακουστικοί αισθητήρες είναι μια εναλλακτική μέθοδος ανίχνευσης χειρονομιών. Η χρήση του ήχου για την ανίχνευση του σημείου το οποίο παράγει έναν ήχο ενεργοποιεί την χειρονομία επιλογής ώστε να εκτελεστεί η αλληλεπίδραση. Μια άλλη χρήση των ακουστικών αισθητήρων είναι σε μια συσκευή που συνδέεται με τον καρπό του χρήστη και καταχωρεί τον ήχο που προκαλείται από την κίνηση των δαχτύλων και των χεριών. Σε εφαρμογές επαυξημένης πραγματικότητας γίνεται χρήση «σημαδιών» στις άκρες των δαχτύλων του χρήστη που ανιχνεύονται πιο εύκολα και μέσω αυτών γίνεται μετακίνηση αντικειμένων και είσοδος εντολών. Αυτά παρέχουν μεγάλη δυνατότητα ανίχνευσης και δεν βαραίνουν όσο τα γάντια, αλλά δεν παύουν να είναι αφύσικα και λιγότερα ευέλικτα από τα εντελώς γυμνά χέρια. 104

105 4.7.2 Συσκευές αντιληπτικής εισόδου Ένας σημαντικός τεχνολογικός παράγοντας που επηρεάζει τον τύπο των αλληλεπιδράσεων που βασίζονται σε χειρονομίες είναι η οπτική της οθόνης του υπολογιστή. Στην αρχή γινόταν χρήση βίντεο για την αναγνώριση των κινήσεων του χεριού ως τρόπο αλληλεπίδρασης. Τα επιτραπέζια συστήματα χρησιμοποιούνται για όλους τους τύπους αλληλεπίδρασης εντούτοις τίθενται διάφορα θέματα ως προς τη δυνατότητα αναγνώρισης χειρονομιών σε συνθήκες π.χ. αλλαγής φωτισμού. Μια μέθοδος που εφαρμόστηκε χρησιμοποίησε κάμερες σε συνδυασμό με μεταδότες LED. Έτσι, εκτελούνταν οι διάφορες χειρονομίες με την ανίχνευση της δέσμης LED που διακόπτονταν και που την προκαλούσε η εκτέλεση χειρονομιών από τον χρήστη. Ο τύπος των απομονωμένων αισθητήρων χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της ανθρώπινης παρουσίας, μετακίνησης και πίεσης, επιτρέποντας την κίνηση ολόκληρου του σώματος για αλληλεπιδράσεις μέσω χειρονομιών. Ηλεκτρονικοί αισθητήρες έχουν τοποθετηθεί επίσης στις οθόνες για μεμονωμένη αντίληψη της κίνησης των δαχτύλων ως εναλλακτική λύση της αλληλεπίδρασης με ένα ποντίκι. 4.8 Πεδία εφαρμογής φυσικής αλληλεπίδρασης Η εικονική πραγματικότητα αποτελεί το κυριότερο πεδίο εφαρμογής της αλληλεπίδρασης με χειρονομίες. Στα περιβάλλοντα πλήρους εμβύθισης, η τοποθέτηση αισθητήρων σε όλο το σώμα του χρήστη, ανιχνεύει τις κινήσεις όλου του σώματος για τη δημιουργία ενός avatar που αλληλεπιδρά με άλλα, ενώ επεμβατικές χειρονομίες χρησιμοποιούνται στην περίπτωση που απαιτείται φυσική αλληλεπίδραση με το εικονικό περιβάλλον και τα αντικείμενά του. Η ανίχνευση της κίνησης και της θέσης του σώματος μέσα σε ένα δωμάτιο, γίνεται χρησιμοποιώντας αισθητήρες ενσωματωμένων στο πάτωμα και στα παπούτσια του χρήστη, επιτρέποντας στις κινήσεις του φυσικού κόσμου, να αποτυπώνονται άμεσα στον εικονικό κόσμο. Έτσι και η κίνηση του χρήστη στο φυσικό χώρο ενεργοποιεί την πλοήγηση και στο εικονικό περιβάλλον. 105

106 Ο φυσικός χειρισμός εικονικών αντικειμένων ενσωματώνει και γάντια με αισθητήρες ώστε κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης, οι κινήσεις του γαντιού να αναδημιουργούνται μέσα στον εικονικό κόσμο ως τρισδιάστατο αντικείμενο που απεικονίζει την αλληλεπίδραση μέσα σε αυτόν. Τρεις τύποι αλληλεπίδρασης διακρίνονται για ολόκληρο το χέρι, ευθύς χειρισμός προσομοιωμένων αντικειμένων, αφαιρετική αναπαράσταση εισόδου, όπως όταν κάποιος πατάει ένα κουμπί και διαδοχικές κινήσεις, όπως στη νοηματική γλώσσα. Στις επιτραπέζιες εφαρμογές οι χειρονομίες είναι μια εναλλακτική λύση στο ποντίκι και στο πληκτρολόγιο τις αλληλεπιδράσεις, που επιτρέπει φυσικότερη αλληλεπίδραση με τα δάχτυλα. Πολλές εργασίες με χειρονομίες σε τέτοιου τύπου εφαρμογές περιλαμβάνουν μεταξύ άλλων, χειρισμό γραφικών αναπαραστάσεων των αντικειμένων, επεξεργασία κειμένων, αναζήτηση μεταξύ εγγράφων, επιλογή μενού και πλοήγηση σε διαδικτυακές μηχανές αναζήτησης, αλληλεπίδραση με πλαίσια διαλόγου. Οι επικοινωνιακές διεπαφές που στοχεύουν στην δημιουργία ενός τρόπου αλληλεπίδρασης πιο κοντά στο μοντέλο άνθρωπο με άνθρωπο, χρησιμοποιούν μαζί λόγο και χειρονομίες για τη δημιουργία πιο φυσικών τρόπων ελέγχου, αναγνώρισης και αλληλεπίδρασης με γραφικά αντικείμενα σε επιτραπέζια περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας. Ακόμη, στο πεδίο του τηλεχειρισμού και της τηλερομποτικής φαίνεται ότι οι χειρονομίες προσφέρουν μεγαλύτερα οφέλη από άποψη φυσικότητας και διαισθητικότητας σε σχέση με το πληκτρολόγιο ή το ποντίκι που μπορεί να μην απεικονίσουν με τόσο φυσικό τρόπο την αναγκαία κάθε φορά εργασία ή μπορεί να αποσπούν τη συγκέντρωση του χρήστη στο έργο που πρέπει να επιτελέσει. 4.9 Πλεονεκτήματα φυσικής αλληλεπίδρασης Ο ευθύς έλεγχος των εικονικών περιβαλλόντων γίνεται με την είσοδο εντολών από τα χέρια και τα δάχτυλα του χρήστη, κάτι που υπερτερεί των παραδοσιακών συσκευών εισόδου. Και ο λόγος είναι ότι είναι πιο πρακτικός τρόπος σε πλήθος εργασιών που εκτελούνται σε υπολογιστή ενώ μπορεί να επεκταθεί και στην καθημερινή ζωή με τον χειρισμό 106

