2. ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ (ΕΠ)

Transcript

1 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας 2. ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ (ΕΠ) Ο αγγλικός όρος στον οποίο αναφέρεται αυτό το κεφάλαιο είναι Virtual Reality. Η ακριβής µετάφραση του όρου στην Ελληνική γλώσσα δεν έχει ακόµη αποσαφηνιστεί. Αυτό οφείλεται εν µέρει στο ότι ο όρος virtual χρησιµοποιείται σε µια σειρά από διαφορετικές καταστάσεις για να εκφράσει το µη πραγµατικό - το εν δυνάµει πραγµατικό. Ακόµη και ο αγγλικός όρος έχει κατηγορηθεί για σχήµα οξύµωρο και έχουν προταθεί ως πλέον δόκιµοι όροι το «Συνθετικό Περιβάλλον», «Τεχνητή Πραγµατικότητα», «Τεχνολογία Προσοµοίωσης» κ.α. Όµως ο πιο διαδεδοµένος χαρακτηρισµός παραµένει Virtual Reality. Η πιο συνήθης µετάφραση είναι αυτή του τίτλου «Εικονική Πραγµατικότητα». Γενικά ο πιο δόκιµος όρος είναι η «υνητική Πραγµατικότητα» ή «Εν υνάµει Πραγµατικότητα» καθώς αποφεύγει την απευθείας σύνδεση µε την εικόνα - το οπτικό κοµµάτι του περιβάλλοντος. Παρόλα ταύτα, στα πλαίσια της εστίασης του µαθήµατος στο χώρο και το σχεδιασµό, αποφασίστηκε να χρησιµοποιηθεί ο, λιγότερο δόκιµος, όρος Εικονική Πραγµατικότητα (ΕΠ). Ορισµός Η τεχνολογία που υποστηρίζει τη χρήση συνθετικών περιβαλλόντων για τη βελτίωση επικοινωνίας ανθρώπου Η/Υ. Είναι σηµαντικό να κατανοήσουµε ότι ΕΠ είναι µια τεχνολογία και όχι µια παραίσθηση, οφθαλµαπάτη ή απλά ψευδαίσθηση. Κάποιοι συµπεριλαµβάνουν βιβλία, κινηµατογραφικές ταινίες ακόµη και τη φαντασία ως µέσα για την έκφραση της Εικονικής Πραγµατικότητας. Αυτό είναι µια εξεζητηµένη άποψη η οποία δεν θα µελετηθεί στην ανάλυση που ακολουθεί. Εικονική Πραγµατικότητα είναι όρος που επινοήθηκε και εκφράστηκε για πρώτη φορά από τον Jaron Lanier το

2 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης ΕΠ είναι µία µέθοδος για να οπτικοποιούµε και επεξεργαζόµαστε περίπλοκα δεδοµένα καθώς και να αλληλεπιδρούµε µε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Είναι µια µεθοδολογία διασύνδεσης και επικοινωνίας µε Η/Υ, από τις πλέον πρόσφατες και ενδιαφέρουσες. Η οπτικοποίηση δεδοµένων αναφέρεται στο οπτικό και ακουστικό προϊόν του Η/Υ προς το χρήστη του περιβάλλοντος µέσα στον Η/Υ. Το περιβάλλον µπορεί να είναι ένα χωρικό αρχιτεκτονικό µοντέλο, µια προσοµοίωση επιστηµονικών στοιχείων ή ακόµη και µία βάση δεδοµένων. Ο χρήστης χρησιµοποιεί το περιβάλλον αυτό και έχει τη δυνατότητα να επεµβαίνει σε αυτό (σε κάποιο βαθµό ορισµένο από το σχεδιαστή του περιβάλλοντος). Τµήµατα του περιβάλλοντος µπορεί να µεταβάλλονται µέσω άλλων εφαρµογών, προσοµοιώσεων, πραγµατικών στοιχείων που συλλέγονται κοκ. Η διαδραστικότητα του περιβάλλοντος και κυρίως η δυνατότητα επέµβασης στην οπτική και γωνία, ύψος θέασης σε (σχεδόν) πραγµατικό χρόνο είναι το σηµείο κλειδί για την δηµιουργία µιας εφαρµογής ΕΠ. Όπως έχει αναφερθεί προηγουµένως, η ΕΠ είναι µία από τις εκφράσεις του κυβερνοχώρου (το Ιντερνετ είναι µία άλλη πολύ πιο διαδεδοµένη και εύληπτη) αν και µε διαφορετική εστίαση. Η κύρια διαφορά είναι ότι ΕΠ καλύπτει το θέµα διεπαφής χρήστη µε Η/Υ βελτιώνοντας δυνατότητες επικοινωνίας ανθρώπου µε µηχανή, ενώ στον κυβερνοχώρο κύριο θέµα µελέτης είναι η σχέση µεταξύ χρηστών. Ιστορία Στις επόµενες παραγράφους γίνεται µια παρουσίαση των κύριων γεγονότων της ιστορικής εξέλιξης της ΕΠ. Πριν το επίσηµο «βάπτισµά της» από το J. Lanier το 1989, η ιδέα και τεχνολογία αυτή ήταν γνωστή σαν συστήµατα οπτικής σύνδεσης (visually coupled systems, VCS). Αυτά γεννήθηκαν στο µεσοπόλεµο στις ΗΠΑ σαν εργαλείο για στρατιωτική εκπαίδευση κυρίως σε προσοµοιωτές πτήσης (flight simulators). Η επιτυχία τους οδήγησε στη προσπάθεια γενίκευσης της χρήσης τους σε προσοµοιώσεις γεγονότων και καταστάσεων µέσα από τις οποίες ο χρήστης αποκοµίζει γνώσεις και εµπειρία. Στα τέλη της δεκαετίας του 60 χρησιµοποιείται σαν εργαλείο για την διεπαφή µε Η/Υ. 18

3 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας Τα δύο κύρια χαρακτηριστικά των V.C.S. ήταν προβολές µέσω οθόνης στηριγµένης στο κεφάλι του χρήστη (head mounted displays, HMDs) και τα συστήµατα παρακολούθησης της κίνησης του κεφαλιού του χρήστη (head tracking). Ο συνδυασµός ήταν απαραίτητος για να προβληθούν στο οπτικό πεδίο των πιλότων µαχητικών αεροσκαφών πληροφορίες για στοιχεία πτήσης, στόχους, κλπ. Οι πληροφορίες αυτές προέρχονταν από HUD, οπτική ανάλυση (R. Kalawsky, p.19) συλλογή στοιχείων radar, τηλεµετρίας, γεωγραφικών βάσεων δεδοµένων για την περιοχή πτήσης κοκ τα οποία επεξεργαζόταν Η/Υ και τα παρουσίαζε στο πιλότο χωρίς να αποσπάται η προσοχή του τελευταίου από το περιβάλλον. Τα πρώτα Εικονικά Περιβάλλοντα δηµιουργήθηκαν για να µελετήσουν το σχεδιασµό θαλάµων κυβέρνησης µαχητικών αεροσκαφών (Furness, 1989), να βελτιώσουν τη διασύνδεση του περιβάλλοντος αλληλεπίδρασης µε υπολογιστές (Sutherland, 1968) και να παρουσιάσουν, οργανώσουν και επεξεργαστούν περίπλοκα πληροφοριακά συστήµατα (Buxton, 1992). Η κύρια προσπάθεια ήταν (και βέβαια παραµένει) να συνδέσουν / εµβυθίσουν τους χρήστες και να δηµιουργήσουν µία αίσθηση παρουσίας - σύνδεσης µε τα δεδοµένα. Αυτό εκφράζεται µε την αίσθηση του ότι οι χρήστες «βρίσκονταν» αλλού στη διάρκεια της επίσκεψής τους στο εικονικό περιβάλλον. Ακολουθεί µια επιγραµµατική εξιστόρηση των ευρύτερων γεγονότων που διαµόρφωσαν τα ΕΠ ως σήµερα: 1824 Ο Peter Roget περιγράφει το φαινόµενο persistence of vision Το πρώτο σύστηµα εκπαίδευσης πιλότων Στο M.I.T. κατασκευάζεται το πρώτο σύστηµα προσοµοίωσης για πολυκινητήριο αεροσκάφος Στο M.I.T's υλοποιείται σύστηµα για τον έλεγχο κίνησης και προσοµοίωσης αεροπλάνων σε πραγµατικό χρόνο Ο πρώτος Η/Υ που χρησιµοποίησε οθόνη καθοδικού σωλήνα (CRT) από το M.I.T. 19

