ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΣΤΗΝ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Θέµα: ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΙΚΟΝΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΩΝ ΣΕ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ ΕΙΚΟΝΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Παναγιώτης Πιντέλας ΓΕΩΡΓΙΑ Γ. ΒΛΑΧΩΝΗ Σεπτέµβριος 2007
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εικονική πραγµατικότητα ως νέα τεχνολογία που βρίσκεται υπό συνεχή εξέλιξη, παρέχει δυνατότητες που µπορούν να αξιοποιηθούν από τους εκπαιδευτικούς στην προσπάθεια προσέγγισης και υποστήριξης της διδακτικής πράξης. Εκτός όµως από την αυστηρή έννοια της µάθησης στο σχολείο, υπάρχει η ανάγκη για την εκπαίδευση των µελών µιας σχολικής κοινότητας στην αποτελεσµατική τους αντίδραση σε στιγµές έκτακτης ανάγκης. Μια τέτοια κατάσταση είναι και η εκδήλωση µιας σεισµικής δραστηριότητας. Οι εκπαιδευτικές µέθοδοι για την αντιµετώπιση του σεισµού, που υπάρχουν σήµερα στα σχολεία, παρέχουν µια καλή ενηµέρωση για τα µέτρα προφύλαξης και αντιµετώπισης, αλλά οι µαθητές δεν έχουν σε καµία περίπτωση εµπειρία παρουσίας στο φυσικό φαινόµενο σε πραγµατικές συνθήκες. Από την άλλη πλευρά, η δηµιουργία ενός φυσικού εκπαιδευτικού περιβάλλοντος που θα προσοµοιώνει το φαινόµενο του σεισµού µέσα στη σχολική τάξη, είναι µια δύσκολη και δαπανηρή διαδικασία. Συνεπώς, η χρήση της εικονικής πραγµατικότητας µπορεί να οδηγήσει στην κατασκευή τέτοιων εκπαιδευτικών περιβαλλόντων. Κατά τη διαδικασία πλοήγησης σε ένα τέτοιο εικονικό περιβάλλον, ο χρήστης µπορεί να εκπαιδευτεί µε µεγαλύτερη ασφάλεια στην αντιµετώπιση καταστάσεων που στον πραγµατικό κόσµο θεωρούνται επικίνδυνες. Η παρούσα διπλωµατική εργασία ασχολείται µε την κατασκευή ενός εικονικού περιβάλλοντος που αναπαριστά µια σχολική τάξη. Στην εικονική τάξη προστίθενται και εικονικοί χαρακτήρες (avatars) που αποτελούν τους µαθητές της τάξης καθώς επίσης και τη δασκάλα τους. Το σενάριο το οποίο ακολουθεί είναι η ενηµέρωση των εικονικών µαθητών από τη διδάσκουσα για τους τρόπους αντίδρασης των µαθητών σε περίπτωση σεισµού. Αναλυτικά η δοµή της εργασίας είναι: Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύεται η έννοια της εικονικής πραγµατικότητας και αναφέρονται οι εφαρµογές της σε διάφορους τοµείς. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται παραδείγµατα εκπαιδευτικών εικονικών περιβαλλόντων.
Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται παραδείγµατα εκπαιδευτικών εικονικών περιβαλλόντων για την σωστή σεισµική συµπεριφορά. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται η έννοια εικονικός χαρακτήρας (avatar). Στο πέµπτο κεφάλαιο αναλύεται πως έγινε η υλοποίηση πέντε εικονικών χαρακτήρων, παρουσιάζεται η εισαγωγή τους στην εικονική τάξη, η προσθήκη ήχου και η πλοήγηση που επιτρέπεται στην τάξη. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο υπάρχουν τα συµπεράσµατα και κάποιες εκδοχές για µελλοντική εργασία πάνω στην εφαρµογή.