107 ηλεκτρικών και οικιακών συσκευών. Όσον αφορά στα επιτραπέζια εικονικά περιβάλλοντα, που είναι και ο χώρος μελέτης, είναι χρήσιμος στο ότι πολλοί χρήστες μπορούν να δουλεύουν ταυτόχρονα σε αντικείμενα που προβάλλονται στην οθόνη, ο χρήστης εκτελεί απλά κινήσεις που επαναλαμβάνει στην καθημερινότητά του ουκ ολίγες φορές, χωρίς να χρειάζεται να παρεμβάλλονται αντικείμενα που μεταφράζουν τις πράξεις τους σε γλώσσα που τις καταλαβαίνει το σύστημα. Πλέον, δεν υπάρχει φυσικό σύστημα μεταξύ χρήστη και υπολογιστή, παρά μόνο μία οθόνη και ο ίδιος. Αν οι φυσικές κινήσεις ενισχυθούν και με χρήση λόγου και ανίχνευσης ματιών, τα πλεονεκτήματα αυξάνονται μιας και π.χ. η ροή μια συζήτησης κατά τη διάρκεια μιας παρουσίασης δεν θα διακόπτεται, ή η αλληλεπίδραση σε δημόσιους χώρους όπου οι ακουστικές παρεμβολές είναι μεγάλες, θα γίνεται αποτελεσματικότερα Προβλήματα φυσικής αλληλεπίδρασης Ένα πρόβλημα που μπορεί να δημιουργηθεί είναι στην περίπτωση μη προμελετημένων, ακούσιων ενεργειών, που εκτελούνται τυχαία και το σύστημα τις μεταφράζει ως χειρονομίες εντολής. Αυτό το γεγονός έχει έμμεση επίπτωση στα συναισθήματα των χρηστών, μιας και το σύστημα καταχωρεί κάτι που δεν σκόπευαν να κάνουν. Το πρόβλημα μπορεί να λυθεί με είτε την αναβάθμιση του συστήματος ανίχνευσης και ερμηνείας, είτε με την εισαγωγή κατάλληλων μηχανισμών ώστε να αποφευχθεί η παρερμηνεία των χειρονομιών, όπως το κλείδωμα της αναγνώρισης χειρονομίας. Επίσης, τίθεται το ερώτημα πως ένας επεξεργαστής θα διαχωρίσει μεμονωμένες χειρονομίες όταν αυτές εκτελούνται συνεχόμενα. Πως, λοιπόν, ορίζεται η αρχή και το τέλος μίας χειρονομίας όταν αυτή πρέπει να ερμηνευθεί μεμονωμένα και όχι ως αλληλουχία. Επίσης, τι γίνεται στην περίπτωση που ο χρήστης πρέπει να εκτελέσει πολύπλοκες ή αφύσικες χειρονομίες, όταν τις εκτελεί σε δημόσιο χώρο, όταν υπάρχουν περισσότεροι από ένας χρήστης και όταν πρέπει να απομνημονεύσουν σχετικά μεγάλη αλληλουχία Αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή με «γυμνό χέρι» 107