4 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης M. Heilig Sensorama Ivan Sutherland HMD 1956 O Morton Heilig κατασκευάζει το Sensorama: Σύστηµα που συνδύαζε προσοµοίωση του Μανχάταν µε τρισδιάστατα γραφικά, στερεοφωνικό ήχο, δόνηση, αίσθηση ανέµου και όσφρησης Η εταιρεία Boeing Corporation πρωτοχρησιµοποιεί τον όρο γραφικά Η/Υ ('computer graphics') Πρώτη χρήση ολοκληρωµένων κυκλωµάτων σε εµπορικές εφαρµογές Η/Υ. Headlight Television της Philco Corp. Σύστηµα παρακολούθησης κλειστού κυκλώµατος τηλεόρασης µε οθόνη σε κράνος συνδεδεµένη µε κάµερα και συγχρονισµό κινήσεων κεφαλιού µε κάµερα µε τη βοήθεια αισθητήρων κίνησης και προσανατολισµού Πρώτο γάντι για εκπαίδευση δακτυλογράφησης µε το τυφλό σύστηµα από την ΙΒΜ 1965 Εκδίδεται το βιβλίο του Ivan Sutherland "The Ultimate Display" Κατασκευάζεται η απτική οθόνη (haptic display) µε δυναµική ανάδραση (force feedback) GROPE system, από το Univ. of North Carolina για την οπτικοποίηση µοριακών δοµών χηµικών ενώσεων Ο Ivan Sutherland κατασκευάζει στο Harvard Univ. ένα HMD που οδηγείται από Η/Υ και περιλαµβάνει σύστηµα (µηχανικών) αισθητήρων θέσης του κεφαλιού Έναρξη παραγωγής προσοµοιωτών πτήσης µε γραφικά από Η/Υ: Redifon Ltd. Μεγάλη Βρετανία Κατασκευή του οπτικού συστήµατος LEEP (Large Expanse, Extra Perspective) που χρησιµοποιείται ακόµη και σήµερα σε κράνη ΕΠ. LEEP Περιγραφή και υλοποίηση του επικρατέστερου συστήµατος παρακολούθησης θέσης και προσανατολισµού (tracking) 1982 Ο Τhomas Zimmerman κατασκευάζει το πρώτο γάντι εισαγωγής δεδοµένων (data glove) πατεντάροντας σύστηµα οπτικών αισθητήρων που µετρούν την κάµψη και έκταση των δακτύλων Το πρώτο κράνος ΕΠ που επιτρέπει υπέρθεση πληροφορίας στο περιβάλλον (χωρίς την πλήρη αποκοπή του περιβάλλοντος) από τον Mark Callahan στο MIT. 20

5 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας Ο Myron Krueger δηµοσιεύει το Artificial Reality και δουλεύει πάνω στο VideoPlace William Gibson χρησιµοποιεί τον όρο κυβερνοχώρος "cyberspace" στο βιβλίο του Neuromancer. Ανάπτυξη του VIVED (VIrtual Visual Environment Display) που οδήγησε στο VIEW (Virtual Interactive Environment Workstation) ένα πολυχρηστικό περιβάλλον διεπαφής ανθρώπου µε Η/Υ για την εκπαίδευση αστροναυτών, NASA, ΗΠΑ 1985 Ο Tom Furness παράγει το πρώτο 'εικονικό κόκπιτ αεροσκάφους Ο Jaron Lanier, χρησιµοποιεί για πρώτη φορά τον όρο 'virtual reality'. Το πρώτο εµπορικά διαθέσιµο κράνος ΕΠ Η πρώτη εµπορική εφαρµογή ΕΠ (από τη Division, Μεγάλη Βρετανία) Το πρώτο εµπορικά διαθέσιµο multi-user σύστηµα ΕΠ (επίσης από τη Division) Το πρώτο CAVE σύστηµα παρουσιάζεται στη SIGGRAPH H SGI κατασκευάζει τον πρώτο υπολογιστή της ειδικευµένο σε εφαρµογές ΕΠ µε το όνοµα RealityEngine VRML: πρωτόκολλο που επιτρέπει τη χρήση τρισδιάστατων αντικειµένων και εικονικών χώρων µέσα από το WWW M. Krueger Videoplace VIEW, NASA CAVE System (Στοιχεία από το βιβλίο του John Vince, Virtual Reality Systems, ACM Press, συµπληρωµένα από άλλες πηγές) Για µια αναλυτικότερη και πιο εµπεριστατωµένη παρουσίαση των γεγονότων βλέπε R. Kalawsky (1993). Ιδιότητες Η επιτυχία της ΕΠ στηρίζεται στην υπόθεση ότι ο εγκέφαλος επεξεργάζεται πληροφορίες µε µεγαλύτερη αποτελεσµατικότητα όταν αυτές παρουσιάζονται σε συνδυασµό εικόνας, ήχου και αφής (Hamilton & Smith, 1992). Αυτό είναι που κάνει την ΕΠ διαφορετική από άλλου είδους γραφικές παραστάσεις / απεικονίσεις δηµιουργηµένες από Η/Υ. Βέβαια η κύρια πηγή πληροφορίας παραµένει η εικόνα που µπορεί να παρουσιαστεί σε µία οθόνη υπολογιστή ή και 21

6 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης συστοιχία πανό µεγέθους κινηµατογραφικής αίθουσας. Ένα Εικονικό Περιβάλλον πρέπει να καλύπτει τις ακόλουθες απαιτήσεις σύµφωνα µε τον William Winn (HIT Lab University of Washington): ηµιουργείται από µία βάση δεδοµένων µε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή Επιτρέπει σε σηµαντικό βαθµό την αλληλεπίδραση του χρήστη ενώ το περιβάλλον ανταποκρίνεται στις δράσεις του χρήστη. Οι χρήστες λειτουργούν σε αυτό χρησιµοποιώντας σε µεγάλο βαθµό διαισθητικές µεθόδους εισαγωγής δεδοµένων (intuitive input devices) όπως λόγος, χειρονοµίες και εργαλεία όπως joysticks, space mouse, κλπ. ηµιουργεί µία αίσθηση παρουσίας - πείθει το χρήστη ότι είναι σε ένα άλλο περιβάλλον από το πραγµατικό Αρχικά αυτά τα κριτήρια (τα οποία δεν είναι µοναδικά αλλά χαρακτηριστικά και άλλων περιβαλλόντων / εφαρµογών) φαίνεται να στενεύουν τα πλαίσια εφαρµογής και ορισµού των ΕΠ. Αλλά µόνο ο συνδυασµός τους δίνει τα απαραίτητα στοιχεία για να θεωρηθεί µία κατάσταση Εικονικής Πραγµατικότητας. Σύµφωνα µε τον Zeltzer (1992) οι τρεις παράγοντες που ορίζουν ένα επιτυχηµένο Ε.Π. είναι η Αυτονοµία, η Αλληλεπίδραση και η Αίσθηση παρουσίας. Ισχυρίζεται ότι οι τρεις αυτοί παράγοντες πρέπει να είναι παρόντες ισορροπηµένα και σε µεγάλο βαθµό. Αξίζει να αναλύσουµε το τρίτο παράγοντα, την αίσθηση παρουσίας, για τον οποίο ο Zeltzer πίστευε ότι τα γραφικά πρέπει να εµπεριέχουν ρεαλιστικά στοιχεία συµπεριφοράς όπως γνώση µιας γκάµας ρεαλιστικών κινήσεων και σχέσεις σκελετού/αρθρώσεων. Αυτά οδηγούν σε µια ρεαλιστική ανάλυση των διαφόρων κινήσεων του ανθρώπινου σώµατος και είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο η δουλειά του θεωρείται ιδιαίτερα σηµαντική στους κύκλους animation. Σύµφωνα µε τη θεώρηση αυτή, η ρεαλιστική συµπεριφορά και κίνηση των στοιχείων ενός ΕΠ (κυρίως µε βάση τους κανόνες της φυσικής) είναι σηµαντικότερη και ποιο πειστική οπτική µεταφορά από τη χρήση υφών υψηλής ανάλυσης. Εξελίσσοντας την ανάλυση του Zeltzer, πιο πρόσφατα, ο Heim (1998) αναγνωρίζει ως τα κύρια 22