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ 1.1 Ορισµός της εικονικής πραγµατικότητας...1 1.2 Ιστορία της εικονικής πραγµατικότητας...4 1.3 Εικονικό περιβάλλον...11 1.3.1 Ορισµός εικονικού περιβάλλοντος...11 1.3.2 Ανάπτυξη εικονικού περιβάλλοντος...12 1.4 Συστήµατα εικονικής πραγµατικότητας...13 1.5 Υλικό συστηµάτων εικονικής πραγµατικότητας...13 1.5.1 Συσκευές εισόδου...13 1.5.2 Συσκευές εξόδου...19 1.6 Λογισµικό συστηµάτων εικονικής πραγµατικότητας...25 1.7 Κατηγορίες συστηµάτων εικονικής πραγµατικότητας...26 1.8 Εφαρµογές εικονικής πραγµατικότητας...30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗ 2.1 Εισαγωγή...36 2.2 Εικονική πραγµατικότητα και εποικοδοµητική µάθηση...36 2.3 Εκπαιδευτικά εικονικά περιβάλλοντα...37 2.4 Τεχνολογία υλοποίησης εκπαιδευτικών εικονικών περιβαλλόντων...39 2.5 Η σπουδαιότητα της εικονικής πραγµατικότητας στην εκπαίδευση...40 2.6 Η εικονική πραγµατικότητα στην Ελλάδα...42 2.6.1 Ίδρυµα Μείζονος Ελληνισµού...42 2.6.2 Ίδρυµα Ευγενίδου...44
2.6.3 Ίδρυµα Τεχνολογίας και Έρευνας...45 2.6.4 Πανεπιστήµιο Πατρών...47 2.6.5 Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων...47 2.7 Παραδείγµατα εκπαιδευτικών εικονικών περιβαλλόντων...47 2.7.1 Εκπαιδευτικά εικονικά περιβάλλοντα στην Ελλάδα...48 2.7.2 Εκπαιδευτικά εικονικά περιβάλλοντα εκτός Ελλάδας...53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΣΕΙΣΜΟΣ 3.1 Εισαγωγή...60 3.2 Περιβάλλοντα εικονικής πραγµατικότητας σχετικά µε το σεισµό...60 3.2.1 Seismos On Line (SOL)...60 3.2.2 Εικονική πραγµατικότητα και φοβία για τους σεισµούς...64 3.2.3 Project E-5B...65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΙΚΟΝΙΚΟΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΕΣ 4.1 Εισαγωγή...66 4.2 Παρουσίαση της έννοιας των εικονικών χαρακτήρων...66 4.3 Ένα παράδειγµα χρήσης εικονικών χαρακτήρων...69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΚΟΝΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΩΝ ΣΕ ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΤΑΞΗ 5.1 Εισαγωγή...71 5.2 Υλοποίηση εικονικών χαρακτήρων...71 5.2.1 Καθορισµός σώµατος...71 5.2.2 Σχεδίαση σκελετού και ρυθµίσεις πριν τη δηµιουργία κίνησης στα χαρακτηριστικά του προσώπου...84 5.2.3 ηµιουργία κίνησης στα χαρακτηριστικά του προσώπου...91 5.2.4 Σύνδεση σώµατος µε το σκελετό...93
5.2.5 Προσθήκη ρούχων στους εικονικούς χαρακτήρες...95 5.3 Εικονική Τάξη...96 5.3.1 Εισαγωγή εικονικών χαρακτήρων στην εικονική τάξη...98 5.3.2 Προσθήκη ήχου στην εικονική τάξη...101 5.3.3 υνατότητα πλοήγησης στην εικονική τάξη...102 5.3.4 Εξαγωγή αρχείου εικονικής τάξης στο Web...103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ...105 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...106 ΙΣΤΟΣΕΛΙ ΕΣ...113
ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1. Ο πρώτος απλός µηχανικός εξοµοιωτής πτήσης...5 Εικόνα 2. Το Sensorama του Heilig...5 Εικόνα 3. Εφαρµογή Sketchpad...6 Εικόνα 4. Light pen...6 Εικόνα 5. Ροµποτικός βραχίονας ARM...7 Εικόνα 6. Ivan Sutherland - The Sword of Damocles...8 Εικόνα 7. Σκηνές από το Videoplace του Krueger...8 Εικόνα 8. Γάντι δεδοµένων (DataGlove)...9 Εικόνα 9. VIVED...9 Εικόνα 10. VIEW...10 Εικόνα 11. Το σύστηµα super cockpit...11 Εικόνα 12. Τρισδιάστατο ποντίκι...16 Εικόνα 13. Spaceball...17 Εικόνα 14. Χειριστήριο εικονικής πραγµατικότητας...17 Εικόνα 15. Αριστερά: DataGlove της VPL - εξιά: CyberGlove...18 Εικόνα 16. Στολή δεδοµένων...19 Εικόνα 17. HMD...20 Εικόνα 18. HUD...21 Εικόνα 19. BOOM...22 Εικόνα 