108 Οι χειρονομίες θεωρούνται, λοιπόν, ο πιο φυσικός και διαισθητικός τρόπος αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή. Όταν αυτές γίνονται χωρίς ο χρήστης να επιβαρύνεται με συσκευές, καλώδια και αυτοκόλλητα η αλληλεπίδραση αυτή γίνεται πιο αποτελεσματική και χωρίς φυσικούς περιορισμούς του χρήστη. Η αλληλεπίδραση με «γυμνά χέρια» σημαίνει ότι ο χρήστης ελέγχει κατευθείαν τον υπολογιστή με τις κινήσεις των χεριών του, γεγονός που έχει αποδειχθεί [30] ότι ενισχύει την ευχρηστία του συστήματος Απαιτήσεις συστήματος Οι λειτουργίες που πρέπει να εκτελέσει το σύστημα σε σειρά είναι η ανίχνευση, αναγνώριση, η παρακολούθηση, η απόκριση, η ανάλυση και η σταθερότητα. Η ανίχνευση γενικά, μπορεί να αφορά οποιοδήποτε μέλος του σώματος του χρήστη, το χέρι, το δάχτυλο, πρόσωπο ή τα μάτια. Η αναγνώριση, στην περίπτωση του γυμνού χεριού, διαφέρει ως προς το πιο τμήμα του χεριού είναι αυτό που χρησιμοποιείται για την αλληλεπίδραση. Αυτό εξαρτάται και από την εργασία που επιτελείται και η οποία μπορεί να απαιτεί τη χρήση ενός ή περισσοτέρων δαχτύλων, π.χ. επιλογή και μετακίνηση αντικειμένων ή χειρισμό ολόκληρου περιβάλλοντος, ή δύο δαχτύλων και της παλάμης, ή όλων των δαχτύλων και δύο σημείων της παλάμης, π.χ. στην εκτέλεση πολύπλοκων συνεχόμενων χειρονομιών σαν αυτές της νοηματικής γλώσσας. Η παρακολούθηση της κίνησης του χεριού είναι απαραίτητη αφού αυτό δεν γίνεται να μείνει ακινητοποιημένο σε ένα σημείο για πολύ ώρα, οπότε πρέπει είναι γνωστό ποιό αντικείμενο πήγε πού, μεταξύ δύο frame. Η απόκριση είναι το χρονικό χάσμα μεταξύ της ενέργειας του χρήστη και της «απάντησης» του συστήματος και αυτή πρέπει να έχει μία ελάχιστη τιμή προκειμένου το σύστημα να είναι αποδοτικό, δηλαδή ο χρόνος απόκρισης να μην γίνεται αντιληπτός από τον χρήστη. Το μέγεθος αυτό εξαρτάται κάθε φορά από το είδος της εφαρμογής και του έργου που επιτελείται. 108

109 Η ανάλυση έχει, επίσης, άμεση σύνδεση με το είδος της εφαρμογής αφού διαφέρει στην περίπτωση κατάδειξης και επιλογής αντικειμένων και στην περίπτωση μετακίνησης αυτών. Σταθερότητα θεωρείται ότι επιτυγχάνεται στην περίπτωση που η μετρούμενη θέση του αντικειμένου που ανιχνεύεται δεν μεταβάλλεται, όσο κι αυτό δεν κινείται. Αυτή μπορεί να μεταβάλλεται σε περίπτωση που υπάρξουν αλλαγές στις συνθήκες του περιβάλλοντος, π.χ. στον φωτισμό ή σε κίνηση άλλων αντικειμένων του περιβάλλοντος, άσχετων με την ανίχνευση με αποτέλεσμα να προκαλούνται παραμορφώσεις Τεχνικά ζητήματα ανίχνευσης χεριού Το ανθρώπινο χέρι μορφολογικά έχει αρθρώσει, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη σύλληψη της κίνησής του και μάλιστα σε πραγματικό χρόνο, εξαιτίας των διαρκών μεταβολών του σχήματός και της εμφάνισής του. Για να μπορέσει να γίνει κατανοητή η στάση του χεριού και να αυξηθεί και η ταχύτητα ανίχνευσης, το τρισδιάστατο μοντέλο του χεριού «αποσυντίθεται» σε μοντέλα δύο διαστάσεων, αποκόπτεται από το φόντο του περιβάλλοντος και κατόπιν αναγνωρίζεται η στάση του από το περίγραμμά του. Κατόπιν τα στοιχεία του απεικονίζονται σε ένα δισδιάστατο μοντέλο στην οθόνη του υπολογιστή, το οποίο με τη σειρά του θα αντιστοιχιστεί με τις εικόνες της αρχικής ανίχνευσης για να καθοριστεί και η θέση των δαχτύλων και της παλάμης [83] Αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή με φυσικό βάδισμα Το φυσικό βάδισμα χρησιμοποιείται πολύ συχνά ως είσοδος σε εικονικά περιβάλλοντα απεικόνισης πληροφοριών μιας και είναι ο φυσικότερος τρόπος πλοήγησης. Ο άνθρωπος μαθαίνει να περπατά από τα χρόνια της ζωής του και το κάνει καθημερινά για όλη τη διάρκεια αυτής. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα είναι επίσης ότι η διαφορά του φυσικού βαδίσματος από αυτό που προκαλείται από το πάτημα των κουμπιών του πληκτρολογίου, του ποντικιού ή ενός joystick με τον χρήστη να στέκεται ακίνητος μπροστά σε μία οθόνη, έγκειται στο ότι δημιουργεί το αίσθημα της ιδιοδεκτικότητας. Με τον όρο αυτό περιγράφεται η αίσθηση που δημιουργείται στο ανθρώπινο σώμα όταν αυτό εκτελεί την πράξη του βαδίσματος και τον βοηθά στο να προσανατολιστεί και να ανακαλεί τοποθεσίες. Βελτιώνεται, δηλαδή, η μνημονική ικανότητα του χρήστη 109