7 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας χαρακτηριστικά ενός Ε.Π. τα τρία i immersion (εµβύθιση), interaction (αλληλεπίδραση) και information intensity (πυκνότητα / πληρότητα πληροφορίας). Η εµβύθιση οφείλεται στις συσκευές που αποµονώνουν τις αισθήσεις σε βαθµό που κάνουν το χρήστη να αισθάνεται ότι έχει µεταφερθεί σε ένα νέο περιβάλλον. Η αλληλεπίδραση στηρίζεται στη δυνατότητα του Η/Υ να αλλάξει τα δεδοµένα της σκηνής στην οποία κινείται ο χρήστης ακαριαία - όσο σύντοµα ο άνθρωπος µπορεί να αλλάξει την πραγµατική του θέση και γωνία θέασης στο πραγµατικό περιβάλλον. Τέλος η πυκνότητα πληροφοριών είναι η αντίληψη ότι σε ένα εικονικό περιβάλλον υπάρχουν ιδιαίτερες δυνατότητες όπως η τηλεµεταφορά ή και η ύπαρξη συνθετικών λογικών οντοτήτων µε αντιληπτικές ικανότητες και συµπεριφορές. Συνεπώς η συνεχής ανανέωση των πληροφοριών / δεδοµένων υποστηρίζει την εµβύθιση και αλληλεπίδραση-φυσικά για να επιτευχθεί αυτό, η ύπαρξη Η/Υ είναι απαραίτητη. Η αλληλεπίδραση µε τον Η/Υ γίνεται µέσω της οθόνης, του πληκτρολογίου και του ποντικιού τα οποία αντικαθίστανται µε µικρές φορητές οθόνες, τρισδιάστατα συστήµατα εισόδου δεδοµένων (γάντια, τρισδιάστατο ποντίκι, κοκ) και ακουστικά. Έτσι καλύπτονται σε ένα βαθµό (και µε διαφορετικά ποσοστά επιτυχίας τα οποία θα αναλυθούν αργότερα) οι τρεις από τις πέντε αισθήσεις: όραση, αφή και ακοή αντίστοιχα. Συνεπώς στην ΕΠ ο Η/Υ επιδρά µε τις αισθήσεις µας, οι οποίες σε µία αµφίδροµη σχέση διαχειρίζονται τη βάση δεδοµένων του ΕΠ στον Η/Υ. Το θέµα της πυκνότητας και πληρότητας της παρουσιαζόµενης πληροφορίας καθορίζουν τα αναπαραστατικά στοιχεία και οι περιγραφές των αντικειµένων που συναντά ο χρήστης µέσα στο ΕΠ. Όπως εξηγεί ο Heim (1998) "Η Εικονική Πραγµατικότητα είναι ένας αναπτυσσόµενος χώρος εφαρµοσµένης έρευνας" αν και στην καθηµερινή ζωή χρησιµοποιείται κυρίως για να περιγράψει µη ρεαλιστικούς χώρους και πνευµατικές καταστάσεις που είναι δυνατόν να σχεδιαστούν / περιγραφούν και παρουσιαστούν σε συστήµατα ολικής εµβύθισης. Τέλος µία πολύ σηµαντική ιδιότητα των ΕΠ είναι αυτή του τρισδιάστατου χαρακτήρα τους. Η δυνατότητα προσοµοίωσης και συσχέτισης µε το φυσικό περιβάλλον όσον αφορά τις ανθρώπινες αισθήσεις προϋποθέτει την ύπαρξη των τριών 23

8 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης διαστάσεων στο σχεδιασµό των ΕΠ. Η δυνατότητα αναγωγής των αισθητήριων µηχανισµών του ανθρώπου σε ένα άλλο σύστηµα (το πιθανότερο δισδιάστατο) αφαιρεί αυτοµάτως ένα µεγάλο ποσοστό της ικανότητας εµβύθισης και αλληλεπίδρασης σύµφωνα µε τον τρόπο που ορίστηκαν στις προηγούµενες παραγράφους. Συνεπώς, τα ΕΠ είναι τρισδιάστατες κατασκευές, µε χωρικές ποιότητες και δυνατότητες σε ένα βαθµό συµβατές µε το φυσικό περιβάλλον. Φυσιολογία και Αντίληψη Για να γίνουν κατανοητές οι τεχνικές που χρησιµοποιούνται στα συστήµατα ΕΠ, πρέπει να προηγηθεί µια µικρή ανασκόπηση στη φυσιολογία του ανθρώπινου σώµατος και των µηχανισµών συλλογής ερεθισµάτων από το περιβάλλον. Συνεπώς στις επόµενες παραγράφους αναλύεται η οπτική, ακουστική απτική και κιναισθητική αντίληψη. Η ανάλυση που ακολουθεί είναι σε σηµαντικό βαθµό στηριγµένη στο κεφάλαιο 3 του βιβλίου του Roy Kalawsky (σελ ). Οπτική Αντίληψη Η όραση είναι το σηµαντικότερο από τα πέντε κανάλια επικοινωνίας του ανθρώπινου σώµατος µε το περιβάλλον. Το εύρος φάσµατος (bandwidth) δεδοµένων του καναλιού αυτού είναι τάξεις µεγέθους ευρύτερο από αυτά των άλλων αισθήσεων (στην κλίµακα των Gigabits). Σαν αποτέλεσµα, ο ανθρώπινος οργανισµός στηρίζεται σε πολύ µεγάλο βαθµό στις πληροφορίες που συλλέγουν τα µάτια έχοντας ένα ιδιαίτερα ευαίσθητο και κριτικό σύστηµα όρασης. Ο αισθητήρας αυτός καθαυτός είναι αρκετά απλός στη λογική λειτουργίας του µε το οπτικό σήµα να ρυθµίζεται σε φωτεινότητα µέσω της ίριδας η οποία προστατεύεται από το κερατοειδή χιτώνα στο εµπρός τµήµα του οργάνου. Το σήµα αυτό στη συνέχεια περνά από το κρυσταλλοειδή φακό ο οποίος το εστιάζει και το προβάλλει στο φωτοευαίσθητο τµήµα του οργάνου, τον Ανατοµία Ματιού (R.Kalawsky σελ.45) αµφιβληστροειδή χιτώνα. Εκεί υπάρχουν οι απολήξεις του οπτικού νεύρου και 24