110 [17]. Επίσης, στην πλοήγηση με φυσικό βάδισμα ο χρήστης λαμβάνει όλη την κιναισθητική ανάδραση των μελών του σώματός του [76] που προέρχεται από τους μυς και τις αρθρώσεις και γνωρίζει που βρίσκονται αυτά σε σχέση με το περιβάλλον [3]. Όλη αυτή η αίσθηση βοηθά τον χρήστη να αποδώσει με πιο γρήγορο ρυθμό και να κάνει λιγότερα λάθη, βρίσκει όμως καλύτερη εφαρμογή σε περιβάλλοντα εμβύθισης, όπου ο χρήστης έχει τον χώρο να κινηθεί είτε σε ευθεία, αν αυτός είναι μεγάλος είτε σε κύκλο, αν αυτός είναι περιορισμένος και λιγότερο σε επιτραπέζια εικονικά συστήματα, όπου οι κινήσεις των χρηστών επικεντρώνονται περισσότερο από τη μέση τους και πάνω. Παρά την ποικιλία των συσκευών και των τεχνικών που υπάρχουν εδώ και δεκαετίες για την αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή και που περιγράφηκαν στο δεύτερο κεφάλαιο, αυτή έχει μεγάλη διαφορά από την αλληλεπίδραση ανθρώπου με άνθρωπο. Η διάδραση μεταξύ ανθρώπων δεν απαιτεί τη χρήση συσκευών, αφού η αντίληψη λειτουργεί με τη βοήθεια των αισθήσεων και συγκεκριμένα της όρασης και της ακοής. Αν αυτός ο τρόπος επικοινωνίας λειτουργεί και στην επικοινωνία ανθρώπουυπολογιστή, τότε επιτυγχάνεται ο στόχος της φυσικής αλληλεπίδρασης, με τον υπολογιστή να μιμείται τις ανθρώπινες αισθήσεις με τη χρήση μικροφώνων και καμερών. 110

111 Διεπαφές φυσικής αλληλεπίδρασης Αναζητούνται οι τεχνολογικές προτάσεις για την υλοποίηση της φυσικής αλληλεπίδρασης στο περιβάλλον μιας οθόνης που υποστηρίζουν τα «ελεύθερα χέρια». Μελετώνται, αναλύονται και αξιολογούνται σχετικές τεχνικές ώστε να αξιοποιηθούν σε μελλοντική πρακτική εφαρμογή Η ιδέα του χειρισμού αντικειμένων και συστημάτων μέσω χειρονομιών προϋπήρχε εδώ και καιρό, αλλά δεν είχε υλοποιηθεί λόγω του κόστους του εξοπλισμού και των τεχνολογικών περιορισμών. Ακόμη, όλες οι ηλεκτρονικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων και των ηλεκτρονικών υπολογιστών συρρικνώνονται ενώ η ανάγκη ύπαρξης ανθρώπινης διεπαφής παραμένει. Έτσι, δημιουργήθηκε τεράστιο ενδιαφέρον για εναλλακτικές διεπαφές βασιζόμενες σε χειρονομίες, των οποίων η αποδοχή δεν ήταν εύκολο να προβλεφθεί. Σίγουρα, όμως, θα άλλαζε τον τρόπο με τον οποίο οι χρήστες θα αλληλεπιδρούσαν με τον υπολογιστή τους αρχικά και κατ επέκταση με το κινητό, το tablet και με κάθε άλλη ηλεκτρονική συσκευή, αφού φυσιολογικά στον πραγματικό κόσμο «μιλούν» με τα χέρια τους. Η πρακτική εφαρμογή της αναγνώρισης των χειρονομιών απαιτεί τη χρήση διαφορετικού τύπου συσκευών ανίχνευσης. Αυτές, μπορεί να είναι γάντια, «κουστούμια» συλλογής δεδομένων για ολόκληρο το σώμα ή χρωματιστά σημάδια πάνω στις άκρες των δακτύλων του χρήστη. Όλα αυτά καθώς και οι παραδοσιακές συσκευές αλληλεπίδρασης με το τρισδιάστατο περιβάλλον του υπολογιστή, που αναφέρθηκαν στο δεύτερο κεφάλαιο, δεν είναι κατάλληλες για φυσική διάδραση. Αντ αυτών, συσκευές που «αισθάνονται» το σώμα του χρήστη (θέση, προσανατολισμό, κατεύθυνση βλέμματος, έκφραση προσώπου, ομιλία) είναι οι κατάλληλες για «μοντελοποίηση» της επικοινωνίας ανθρώπουπεριβάλλοντος. 5.1 Συσκευές φυσικής αλληλεπίδρασης 111

112 Η αφορμή για την ανάπτυξη όλων των συσκευών ανίχνευσης χειρονομίας είναι ο χώρος της ψυχαγωγίας. Τα παιχνίδια είναι από τις πιο απαιτητικές εφαρμογές και αποτελούν μέρος της καθημερινότητας των περισσοτέρων. Είναι ο λόγος για τον οποίο αναπτύσσονται ισχυρότερα υπολογιστικά συστήματα και ελέγχεται άμεσα η απόδοσή τους μέσω της αποδοχής τους ή όχι, από το ευρύ κοινό. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα και αξιολογώντας τις ανάγκες, οι συσκευές αναπτύσσονται και αναβαθμίζονται περαιτέρω ώστε να επεκταθούν και σε άλλους χώρους, όπως της επιστήμης και της ιατρικής EyeToy Το EyeToy είναι από τις πρώτες συσκευές με έγχρωμη USB κάμερας που συνδυάζει επεξεργασία εικόνας και αναγνώριση των χειρονομιών που συλλαμβάνει η κάμερα. Έτσι ο χρήστης μπορεί να αλληλεπιδράσει με το περιβάλλον με κίνηση, ήχο και αναγνώριση χρωμάτων (Εικόνα 37). Εικόνα 37: EyeToy Η ιδέα που οδήγησε στην ανάπτυξη αυτής της συσκευής ήταν να γίνει δυνατό η φυσική διεπαφή χρήστη και οι εφαρμογές παιχνιδιών να κάνουν χρήση μιας φθηνής κάμερας που θα αναγνωρίζει τις χειρονομίες του χρήστη. Η κάμερα είναι τοποθετημένη σε μία περιστρεφόμενη βάση, επιτρέποντας την τοποθέτηση. Περιστρέφοντας τον δακτύλιο γύρω από τον φακό, ρυθμίζεται η εστίαση της κάμερας. Διαθέτει δύο λυχνίες LED στο μπροστινό μέρος. Ένα μπλε φως ανάβει όταν είναι έτοιμη για χρήση, ενώ μία κόκκινη ένδειξη αναβοσβήνει, όταν δεν υπάρχει επαρκής 112