9 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας µετατρέπεται η προσπίπτουσα ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία του ορατού οπτικού φάσµατος σε νευρικά σήµατα. Η µετατροπή αυτή γίνεται µε δύο ειδών «συλλέκτες»: τα ραβδία ιδιαίτερα ευαίσθητα στις χαµηλές εντάσεις σήµατος, αχρωµατικά, εξαπλωµένα σε µεγάλη έκταση του αµφιβληστροειδούς και τα κονία συγκεντρωµένα γύρω από τη φοβέα και υπεύθυνα για τα σήµατα ισχυρής έντασης, το χρώµα και την οξύτητα της αντίληψης. Ακολουθεί επιγραµµατική παράθεση σειράς ιδιοτήτων / ιδιοτυπιών / χαρακτηριστικών του οπτικού συστήµατος που σχετίζονται µε τα συστήµατα εµβύθισης που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. Προσαρµοστικότητα: Φωτεινή ευαισθησία µε µια δυναµική περιοχή εύρους τιµή που δεν µπορεί να φτάσει κανένας τεχνητός αισθητήρας. Βάθος Πεδίου: Η ικανότητα του µατιού σε ηρεµία να διακρίνει καθαρά αντικείµενα που βρίσκονται σε απόσταση από 6 µέτρα έως το άπειρο. Για να εστιάσει σε µικρότερες αποστάσεις, το µάτι υποχρεώνεται να κυρτώσει τον κρυσταλλοειδή φακό και παράλληλα τα δύο µάτια να συγκλίνουν προς το αντικείµενο. Υψηλότερες φωτεινές εντάσεις µειώνουν τη διάµετρο της κόρης, βελτιώνοντας το βάθος πεδίου. Πεδίο όρασης: Το ανθρώπινο µάτι σε ηρεµία έχει πεδίο όρασης 120 ο κατακόρυφα και 150 ο οριζόντια. Τα δύο µάτια µαζί ανεβάζουν το οριζόντιο πεδίο στις 200 ο ενώ η οξεία όραση εκτείνεται σε ένα ιδιαίτερα µικρό πεδίο. Τα πεδία αυτά µπορούν να µεγαλώσουν µε κινήσεις των µατιών, το κεφαλιού και φυσικά ολόκληρου του σώµατος. Στερεοσκοπική όραση: Η επικάλυψη του πεδίου όρασης των δύο µατιών δηµιουργεί στερεοσκοπική όραση σε περίπου 120 ο οριζόντια. Η στερεοσκοπική όραση δεν είναι πάντα απαραίτητη για την αντίληψη του βάθους όπως έχει αποδειχθεί και πειραµατικά. Χωρική αντίληψη: Η διάταξη των αντικειµένων σε ένα ΕΠ οδηγεί σε παραδοχές ως προς βασικά δεδοµένα χωροθέτησης και διάταξης. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση της βαρύτητας όπου η έλλειψη απαραίτητων οπτικών νύξεων (visual cues) οδηγεί σε αποπροσανατολισµό του χρήστη µε τα οπτικά δεδοµένα να υπερκαλύπτουν τα φυσιολογικά (λαβυρινθικά). Οξύτητα στερεοσκοπίας: Η αναλυτική ικανότητα της όρασης να διαχωρίζει τις αποστάσεις αντικειµένων σε µικρή απόσταση µεταξύ τους. 25

10 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης Επηρεάζεται από φωτεινότητα, θέση ειδώλου στον αµφιβληστροειδή, πεδίο όρασης, προσανατολισµό και πλευρική κίνηση του αντικειµένου. Οπτική αντίληψη κίνησης: Η αντιληπτική ικανότητα της σύνθεσης σταθερών αντικειµένων στο πεδίο όρασης του χρήστη καθώς αυτός κινείται στο χώρο. Η αδυναµία εικονικών περιβαλλόντων να προσοµοιώσουν µε ακρίβεια τη θέση/προοπτική αυτή καταστρέφει αίσθηση εµβύθισης στο ΕΠ καθώς και την ικανότητα αντίληψης της κίνησης, ταχύτητας και, σε ένα βαθµό, ύψους κίνησης του χρήστη πάνω από το έδαφος. Παράλληλα η παράλλαξη κίνησης είναι ο πλέον δόκιµος τρόπος αντίληψης βάθους και απόστασης από αντικείµενα ειδικά για µεγέθη άνω των 500 µέτρων. Χρονική αναγωγή: Το µάτι αντιδρά σε δυναµικές αλλαγές ερεθισµάτων, φωτεινής έντασης µε ταχύτητα και πιστότητα λόγω της χρήσης δύο διαφορετικών συστηµάτων συλλεκτών. Το υψηλής ευαισθησίας, υψηλής αντίδρασης, αργής έκθεσης µονοχρωµατικό σύστηµα των ραβδίων και το χαµηλής ευαισθησίας, µικρής αντίδρασης, σύντοµης έκθεσης έγχρωµο σύστηµα των κονίων. Χρωµατική αντίληψη: Η ικανότητα διαχωρισµού και αντίληψης των τριών χαρακτηριστικών γνωρισµάτων του χρώµατος: της απόχρωσης, της χρωµατικής καθαρότητας (κορεσµού) και τέλος της φωτεινότητας/έντασης. Η ικανότητα αυτή επηρεάζεται από τη: προηγούµενη έκθεση σε χρωµατισµένες φωτεινές πηγές θέση του ειδώλου στον αµφιβληστροειδή, όσο πιο έκκεντρα τόσο µεγαλύτερη έκταση πρέπει να καταλαµβάνει διάρκεια έκθεσης Είναι αξιοσηµείωτη η ευαισθησία του οπτικού συστήµατος σε ατέλειες συστηµάτων υποβοήθησης, αντικατάστασης / αποκοπής από το φυσικό περιβάλλον (τυπικά συστήµατα εµβύθισης) καθώς διαφόρων ειδών ανωµαλίες στο εικονικό οπτικό περιβάλλον µπορούν να αποσυντονίσουν και εν γένει ενοχλήσουν την οπτική αντιληπτική διαδικασία (συνήθως σφάλµατα απεικόνισης, ακρίβειας προοπτικής, ταχύτητας ανανέωσης εικόνας, κλπ). Τέλος, η µηχανική και ηλεκτρική διέγερση του συστήµατος µπορεί να προξενήσει οπτικά αισθήµατα, αστράκια, χρώµατα, κλπ 26

11 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας Ακουστική Αντίληψη Η ακοή είναι το σηµαντικότερο κανάλι επικοινωνίας του ανθρώπινου σώµατος µε το περιβάλλον µετά την όραση. Η δυναµική περιοχή στην οποία λειτουργεί εκτείνεται έως τα 110dB µε µία διακριτικότητα µικρότερη από 1dB σε όλο το ακουστό φάσµα επίδοση ακατόρθωτη από ηλεκτροµηχανικά συστήµατα συλλογής ηχητικών σηµάτων. Ανατοµία Αυτιού (R.Kalawsky σελ.69) Το αισθητήριο όργανο είναι περιπλοκότερο αυτού της όρασης και χωρίζεται σε τρία µέρη: το εξωτερικό, το µέσο και το εσωτερικό. Το εξωτερικό περιλαµβάνει το πτερύγιο που λειτουργεί σαν συλλέκτης σηµάτων και τα οδηγεί µέσω του εξωτερικού καναλιού στο τύµπανο. Λειτουργεί σαν ένα γραµµικό φίλτρο που κωδικοποιεί τα χωρικά δεδοµένα του ήχου µε χρονικά και φασµατικά χαρακτηριστικά. Οι αισθητήρες ακοής συλλέγουν ήχους και από τα οστά του κροτάφου οστική αγωγιµότητα. Στο εξωτερικό αυτί το ηχητικό σήµα υπόκειται σε διάθλαση, διάχυση, παρεµβολή, απόκρυψη, ανάκλαση και τέλος αντήχηση. Το µέσο τµήµα του οργάνου είναι το µεταβατικό στάδιο µεταξύ του συλλέκτη και του επεξεργαστή των ηχητικών σηµάτων. Η µεταφορά/ενίσχυση του σήµατος γίνεται µέσω τριών µικρών οστών της σφύρας, του άκµονα και του αναβολέα. Το εσωτερικό τµήµα απαρτίζεται από τον κοχλία και τις τριχοειδείς απολήξεις του ακουστικού νεύρου. Λειτουργώντας σαν ένας µικρός µηχανικός ενισχυτής, οι διαφορές πίεσης µέσα στον κοχλία δηµιουργούν ερεθίσµατα στο κοχλιακό νεύρο. Στο άνω άκρο του εσωτερικού τµήµατος βρίσκεται και ο λαβύρινθος ένα σύστηµα µε τρεις ηµικυκλικούς σωλήνες που είναι υπεύθυνο για την ισορροπία και άλλες αυτόµατες λειτουργίες του οργανισµού και στον οποίο καταλήγει το αιθουσαίο νεύρο. Τα χαρακτηριστικά της ακοής που σχετίζονται µε τα συστήµατα εµβύθισης είναι: Ακουστική εστίαση /εντοπισµός πηγής: Οι δύο κύριοι τρόποι εντοπισµού ηχητικής πηγής έχουν σχέση µε την ύπαρξη δύο αισθητήριων οργάνων και είναι: υναµική διαφοροποίηση του ηχητικού σήµατος στα δύο αυτιά η ένταση του σήµατος στο αυτί µακρύτερα από τη πηγή µπορεί να είναι έως 40dB µικρότερη από 27

12 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης του άλλου. Λειτουργεί καλύτερα σε υψηλές συχνότητες χρονική υστέρηση σήµατος η διαφορά φάσης µεταξύ των δύο σηµάτων, µπορεί να φτάσει τα 0.7ms. Λειτουργεί καλύτερα για ευρέα φάσµατα ήχων και όχι για απλούς τόνους, ενώ έχει σηµασία η µορφή και το µέγεθος του κεφαλιού. Είναι αξιοπρόσεκτο ότι καθώς µεγαλώνει η απόσταση από την ηχητική πηγή η ικανότητα εστίασης µειώνεται και στηρίζεται σε παράπλευρες δράσεις κύρια την κίνηση του κεφαλιού. Ανάλυση φάσµατος συχνοτήτων: Ικανότητα ανάλυσης ηχητικών σηµάτων σε διακριτά τµήµατα συχνοτήτων. Το ακουστικό σύστηµα έχει παροµοιαστεί µε µια σειρά από φίλτρα συχνοτήτων µικρού εύρους. Τονικός διαχωρισµός: Ικανότητα αντίληψης διαφορετικών τόνων είναι ιδιαίτερα υψηλή 0.3% για τη κλίµακα 1KHz έως 3KHz αλλά µειώνεται σηµαντικά στα άκρα του ακουστού φάσµατος. Απτική και Κιναισθητική Αντίληψη Η αφή ακριβέστερα η δερµατική ευαισθησία αναφέρεται στη µηχανική επαφή µε το δέρµα και είναι µια ιδιαίτερα περίπλοκη και πολυµεταβλητή αντιληπτική ικανότητα. Λόγω της περιπλοκότητας, των ιδιαιτεροτήτων του θέµατος και της σχετικά χαµηλής εµπλοκής στο σχεδιασµό ΕΠ, η ανάλυση που ακολουθεί είναι ιδιαίτερα συνοπτική. Το δέρµα είναι ο ιστός 1-2 χιλιοστά κάτω από την εξωτερική επιφάνεια του σώµατος, την επιδερµίδα, έχει βαθµό ευαισθησίας διαφορετικό ανάλογα µε τη περιοχή και διεγείρεται µε τριών ειδών µηχανικά ερεθίσµατα: Εκτεταµένη µετακίνηση για διακριτή χρονική περίοδο Παροδική µετακίνηση (µερικών χιλιοστών δευτερολέπτου) Περιοδική µετακίνηση µε συγκεκριµένο ή µεταβαλλόµενο ρυθµό επανάληψης Οι αισθητήριοι δέκτες που υπάρχουν στο δέρµα διαχωρίζονται στους ταχείας προσαρµογής (φασικούς) για την πίεση, αφή και όσφρηση και στους αργής προσαρµογής (τονικούς) για τον πόνο και τη θέση του σώµατος. Οι τελευταίοι έχουν την ιδιότητα σε ορισµένες περιπτώσεις να παραµένουν σε διέγερση ακόµη και αφού το εξωτερικό ερέθισµα έχει πάψει. Γενικά η απτική αντίληψη στηρίζεται στη ολοκλήρωση πολλών µικροµετρικών δεδοµένων και στη σύνθεση µιας γενικής 28

13 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας «εικόνας» των επιφανειών και αντικειµένων που έρχονται σε επαφή το σώµα. Κιναισθησία είναι η αντίληψη των κινήσεων (ρυθµός και κατεύθυνση) και σχετικών θέσεων των διαφορετικών µελών του σώµατος. Η αντίληψη αυτή συντίθεται από µυϊκά και απτικά δεδοµένα µέσω αισθητήρων στις αρθρώσεις, στο δέρµα και στους µύες σε συνεργασία µε οπτικά δεδοµένα. Είναι αξιοσηµείωτο ότι στη δηµιουργία ενός νοητικού χάρτη των θέσεων µελών και αρθρώσεων την αισθητηριακή πληροφόρηση συµπληρώνει σε µεγάλο βαθµό η µνήµη. Αυτό έχει ιδιαίτερη σηµασία στο σχεδιασµό και υλοποίηση ΕΠ καθώς η εµβύθιση διαταράσσει τη ροή πληροφορίας από τους αισθητήρες προς τον εγκέφαλο. Εικονική Παρουσία Το ζητούµενο σε ένα ΕΠ είναι η, στον υψηλότερο δυνατό βαθµό, δηµιουργία της αίσθησης παρουσίας που η εµπειρία κατατάσσει σε: Μερική παρουσία όπου ο χρήστης εξακολουθεί να έχει αντίληψη του περιβάλλοντος χώρου και δρώµενων που συνήθως οφείλεται σε κακό σχεδιασµό του περιβάλλοντος, µη διαισθητικά συστήµατα αλληλεπίδρασης (π.χ. απλό δισδιάστατο ποντίκι για χειρισµό κίνησης, περιορισµένες δυνατότητες προσοµοίωσης συνθηκών κίνησης και αλληλεπίδρασης, σύστηµα οπτικής εµβύθισης που είναι βαρύ, δυσκίνητο ή ακόµη δηµιουργεί αίσθηµα πόνου µετά από µακρόχρονη χρήση) κοκ. Πλήρη παρουσία η οποία επιτυγχάνεται σταδιακά φτάνοντας στο επιθυµητό αποτέλεσµα συνήθως µετά από µερικά λεπτά και όπου η εµπειρία διαρκεί συνολικά αρκετό χρονικό διάστηµα. Το σενάριο, η υπόθεση του ΕΠ είναι ένας ιδιαίτερα σοβαρός παράγοντας (ο λόγος που µία κινηµατογραφική ταινία στην σκοτεινή αίθουσα προβολής όπου δεν υπάρχουν άλλα ερεθίσµατα για να αποσπάσουν τη προσοχή του θεατή µπορεί να δηµιουργήσει αντίστοιχο αίσθηµα εµβύθισης / συµµετοχής). Ο σχεδιασµός, η κατάλληλη επιλογή οπτικών γωνιών, η ηχητική επένδυση παίζουν σηµαντικό ρόλο. Είναι προφανές ότι η τεχνολογία των συστηµάτων διεπαφής παίζει ένα σηµαντικό ρόλο αλλά δεν είναι πανάκεια ένα ελλιπές και αδιάφορα σχεδιασµένο περιβάλλον δεν θα επιτύχει ανεξάρτητα από τη ποιότητα του τεχνικού υποσυστήµατός του. Πρέπει να κατανοήσουµε τον τρόπο που ο άνθρωπος αλληλεπιδρά µε το φυσικό περιβάλλον και πως 29