113 φωτισμός στο δωμάτιο. Υπάρχει επίσης ενσωματωμένο μικρόφωνο. Αφού, στην ουσία πρόκειται για μία webcam μπορεί να συνεργαστεί και με άλλα συστήματα σχετικά εύκολα Kinect Το Kinect επιτρέπει την αλληλεπίδραση του χρήστη με το περιβάλλον χωρίς την ανάγκη να κρατάει στο χέρι συσκευές ή να τις έχει προσκολλημένες στο σώμα του. Με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται η αίσθηση παρουσίας του στο εικονικό περιβάλλον και μειώνεται η απόσταση μεταξύ εικονικού και πραγματικού κόσμου και του επιτρέπει να αλληλεπιδρά με τα αντικείμενα όπως θα έκανε στην πραγματικότητα. Το σύστημα που αναπτύχθηκε επιτρέπει την απόλυτη αλληλεπίδραση με «γυμνά χέρια» αναγνωρίζοντας χειρονομίες, φωνή και εκφράσεις προσώπου, όχι μόνο ενός χρήστη, αλλά όσων εισέρχονται στο οπτικό πεδίο της κάμερας, συλλαμβάνοντας αυτόματα την παραμικρή κίνηση του σώματος με μεγάλη ακρίβεια σε πραγματικό χρόνο. Σχεδιαστικά, είναι μία μακρόστενη συσκευή συνδεδεμένη σε μία μικρή βάση με περιστρεφόμενο μοτέρ που τοποθετείται πάνω ή κάτω από την οθόνη. Αποτελείται από RGB κάμερα, αισθητήρα βάθους και πολυκατευθυντικό μικρόφωνο. Ο αισθητήρας βάθους αποτελείται από υπέρυθρο προτζέκτορα σε συνδυασμό με μονόχρωμο CMOS αισθητήρα που συλλαμβάνουν τα οπτικά δεδομένα τρισδιάστατα σε οποιεσδήποτε συνθήκες φωτισμού. Το εύρος του αισθητήρα βάθους είναι ρυθμιζόμενο από το λογισμικό ανάλογα με το φυσικό περιβάλλον του χρήστη (Εικόνα 38). Εικόνα 38: Kinect 113

114 Παρέχει τη δυνατότητα πλοήγησης σε μενού της οθόνης με έναν απλό κυματισμό του χεριού προς τα δεξιά ή αριστερά και αποκτάται πρόσβαση σε αυτό, κρατώντας το χέρι σταθερό ή δίνοντας απλά την φωνητική εντολή, ενώ το δυνατό του χαρακτηριστικό είναι η οπτική αναγνώριση. Παρ όλα αυτά η συσκευή αυτή φαίνεται να υστερεί στη δυνατότητα ανίχνευσης δαχτύλων που θα συντελούσε σε μεγαλύτερη ακρίβεια. Η δυνατότητα της πλήρους αναπαράστασης των δαχτύλων υπάρχει, τίθεται θέμα, όμως, με το πόσο ακριβής θα είναι λόγω της διακύμανσης της απόστασης. Ίσως βοηθούσε σε αυτό και μία κάμερα μεγαλύτερης ανάλυσης. Ένα ακόμη ζήτημα είναι της απόστασης. Ο χρήστης θα πρέπει να απέχει από τη συσκευή τουλάχιστον δύο μέτρα. Οι δυνατότητες του Kinect σε συνδυασμό με άλλες συσκευές μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πλήθος εφαρμογών και έχουν ήδη γίνει προσπάθειες προς αυτήν την κατεύθυνση. Μερικά παραδείγματα αποτελούν η δημιουργία live τρισδιάστατων τηλεδιασκέψεων, η ενσωμάτωσή του σε ρομποτικό ελικόπτερο που αναγνωρίζει και αποφεύγει αντικείμενα (Εικόνα 39α) [101], η συνεργασία του με ρομποτική συσκευή που αναγνωρίζει ανθρώπινες χειρονομίες (Εικόνα 39β) [104], την αναγνώριση πλήθους χρηστών σε συνθήκες έλλειψης φωτός (Εικόνα 39γ) [92], η δημιουργία ενός Kinect kiosk σε αλυσίδα καταστημάτων ένδυσης στη Μόσχα, που έδινε τη δυνατότητα σε πελάτες να δοκιμάσουν ρούχα από τη συλλογή μέσω ενός live βίντεο και ανίχνευε τη θέση τους καθώς ο πελάτης στριφογύριζε για να το δει πάνω του. (Εικόνα 39δ). (α) (β) 114