14 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης αλλάζει συµπεριφορά όταν στοιχεία του φυσικού ή στη περίπτωσή µας του εικονικού περιβάλλοντος αλλάζουν. Ο S. Ellis ερευνητής στη NASA και ανάµεσα στους πρωτοπόρους της έρευνας φυσιολογίας σε σχέση µε ΕΠ ισχυρίζεται ότι: Η γνώση εµπλουτίζεται συνεχώς από ένα συνδυασµό οπτικο-κινητικού συντονισµού και λαβυρινθικών αντανακλαστικών. Σε µεγάλο βαθµό η αίσθηση της πραγµατικότητας του ανθρώπινου οργανισµού είναι αποτέλεσµα περίπλοκων νοητικών διεργασιών και όχι το απλό αποτέλεσµα των άµεσων αισθητηριακών πληροφοριών (Ellis, 1993). Στα ίδια πλαίσια ο Sheridan (1992) αναφέρει ότι η αίσθηση παρουσίας είναι ένα υποκειµενικό αίσθηµα, µία νοητική έκφραση και συνεπώς δεν υπόκειται σε αντικειµενικούς ορισµούς και µετρήσεις. Ταξινόµηση ΕΠ Όσον αφορά στην κατασκευή και τις δυνατότητες των ΕΠ, µπορούν να ταξινοµηθούν σε τρεις ενότητες: Παθητικό όπου ο χρήστης συµµετέχει (ως εξωτερικός παρατηρητής) σε ένα ΕΠ το οποίο µπορεί να κινείται γύρω του, να διαθέτει εικόνα, ήχο ακόµη ίσως και αφή. Το σηµαντικό στοιχείο είναι ότι ο χρήστης δεν µπορεί να ελέγξει/ επέµβει στη κίνηση (walk/fly-throughs, αρχιτεκτονικά animations, κοκ) Εξερευνητικό. Σε αυτή τη κατηγορία ανήκει η πλειοψηφία των περιβαλλόντων που υπάρχουν σήµερα. Ο χρήστης ορίζει την κίνηση στο χώρο και µπορεί να εξερευνήσει να µετακινηθεί ελεύθερα µέσα στο περιβάλλον. ιαδραστικό. Η τελευταία και σηµαντικότερη κατηγορία όπου ο χρήστης µπορεί να κάνει αυτά που περιγράφθηκαν στην προηγούµενη κατηγορία µε την επιπλέον δυνατότητα να µεταβάλει το περιβάλλον. Αυτό µπορεί να σηµαίνει απλά µετακίνηση στοιχείων του ΕΠ, έως την αφαίρεσή τους, προσθήκη άλλων κοκ. Τυπολογία ιεπαφής Συστηµάτων ΕΠ Η σηµαντικότερη κατηγοριοποίηση ΕΠ βασίζεται στη µέθοδο διεπαφής µε το χρήστη. Πέντε διαφορετικά συστήµατα παρουσιάζονται σε αυτή την ενότητα. 30

15 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας Window on World (WoW) ή Desktop VR είναι το σύστηµα όπου απλά χρησιµοποιείται µία οθόνη Η/Υ για την οπτικοποίηση του ΕΠ. Ο Ivan Sutherland σε δηµοσίευσή του το 1965 αναφέρει: «πρέπει να βλέπουµε την οθόνη σαν ένα παράθυρο µέσα από το οποίο ερχόµαστε σε επαφή µε το ΕΠ. Η πρόκληση είναι να κάνουµε την εικόνα και τον ήχο να µοιάζουν αληθινά και τα αντικείµενα να αντιδρούν σαν αληθινά». Video Mapping παραλλαγή της προηγούµενης κατηγορίας, όπου βίντεο της σιλουέτας του χρήστη συνδυάζεται µε την εικόνα που παράγεται από τον Η/Υ. Με αυτό τον τρόπο, ο χρήστης έχει µία µεγαλύτερη αίσθηση παρουσίας καθώς βλέπει το ίδιο του το σώµα να αλληλεπιδρά µε το εικονικό περιβάλλον. Ο Myron Kruger έχει ασχοληθεί ιδιαίτερα µε αυτή τη µεθοδολογία από τα τέλη της VideoPlace (M.Kruger) δεκαετίας του 60. Πλήρους εµβύθισης (Immersive Systems) αποκαλούνται τα συστήµατα που ο χρήστης είναι πλήρως αποκοµµένος από τον πραγµατικό κόσµο. Συνήθως χρησιµοποιούνται κράνη (Head mounted displays, HMD) που καλύπτουν το οπτικοακουστικό τµήµα της διεπαφής. Το κράνος αυτό, που έχει αισθητήρες κίνησης και προσανατολισµού, µπορεί να είναι ελεύθερο ή και στηριγµένο σε σύστηµα ράβδων και κόµβων. Τηλεπαρουσία (Telepresence) είναι µια παραλλαγή των συστηµάτων πλήρους εµβύθισης όπου αισθητήρες σε ένα πραγµατικό περιβάλλον συνδέονται µε ένα χρήστη σε διαφορετικό χώρο αλλά ίδιο χρόνο. Οι αισθητήρες µπορεί να είναι τοποθετηµένοι σε ροµπότ και έτσι να αποφεύγεται η εµπλοκή ανθρώπινου δυναµικού σε επικίνδυνες καταστάσεις. Viewing System (Scott Fisher NASA, 1990) Τηλεπαρουσία (Casino Royal) 31

16 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης Μεικτή Πραγµατικότητα (Mixed or Augmented Reality) όπου πλήρης εµβύθιση συνδυάζεται µε τηλεπαρουσία. Οι οπτικοποιήσεις του Η/Υ συνδυάζονται είτε µε πληροφορίες µέσω τηλεπαρουσίας, ή µε εικόνες του πραγµατικού κόσµου. Τυπικές εφαρµογές είναι η υπέρθεση γραφικών, χαρτών και άλλων ψηφιακών δεδοµένων στο κράνος πιλότων πολεµικής αεροπορίας (Heads up display, HUD) ή και στο κόκπιτ, εικόνες και δεδοµένα από υπερηχογράφηση σε χειρούργο εγκεφάλου, κοκ. Augmented Reality Tο τελικό στάδιο εξέλιξης των συστηµάτων διεπαφής θα είναι η απευθείας σύνδεση Η/Υ µε τον εγκέφαλο (διαδικασία cyborging). Η τρέχουσα τεχνολογία αιχµής είναι η χρήση ακτίνων laser απευθείας στην ίριδα του µατιού για τη δηµιουργία του ειδώλου (retinal scan). Τεχνολογικές Υποδοµές ΕΠ Οι απαιτήσεις των συστηµάτων ΕΠ σε εξελιγµένα υπολογιστικά και γραφικά συστήµατα Η/Υ είναι από τους κύριους λόγους για το κόστος και το βαθµό διείσδυσης στις σύγχρονες εφαρµογές υπολογιστών. Γραφικός εξοπλισµός είναι η πλέον σηµαντική παράµετρος ενός συστήµατος ΕΠ. εδοµένου ότι η κύρια µορφή επικοινωνίας µε τον Η/Υ είναι η εικόνα, η ποιότητα και ανάλυσή της επηρεάζουν σε µεγάλο βαθµό το τελικό αποτέλεσµα. Ο τρίτος παράγοντας που διαφοροποιεί ένα σύστηµα ΕΠ από µία απλή γραφική απεικόνιση είναι ο ρυθµός ανανέωσης της εικόνας frame rate. Για να επιτευχθεί οµαλή κίνηση και αίσθηση συµµετοχής (εµβύθισης) στο ΕΠ, απαιτείται ανανέωση της πληροφορίας µε ένα ρυθµό που να αγγίζει ή και να ξεπερνά αυτό του κινηµατογραφικού φιλµ (και φυσικά του τηλεοπτικού σήµατος) δηλαδή φορές το δευτερόλεπτο (συνήθως αναφέρεται σε frames per second, fps). Η πρόσφατη τάση σε περιβάλλοντα παιχνιδιών (computer games) να χρησιµοποιούν ΕΠ, σε συνδυασµό µε τη δραµατική αύξηση της απόδοσης των σύγχρονων Η/Υ και τις βελτιώσεις στο γραφικό υποσύστηµά τους έχει 32