115 (γ) (δ) Εικόνα 39: Kinect σε συνδυασμό με (α) ελικόπτερο, (β) ρομπότ, (γ) περισσότερα Kinect, (δ) kiosk Αλλά, και στον τομέα της ιατρικής χρησιμοποιήθηκε σε δύο πολύ σπουδαίες περιπτώσεις. Ομάδα ερευνητών κατέγραψε συμπτώματα διαταραχής σε παιδιά αποκτώντας τη δυνατότητα αντικειμενικής αξιολόγησης για να εντοπίσει σύνδρομα, όπως αυτισμό και διαταραχή προσοχής, χωρίς να «φορτώνονται» και να δυσανασχετούν τα παιδιά με ενοχλητικές συσκευές προσκολλημένες πάνω τους. Επίσης, διάφορες ιατρικές ομάδες το χρησιμοποιούν για επισκόπηση της κατάστασης ζωτικών οργάνων κατά τη διάρκεια δύσκολων επεμβάσεων, χωρίς να χρειάζεται να έρχονται σε επαφή με αυτά ρισκάροντας τον κίνδυνο κάποιας μόλυνσης [96], [105] Leap Motion Controller Το Leap Motion Controller είναι μία μικρή περιφερειακή USB συσκευή με αισθητήρες που δέχεται ως είσοδο την κίνηση του χεριού και των δαχτύλων, όπως και το ποντίκι, με τη διαφορά ότι δεν απαιτείται οποιαδήποτε επαφή με τα χέρια. Είναι σχεδιασμένη για τοποθέτηση σε μία επιφάνεια μπροστά από την οθόνη κοιτώντας προς τα πάνω. Χρησιμοποιεί δύο μονοχρωματικές IR κάμερες και τρία υπέρυθρα LED και καλύπτει μία ημισφαιρική περιοχή περίπου ενός μέτρου. Τα LED δημιουργούν ένα 3D μοτίβο από κουκίδες υπέρυθρου φωτός και οι κάμερες με τη σειρά τους δημιουργούν περίπου 200 frame ανά δευτερόλεπτο ανακλώμενων δεδομένων, που στέλνονται μέσω του καλωδίου του USB στον υπολογιστή όπου και αναλύονται από το λογισμικό της συσκευής και με τη χρήση ανώτερων μαθηματικών συνθέτουν, κατά κάποιον τρόπο δεδομένα τρισδιάστατης θέσης 115

116 συγκρίνοντας τα δισδιάστατα frame των δύο καμερών (Εικόνα 40). Είναι σαν να δημιουργείται μία εικονική επιφάνεια αφής στον αέρα. Αγγίζοντας αυτήν την επιφάνεια, δημιουργούνται εικονικά γεγονότα στην οθόνη. Εικόνα 40: Leap Motion Controller To Leap Motion Controller λειτουργεί με ό, τι ήδη διαθέτει ο χρήστης: τα χέρια του. Ανιχνεύει την παραμικρή, αλλά και την πιο μεγάλη κίνηση των χεριών, όπως αυτή γίνεται φυσιολογικά: δείχνουν, κυματίζουν, αγγίζουν, αρπάζουν. Είναι εξαιρετικά ακριβές, αφού ανιχνεύει και τα δέκα δάχτυλα με ακρίβεια 1/100 του χιλιοστού με αποτέλεσμα να σχεδιάζονται μικρά έργα τέχνης μέσα σε ένα κύβο 2,5 cm. Πλήρης πληροφορία για την κίνηση του χεριού μπορεί να μεταφερθεί παρά και τις κρυμμένες επιφάνειες ενώ η θέση και ο προσανατολισμός κάθε άρθρωσης εντοπίζεται με σταθερότητα και ακρίβεια. Έχει πεδίο ανίχνευσης 150 ο και τον z άξονα για το βάθος. Αυτό σημαίνει ότι τα χέρια κινούνται κανονικά στις τρεις διαστάσεις, όπως στον πραγματικό κόσμο, κάνοντας δυνατή την αλληλεπίδραση και τον χειρισμό αντικειμένων. Επίσης, ανιχνεύει τις κινήσεις του χρήστη με συχνότητα πάνω από 200 frame ανά δευτερόλεπτο και έτσι η εικόνα που βλέπει ο χρήστης στην οθόνη, συμβαδίζει απόλυτα με κάθε κίνηση που εκτελεί, μιας και ανιχνεύει τα δάχτυλα ξεχωριστά και γνωρίζει τη διαφοροποίηση μεταξύ τους καθώς και το οποιοδήποτε αντικείμενο μπορεί να κρατείται ανάμεσά τους. Περισσότεροι αισθητήρες θα την κάνουν ακόμη πιο δυναμική προσφέροντας μεγαλύτερο εύρος ανίχνευσης (Εικόνα 41). 116

117 Εικόνα 41: Απεικόνιση χειρονομιών μέσω leap motion controller Οι εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιείται είναι αμέτρητες και αφορούν εκπαίδευση, μόρφωση, δημιουργία, τέχνη, ψυχαγωγία. Περιήγηση στο διαδίκτυο, ανάγνωση άρθρων, εναλλαγή φωτογραφιών και μουσικών κομματιών με μία κίνηση του δαχτύλου. Σχεδιασμός, ζωγραφική με το δάχτυλο ή και με μολύβι ή πινέλο, γλυπτική, αγγειοπλαστική και δημιουργία τρισδιάστατων αντικειμένων. Οδήγηση αυτοκινήτων, πιλοτάρισμα, μάχες και σύνθεση μουσικής σε μοναδικές ψυχαγωγικές εφαρμογές. Ταξίδι στο σύμπαν και άγγιγμα των αστεριών για εξερεύνηση. Και όλα αυτά μεταξύ των χεριών και μιας οθόνης [95], [98], [99], [102]. 5.2 Διεπαφές φυσικής αλληλεπίδρασης Οι φυσικές διεπαφές χρήστη (Natural User Interfaces-NUI) αποτελούν τάση τα τελευταία χρόνια και η ανάπτυξη νέας υλισμικής τεχνολογίας σε προσιτές τιμές ωθεί την τάση αυτή στο καταναλωτικό κοινό, το οποίο μπορεί πλέον να εξερευνά έναν χώρο και να αλληλεπιδρά με τα αντικείμενα που τον συνθέτουν με πιο φυσικό και διαισθητικό τρόπο, χωρίς την χρήση ηλεκτρομαγνητικών συστημάτων ανίχνευσης και συσκευών που τον γεμίζουν με καλώδια. Με την άνθηση των καμερών που ανιχνεύουν κίνηση, η αναγνώριση χειρονομιών έδωσε νέα διάσταση στην αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή. Ωστόσο, η φυσικότητα της διεπαφής δεν αναφέρεται στη διεπαφή καθαυτή, αλλά στον τρόπο που οι χρήστες αλληλεπιδρούν μέσω αυτής. Δηλαδή, πρόκειται για μία διεπαφή που κάνει τον χρήστη να νιώθει και να συμπεριφέρεται φυσικά [87]. 117

118 Τα στοιχεία που πρέπει να ενσωματώνει μία τέτοια διεπαφή συνοψίζονται στα εξής: Να μην μιμείται τον πραγματικό κόσμο, αλλά οι εμπειρίες που δημιουργεί να είναι όσο το δυνατόν πιο αυθεντικές και πιο φυσικές τόσο σε αρχάριους όσο και σε έμπειρους χρήστες. Η εμπειρία που βιώνουν οι έμπειροι χρήστες να είναι κάτι σαν προέκταση του σώματός τους. Να μην αντιγράφει υπάρχουσες διεπαφές. Ο σχεδιασμός και η δημιουργία εύχρηστων και διαισθητικών τρισδιάστατων εικονικών περιβαλλόντων δεν είναι καθόλου εύκολη υπόθεση τόσο εξαιτίας των συσκευών που δεν μπορούν να βοηθήσουν τον χρήστη να αξιοποιήσει τις πληροφορίες του εικονικού κόσμου όσο και εξαιτίας της έλλειψης στοιχείων που βοηθούν στην κατανόησή του, κάτι που δεν συμβαίνει στον πραγματικό κόσμο [49]. Ωστόσο, αρκετές προσπάθειες έχουν γίνει για την δημιουργία διεπαφών πλοήγησης και αλληλεπίδρασης σε εικονικά περιβάλλοντα που βασίζονται στη λογική hands free. Επισκόπηση ορισμένων παρουσιάζεται ακολούθως Διεπαφές πλοήγησης Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η αλληλεπίδραση σε ένα εικονικό περιβάλλον διακρίνεται σε πλοήγηση, επιλογή και χειρισμό αντικειμένων [10]. Για την πλοήγηση ο χρήστης έχει τρεις εργασίες να επιτελέσει, καθορισμό κατεύθυνσης, ταχύτητας κίνησης και εισόδου εντολής. Για την επιλογή και χειρισμό, όσον αφορά στο πρώτο καθορίζεται το αντικείμενο που θα επιλεγεί για κάποιο σκοπό και για τον χειρισμό καθορίζεται η θέση, ο προσανατολισμός, το μέγεθος του επιλεγμένου αντικειμένου. Ο χειρισμός προϋποθέτει την επιλογή, χωρίς να είναι απαραίτητο το αντίστροφο. Η πλοήγηση είναι ένας από τους θεμελιώδεις στόχους και στα πραγματικά και στα εικονικά περιβάλλοντα. Κατάλληλες μέθοδοι πρέπει να αναπτύσσονται ώστε να μπορούν οι χρήστες των εικονικών περιβαλλόντων να αλλάζουν στιγμιαία τη θέση τους. Και δύο είναι οι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψιν κατά την ανάπτυξη των μεθόδων αυτών: η κατεύθυνση και η ταχύτητα της κίνησης. 118

119 Η πρώτη προσέγγιση για να κινηθεί ο χρήστης μέσα σε ένα εικονικό περιβάλλον είναι να κάνει ακριβώς τις ίδιες κινήσεις όπως και στον πραγματικό κόσμο, δηλαδή να περπατήσει φυσικά. Επομένως, η πιο φυσική τεχνική είναι η φυσική κίνηση Πλοήγηση ελεγχόμενης πορείας Η ψευδαίσθηση της παρουσίας μπορεί να χαθεί μέσα από αφύσικες εμπειρίες κατά της πλοήγησης σε ένα εικονικό περιβάλλον, που μπορεί να οφείλονται σε κακές διαδραστικές μεταφορές ή από εμπειρίες οι οποίες δεν συμφωνούν με την καθημερινή αντίληψη του χρήστη για τον πραγματικό κόσμο και είναι κάτι που μπορούν να αποτρέψουν οι φυσικές μέθοδοι κίνησης. Μια χρήσιμη μέθοδος πλοήγησης σε ένα εικονικό περιβάλλον, η οποία παρέχει μία φυσική και με επίκεντρο τον χρήστη πλοήγηση και μπορεί να βελτιώσει την αίσθηση ρεαλιστικότητας και παρουσίας του και να μειώσει την κόπωση, είναι η πλοήγηση ελεγχόμενης πορείας (αγγλ. Intelligent Cruise-Control Navigation - ICCN), η οποία αποτελείται από τρεις φάσεις: Την πλοήγηση με σταθερή ταχύτητα, που υποστηρίζει τη συνεχή και αυτόματη σταθερή μετακίνηση χωρίς καμία πρόσθετη προσπάθεια από τον χρήστη, την αναγνώριση και αποφυγή σύγκρουσης, που εντοπίζει και αποτρέπει τη δημιουργία καταστάσεων σύγκρουσης με ένα εικονικό αντικείμενο και την προσαρμογή διαδρομής, που υποστηρίζει τον χρήστη να επιστρέψει στην αρχική του διαδρομή και κατεύθυνση πλοήγησης μετά το προηγούμενο βήμα αποφυγής σύγκρουσης [41]. Στα υπάρχοντα τυπικά επιτραπέζια συστήματα εικονικής πραγματικότητας, για συνεχόμενη πλοήγηση ο χρήστης εισάγει κάθε συμβάν κίνησης συνεχώς με το ποντίκι ή το πληκτρολόγιο. Η ρύθμιση της ταχύτητας καθώς και αλλαγής κατάστασης, π.χ. από απλό περπάτημα σε τρέξιμο, γίνεται με πάτημα των κατάλληλων κουμπιών. Επίσης, σε περίπτωση σύγκρουσης με κάποιο αντικείμενο του περιβάλλοντος, τότε η πορεία συνεχίζεται διαμέσου αυτού αφού δεν υποστηρίζεται η ανίχνευση σύγκρουσης, με αποτέλεσμα ο χρήστης να βιώνει μια κατάσταση «αλλόκοτη» από αυτό που θα συνέβαινε σε αντίστοιχη περίπτωση στον πραγματικό κόσμο. Η ICCN μπορεί να λύσει τέτοια προβλήματα υποστηρίζοντας μια φυσική μέθοδο πλοήγησης παρόμοια με τον πραγματικό κόσμο, εξαλείφει τις μη ρεαλιστικές συνθήκες κάποιων υφιστάμενων εικονικών περιβαλλόντων, 119