17 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας µειώσει το απαγορευτικό κόστος των custom VR συστηµάτων κάνοντάς τα προσβάσιµα σε ένα ευρύτερο κοινό. Εξαρτήµατα διεπαφής και ελέγχου είναι απαραίτητα για τη σωστή ανανέωση της θέσης και των κινήσεων του χρήστη µέσα στο ΕΠ. Είναι φανερό ότι τα συµβατικά δισδιάστατα µέσα (ποντίκι, πληκτρολόγιο) είναι ακατάλληλα καθώς είναι απαραίτητες τρεις µετρήσεις θέσης (Χ, Υ, Ζ) και τρεις προσανατολισµού (roll, pitch, yaw). Παρόλ αυτά εξακολουθούν να χρησιµοποιούνται λόγω απλότητας και ευκολίας µε τη βοήθεια περίπλοκων προγραµµάτων. Η προτεινόµενη λύση είναι τα τρισδιάστατα ποντίκια, µε έξι βαθµούς ελευθερίας. Η δυνατότητα επεξεργασίας ΕΠ και διαµόρφωσης, επέµβασης σε στοιχεία αυτού διευκολύνεται µε το Data Glove (γάντι δεδοµένων) Τα γάντια αυτά έχουν αισθητήρες για τη, θέση και κατάσταση των δακτύλων, καθώς και για θέση και προσανατολισµό ολόκληρου 6 Βαθµοί Ελευθερίας (Aukstakalnis, σ.30) του χεριού. Οι αισθητήρες αυτοί µπορεί να είναι µηχανικοί, υπερήχων, µαγνητικοί, οπτικοί ακόµη και αδρανείας και χρησιµοποιούνται για την ακριβή τοποθέτηση του χρήστη στο ΕΠ. Στερεοσκοπική εικόνα εξυπηρετεί την ανάγκη για λεπτοµέρεια, ευκρίνεια και αίσθηση του βάθους πεδίου σε ένα τρισδιάστατο εικονικό περιβάλλον. Η βασική ιδέα είναι η δηµιουργία δύο διαφορετικών εικόνων του ΕΠ µία για κάθε µάτι µε διαφορετικό σηµείο όρασης για κάθε µία που απέχουν όσο και τα δύο µάτια στο ανθρώπινο σώµα. Έτσι το ζήτηµα ανάγεται στο πώς µπορούν να παρουσιαστούν αυτές οι δύο εικόνες στο θεατή. Οι κύριες µέθοδοι που έχουν χρησιµοποιηθεί είναι: Προβολή εικόνων επεξεργασµένων µέσω διαφορετικών πολωµένων φίλτρων. Συµπληρωµατικά φίλτρα χρησιµοποιούνται από το θεατή για την ανασύνθεση των εικόνων αυτών Επάλληλη προβολή εικόνων σε συµβατική οθόνη. Ο θεατής χρησιµοποιεί γυαλιά µε φακούς υγρών κρυστάλλων τα οποία εναλλακτικά διακόπτουν την εικόνα σε κάθε 33

18 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης µάτι σε συνδυασµό µε την οθόνη. Με δεδοµένη συχνότητα αλλαγής πάνω από 60 φορές το δευτερόλεπτο, το κάθε µάτι συλλέγει σήµα 30 φορές µε αποτέλεσµα ο εγκέφαλος να µπορεί να συνθέσει αυτές τις εικόνες σε µία συνεχή εµπειρία. ιαχωρισµός τυπικής οθόνης υπολογιστή. Οι δύο εικόνες προβάλλονται ταυτόχρονα (συνήθως χρησιµοποιούν λιγότερο από το µισό της οθόνης του Η/Υ για να µπορέσουν να κρατήσουν τις σωστές αναλογίες) και µε τη βοήθεια ειδικού εξαρτήµατος που προσαρµόζεται στην οθόνη το κάθε µάτι βλέπει µόνο το κατάλληλο τµήµα της οθόνης. Ο χρήστης έχει µεν µια στερεοσκοπική εµπειρία υψηλής ανάλυσης και ποιότητας αλλά ιδιαίτερα άκαµπτης στο τρόπο που αποδίδεται. Κράνη (Head mounted displays- HMDs) είναι το φυσικό ακόλουθο της στερεοσκοπικής εικόνας που µόλις αναλύθηκε. ύο ξεχωριστές οθόνες µία σε κάθε µάτι παρουσιάζουν διαφορετικές εικόνες από το ΕΠ µε τη σωστή παράλλαξη. Η βασική διαφορά από τη προηγούµενη κατηγορία είναι ότι ο χρήστης είναι ελεύθερος να κινηθεί στο χώρο (περιορισµένος µόνον από τις καλωδιώσεις του κράνους). Για να ολοκληρωθεί η πολυδιάστατη εµπειρία του ΕΠ, τα κράνη διαθέτουν ηχεία (µε στερεοφωνικό ήχο) και trackers για τη καταγραφή θέσης και προσανατολισµού. Για την ιστορία, ο Ivan Sutherland κατασκεύασε το πρώτο HMD το για την εταιρεία BELL Helicopters συνδέοντας υπέρυθρες κάµερες στα visors συνδεδεµένες µε σερβοµηχανισµό µε το κεφάλι του πιλότου και επιτρέποντάς του έτσι να προσγειώνει το ελικόπτερό του µε βάση τις εικόνες από τις κάµερες που βρίσκονταν στο σκάφος και όχι της δικής του όρασης. Το επόµενο λογικό στάδιο ήταν η αντικατάσταση κάµερας µε υπολογιστή που οδήγησε τον Sutherland στο πρώτο σύστηµα εµβυθιζόµενης εικονικής πραγµατικότητας (1966). Κριτική Η Εικονική Πραγµατικότητα δεν είναι πανάκεια για σειρά προβληµάτων όπως λίγο πολύ είχαν ισχυριστεί διάφοροι επιστήµονες και µη ναρκωτικά, φοβίες και ψυχολογικές καταστάσεις έως το κυκλοφοριακό, τον αστικό σχεδιασµό, κ.α.! 34

19 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας Ο Βιρίλιο υποστηρίζει ότι η εικονικότητα/ δυνητικότητα (Virtuality) θα καταστρέψει τη Πραγµατικότητα αντί να είναι µία προσοµοίωση, η εικονικότητα είναι η αντικατάσταση της πραγµατικότητας (Kitchin, σ.17). Αν και οι δυνατότητες της τεχνολογίας αυτής είναι τεράστιες, υπάρχουν αρκετά προβλήµατα. Παραµένει µια ακριβή τεχνολογία (ειδικά αν αναλογιστεί κανείς το κόστος κατασκευής του τρισδιάστατου µοντέλου και το βαθµό επεξεργασίας των γραφικών σε σχέση µε το βαθµό ρεαλισµού που αποδίδουν). Είναι ακόµη εµφανής η υστέρηση (latency) µεταξύ κίνησης και αντίδρασης του ΕΠ. Τα εξαρτήµατα που χρησιµοποιούν οι χρήστες χρειάζονται βελτίωση. Όσον αφορά στις επιπτώσεις στους χρήστες, είναι αρκετά νωρίς για να έχουµε ικανοποιητικά στατιστικά δεδοµένα για πιθανές παρενέργειες. Σε επίπεδο φυσιολογίας, έχει παρατηρηθεί ότι χρήστες κράνους ΕΠ παραπονούνται για πρόωρη κόπωση, ναυτία, έλλειψη ενδιαφέροντος και πρωτοβουλίας και αψιθυµία. Πιθανές ψυχολογικές επιπτώσεις δεν έχουν µελετηθεί πλήρως αλλά υπάρχουν ενδείξεις ότι συχνές µακρόχρονες εµβυθίσεις σε Ε.Π. οδηγούν σε σύγχυση πραγµατικού µε εικονικού, λάθος κινήσεις στο πραγµατικό χώρο, αποπροσανατολισµό, κ.ο.κ. Πρέπει να τονιστεί ότι ακόµη δεν ξέρουµε σε ποιο βαθµό τα συµπτώµατα αυτά οφείλονται στα χαρακτηριστικά των συστηµάτων Ε.Π. που χρησιµοποιούνται στα πειράµατα και σε ποιο βαθµό στα συγκεκριµένα άτοµα που τα χρησιµοποιούν. ΕΠ στην Τέχνη Η ΕΠ όπως και ο κυβερνοχώρος γενικότερα εκφράστηκε αρχικά στην τέχνη µέσω της λογοτεχνίας από τα τέλη της δεκαετίας του 70 και µετά το 80 πέρασε και στον κινηµατογράφο. Τα τελευταία χρόνια ο όρος έχει γίνει πλέον ιδιαίτερα ελκυστικός µε αποτέλεσµα το online βιβλιοπωλείο Amazon να έχει γύρω στους 600 τίτλους µε ΕΠ ανάµεσα στις λέξεις κλειδιά. Osmose (C. Davies) 35

20 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης Καλλιτέχνες που λειτουργούν σε περιβάλλοντα ΕΠ είναι στις Η.Π.Α. ο αρχιτέκτων Marcos Novak (Liquid Architectures κ.α.) και η Char Davies µε τις εικαστικές εφαρµογές της Ephemera και Osmose και στην Ευρώπη ο µηχανικός Η/Υ και καλλιτέχνης στο Royal College of Art, London, Richard Brown επίσης µε installations (Αlembic, κ.α.). Alembic (R. Brown, 1997) Συµπεράσµατα Εικονική Πραγµατικότητα είναι ο όρος µε τον οποίο µεταφράζεται ο Αγγλικός όρος Virtual Reality. Ο όρος αυτός δεν είναι απόλυτα ακριβής καθώς έχει σαφείς σηµασιολογικές αναφορές στην όραση, το ένα από τα πέντε κανάλια επικοινωνίας του ανθρώπου µε το περιβάλλον, αλλά είναι χρησιµοποιείται καθώς είναι ευρέως διαδεδοµένος. Η ΕΠ είναι µία τεχνολογία που επιτρέπει την επεξεργασία δεδοµένων σε Η/Υ και τη δηµιουργία µιας αντιληπτής αναπαράστασής τους χρησιµοποιώντας κατά κύριο λόγο την όραση αλλά και την ακοή και αφή. Η ΕΠ δεν είναι πανάκεια αλλά έχει συγκεκριµένες εφαρµογές σε ένα µεγάλο εύρος θεµατικών ενοτήτων µε έµφαση την ιατρική την εκπαίδευση, τη βιοµηχανία, την αναψυχή και τις τέχνες. Στα ΕΠ το computer interface είναι «κρυµµένο» καθώς ο χρήστης δεν αισθάνεται/καταλαβαίνει ότι αλληλεπιδρά µε έναν Η/Υ αλλά η όλη του διεπαφή είναι µε τα αντικείµενα του εικονικού περιβάλλοντος στο οποίο είναι εµβυθισµένος. Γενικότερα υπάρχει η διαίσθηση ότι υπάρχει αλληλεπίδραση µε άλλα τρισδιάστατα αντικείµενα και όχι µε εικόνες αυτών (κινούµενες ή στατικές). Στα πλαίσια του σχεδιασµού εικονικών περιβαλλόντων που θα αναπτυχθεί στα επόµενα κεφάλαια, οι ελάχιστες προδιαγραφές διεπαφής για ένα σύστηµα ΕΠ είναι αυτές των Window on World ή DesktopVR. 36

21 Εικονική Πραγµατικότητα Τµήµα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, 6 ο Εξάµηνο, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας URLs Alembic, by Richard Brown Architects Online Augmented Reality Page (Επαυξηµένη Πραγµατικότητα) CAVE Systems Ephemere, by Char Davies (1998) History of the Internet Isdale, Jerry (1998) What is Virtual Reality Osmose, by Char Davies (1995) The Internet's History and Development: From Wartime Tool to the Fish-Cam Jaron Lanier Life on the Internet: Net Timeline Marcos Novak Myron Krueger Live (interview with J. Turner) Virtual Reality and Architecture, Human Interface Technology Laboratory (HIT Lab) Toni Emerson Virtual Transcendence, by Andrew Treadwell 0.htm World of VR, William Winn (1996) Virtual Environments in Maintenance Training University of Washington, USA Yahoo! Directory > Multimedia > Virtual Reality Multimedia/Virtual_Reality/ 37

22 ιδάσκων Βασίλης Μπουρδάκης Αναφορές-Βιβλιογραφία Aukstakalnis, Steve and Blatner, David (1992) Silicon Mirage: The Art and Science of Virtual Reality Peachpit Press, USA Best, Kathryn (1994) The Idiots Guide to Virtual World Design Little Star Press, USA Ellis, Stephen R. (1994). What are virtual environments? IEEE Computer Graphics & Applications. URL: virtual17.html Ellis, S. R. (1993). Pictorial Communication: Pictures and the Synthetic Universe, Pictorial Communication in Virtual and Real Environments, 2nd ed., Taylor & Francis: URL: Ellis_1993_Pictorial_Communication.html Franchi, Jorge (1995) Virtual Reality: An Overview ERIC Digest URL: shtml (Hamilton & Smith, 1992). Hansen, M (2001) Embodying Virtual Reality: Touch and Self-Movement in the work of Char Davies, in Critical Matrix: The Princeton Journal of Women, Gender and Culture, URL: F.html Heim, Michael (1998) Virtual Realism, Oxford University Press, New York. Heim, Michael (1993) The Metaphysics of Virtual Reality Oxford University Press. Kalawsky, R. (1993) The Science of Virtual Reality and Virtual Environments Addison-Wesley. Kruger, Myron (1993) Artificial Reality Packer, Randal and Jordan, Ken (2001) Multimedia; From Wagner to Virtual Reality, W.W.Norton URL: Vince, John (1995) Virtual Reality Systems, ACM Press Vince, John (1998) Essential Virtual Reality Fast, Springer, London Weikle, Bobbie Riding the Perfect Wave: Putting Virtual Reality to Work with Disabilities Ball State University URL: 38