120 μειώνει την κόπωση του χρήστη και υποστηρίζει παράλληλες εργασίες, αφού δίνει ελευθερία χεριών Περιστρεφόμενο σκαμπό Πρόκειται για μία διαισθητική διεπαφή ακόμη και για αρχάριους χρήστες, που είναι ευχάριστη στη χρήση και ιδανική για πλοήγηση σε εικονικά περιβάλλοντα μεγάλου μεγέθους, μειώνοντας το γνωστικό φορτίο του χρήστη ενώ παράλληλα του δίνει την ευχέρεια να συνομιλεί με άλλους που βρίσκονται στον πραγματικό κόσμο και όχι σε βάρος της αλληλεπίδρασης [6]. Είναι εργονομικά σχεδιασμένο με περιστρεφόμενο κάθισμα κατά 360 ο, ρυθμιζόμενο ύψος ώστε να προσαρμόζεται σε διαφορετικούς χρήστες και στηρίζεται σε ένα βραχίονα με ελατήριο που συνδέεται με τη βάση με περιστρεφόμενο σημείο, επιτρέποντας στο χρήστη να αναπηδά, αν το επιθυμεί. Το σημείο περιστροφής στη βάση επιτρέπει στο κάθισμα να γείρει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση (Εικόνα 42). Η φυσική κίνηση του καθίσματος απεικονίζει την κατεύθυνση της κίνησης στο εικονικό περιβάλλον, που περιλαμβάνει την μετακίνηση και την περιστροφή. Το οπτικό πεδίο αλλάζει ανάλογα με την κλίση του σκαμπό και όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η κλίση τόσο γρηγορότερη είναι και η ταχύτητα της κίνησης. Με την περιστροφή του καθίσματος, περιστρέφεται και το περιβάλλον γύρω από τον χρήστη. Η πληροφορία της θέσης του χρήστη λαμβάνεται από δύο μαγνητικούς ανιχνευτές προσαρμοσμένων στο κάθισμα. Εικόνα 42: Περιστρεφόμενο σκαμπό 120

121 Dance pad Πρόκειται για μία διεπαφή χαμηλού κόστους που προορίζεται για άμεση χρήση χωρίς να απαιτείται να προηγηθεί εξοικείωση του χρήστη με αυτήν [6]. Το ορθογώνιο «πάτωμα» διαθέτει έξι κουμπιά, τα τέσσερα είναι βέλη που υποδηλώνουν κατεύθυνση (πάνω-κάτω-δεξιά-αριστερά) και δύο επιπλέον βέλη στις πάνω δύο γωνίες. Προσανατολίζεται προς την οθόνη και η απεικόνιση των τεσσάρων βελών σταυρωτά υποδηλώνουν την μετακίνηση με απλό και λογικό τρόπο. Η φυσική μεταφορά για την περιστροφή γίνεται με τη βοήθεια των διαγώνιων κουμπιών, αφού το κουμπί που βρίσκεται πάνω αριστερά περιστρέφει την σκηνή αριστερόστροφα, ενώ το αντίστοιχο πάνω δεξιά, δεξιόστροφα (Εικόνα 43). Εικόνα 43: Dance pad Super feet Πρόκειται για ένα ασύρματο σύστημα πλοήγησης υψηλής ακρίβειας που ελέγχεται από φυσικές κινήσεις και χρησιμοποιεί τη μεταφορά της φυσικής κίνησης. Λειτουργεί με τη βοήθεια ενός υπέρυθρου συστήματος χαμηλού κόστους που ανιχνεύει τη στιγμιαία θέση και των δύο ποδιών και η πληροφορία αυτή μεταφράζεται σε ταχύτητα περπατήματος και περιστροφής στο εικονικό περιβάλλον. Συγκεκριμένα, μία υπέρυθρη κάμερα ανιχνεύει την μετακίνηση των ποδιών και συνδεόμενη με τον υπολογιστή μέσω USB και με τη βοήθεια λογισμικού μεταφέρει την πληροφορία στο εικονικό περιβάλλον. Ένα ζευγάρι πλαστικές θήκες τοποθετούνται στα πόδια του χρήστη και σημάδια τοποθετούνται στη μύτη κάθε ποδιού. Η αντανάκλαση της υπέρυθρης ακτίνας της κάμερας 121