20. Στερεοσκοπικά γυαλιά...23 Εικόνα 21. Το σύστηµα CAVE...24 Εικόνα 22. Γιλέκο εικονικής πραγµατικότητας...24 Εικόνα 23. Καρέκλα εικονικής πραγµατικότητας...25 Εικόνα 24. Μαγική Οθόνη...43 Εικόνα 25. Κιβωτός...43 Εικόνα 26. Άποψη του Θόλου...44 Εικόνα 27. Άποψη του Ψηφιακού Πλανητάριου...45 Εικόνα 28. Παράδειγµα εικονικών πατηµασιών...46 Εικόνα 29. Στιγµιότυπο του V-Laser...49 Εικόνα 30. Στιγµιότυπο του Laser Physics Lab...49 Εικόνα 31. Εικονικού Εργαστηρίου Θερµότητας και Θερµοδυναµικής...50
Εικόνα 32. Στιγµιότυπο του Plant Cell...51 Εικόνα 33. Στιγµιότυπο του Lake...51 Εικόνα 34. Στιγµιότυπο του ΕΙΚΩΝ...52 Εικόνα 35. Το περιβάλλον της ΞΕΝΑΓΗΣΗΣ και της ΠΕΡΙΗΓΗΣΗΣ του Project 450 π.χ....52 Εικόνα 36. Στιγµιότυπο του Nice...53 Εικόνα 37. Στιγµιότυπο του Round Earth...54 Εικόνα 38. Στιγµιότυπο του Science Space...55 Εικόνα 39. Στιγµιότυπο του Vicher...55 Εικόνα 40. Στιγµιότυπο του Wetlands Ecology...56 Εικόνα 41. Στιγµιότυπο του Virtual Physics...57 Εικόνα 42. Στιγµιότυπο του Cell Biology...58 Εικόνα 43. Στιγµιότυπο του Geographic Exploration...58 Εικόνα 44. Στιγµιότυπο του Landscape Visualization...59 Εικόνα 45. Σενάριο εικονικής πραγµατικότητας Σχολείο...61 Εικόνα 46. Σενάριο εικονικής πραγµατικότητας Σχολείο 2...62 Εικόνα 47. Σενάριο εικονικής πραγµατικότητας ωµάτιο...63 Εικόνα 48. Σενάριο εικονικής πραγµατικότητας Πόλη...63 Εικόνα 49. Εικονικό περιβάλλον προσοµοίωσης σεισµού...64 Εικόνα 50. Το περιβάλλον του Project E-5B...65 Εικόνα 51. ιάφοροι τύποι εικονικών χαρακτήρων (µορφή κύβων, καρτούν, φωτορεαλιστικά µοντέλα ανθρώπων)...67 Εικόνα 52. Κίνηση χαιρετισµού...69 Εικόνα 53. Αλλαγή της έκφρασης του προσώπου...69 Εικόνα 54. Στιγµιότυπο του προγράµµατος Senet...70 Εικόνα 55. Περιβάλλον εργασίας του λογισµικού Poser...72 Εικόνα 56. Πλαίσιο διαλόγου για γενικές ρυθµίσεις της εφαρµογής Poser..74 Εικόνα 57. Μετακίνηση στις κατηγορίες της βιβλιοθήκης...74 Εικόνα 58. Μορφή αρχείου tiff για απόδοση υφής και αρχείου obj της δασκάλας...75 Εικόνα 59. Φάκελος Poser...76 Εικόνα 60. Αρχική µορφή σώµατος εικονικών χαρακτήρων...78 Εικόνα 61. Μετονοµασία Μετακίνηση ενός εικονικού χαρακτήρα...79 Εικόνα 62. Εικονίδια για ρύθµιση της κάµερας...80
Εικόνα 63. Στιγµιότυπο από την προσθήκη ρούχων στην δασκάλα...81 Εικόνα 64. Ρύθµιση χρώµατος ενός ενδύµατος της δασκάλας...82 Εικόνα 65. Άποψη του Simple Material Room...83 Εικόνα 66. ιαδικασία αφαίρεσης υφής σε αντικείµενο του Poser...83 Εικόνα 67. Περιβάλλον εργασίας του 3D Studio Max...84 Εικόνα 68. Παράθυρο του Gesture Max...87 Εικόνα 69. Ρύθµιση των morphs...87 Εικόνα 70. Ρυθµίσεις για τη σχεδίαση σκελετού...88 Εικόνα 71. Εικονικός χαρακτήρας σε περιβάλλον 3D Studio Max...89 Εικόνα 72. Πιθανό µήνυµα σφάλµατος...90 Εικόνα 73. Καρτέλα Modify...90 Εικόνα 74. Κουµπιά animation...91 Εικόνα 75. Έκφραση του εικονικού χαρακτήρα στο δεύτερο keyframe...92 Εικόνα 76. Τροποποιητής Physique...93 Εικόνα 77. Ρύθµιση της παραµόρφωσης παρατηρείται στο σώµα κατά την µετακίνηση...94 Εικόνα 78. Τελική µορφή εικονικού χαρακτήρα της δασκάλας...95 Εικόνα 79. Τελική µορφή των εικονικών χαρακτήρων των µαθητών...96 Εικόνα 80. Περιβάλλον εργασίας του Virtools...97 Εικόνα 81. Ο Exporter του 3D Studio Max για τη δασκάλα...99 Εικόνα 82. Η εικονική τάξη...100 Εικόνα 83. Ρυθµίσεις πριν την εξαγωγή του αρχείου στο Web...103
ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήµα 1. Το τρίγωνο της εικονικής πραγµατικότητας...4 Σχήµα 2. Αναπαράσταση των µετρήσεων θέσεις και προσανατολισµού στο χώρο...14 Σχήµα 3. Σχηµατική αναπαράσταση για την προσθήκη ήχου...101 Σχήµα 4. Σχηµατική αναπαράσταση για την προσθήκη ήχου...101 Σχήµα 5. Σχηµατική αναπαράσταση για animation της οµιλίας...102 Σχήµα 6. Σχηµατική αναπαράσταση για την εναλλαγή στις κάµερες...102 Σχήµα 7. Μετακίνηση κάµερας αριστερά δεξιά...103
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ 1.1 Ορισµός της εικονικής πραγµατικότητας Ο όρος εικονική πραγµατικότητα (Virtual Reality - VR) χρησιµοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Jaron Lanier το 1989. Ο Lanier είναι ένας από τους πρωτοπόρους της εικονικής πραγµατικότητας και ιδρυτής της εταιρείας VPL Research (από τη φράση Virtual Programming Languages), η οποία ανέπτυξε µερικά από τα πρώτα συστήµατα αυτού του τύπου τη δεκαετία του 80. Αρχικά όρισε την εικονική πραγµατικότητα ως ένα αλληλεπιδραστικό, τρισδιάστατο περιβάλλον, φτιαγµένο από υπολογιστή, στο οποίο µπορεί κάποιος να εµβυθιστεί (Lanier, 1989). Μετά τον Lanier διατυπώθηκαν διάφοροι ορισµοί για την εικονική πραγµατικότητα, προκειµένου να αποσαφηνιστεί και να προσδιοριστεί σφαιρικά η έννοια της. Καθένας από αυτούς τους ορισµούς επικεντρώνεται σε κάποια από τα χαρακτηριστικά της, περιορίζοντας την σε ένα συγκεκριµένο πλαίσιο ορισµού, µε αποτέλεσµα να εξειδικεύει τον όρο και να αποτυγχάνει να περιγράψει µε επιτυχία την ευρύτερη έννοια. Παράλληλα, η δυσκολία να δοθεί ένας γενικός και ικανοποιητικός ορισµός οφείλεται και στο οξύµωρο της έννοιας. Το οξύµωρο αναφέρεται στο συνδυασµό των λέξεων εικονικός και πραγµατικός. Ετυµολογικά, εικονικός σηµαίνει φαινοµενικός, πλασµατικός, ψεύτικος, µη πραγµατικός. Κάποιοι από τους επικρατέστερους ορισµούς αναφέρονται παρακάτω. "Η εικονική πραγµατικότητα, αποτελεί ένα όρο που έχει γίνει πρόσφατα γνωστός αλλά και από τους πλέον διαδεδοµένους στο χώρο των υπολογιστών, ο οποίος µεταφέρει το χρήστη ή τους χρήστες, σε ένα συνθετικό, τεχνητό, εικονικό και φτιαγµένο από υπολογιστή περιβάλλον." (Krueger, 1991) "Η εικονική πραγµατικότητα είναι αλληλεπιδραστικά γραφικά πραγµατικού χρόνου (real time) µε τρισδιάστατα µοντέλα, συνδυασµένα µε µια τεχνολογία απεικόνισης, η οποία δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη για εµβύθιση στον
µοντελοποιηµένο κόσµο και τη δυνατότητα για απευθείας χειρισµό" (Bishop και Fuchs, 1992). Η εικονική πραγµατικότητα αποτελεί ένα µέσο για τους ανθρώπους προκειµένου να οπτικοποιήσουν, να διαχειριστούν και να αλληλεπιδράσουν µε τους υπολογιστές όσο και µε εξαιρετικά πολύπλοκα δεδοµένα (Aukstakalnis και Blatner, 1992). Η οπτικοποίηση δεδοµένων αναφέρεται στην λειτουργία του υπολογιστή να παράγει οπτικά, ακουστικά ή άλλου είδους αισθητικά αποτελέσµατα στον χρήστη ενός περιβάλλοντος µέσα στον υπολογιστή. Το περιβάλλον αυτό µπορεί να είναι ένα χωρικό αρχιτεκτονικό µοντέλο, µια προσοµοίωση επιστηµονικών στοιχείων, αλλά ακόµα και η εικόνα µιας βάσης δεδοµένων. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να αλληλεπιδρά µε το περιβάλλον και να διαχειρίζεται άµεσα τα αντικείµενα που βρίσκονται µέσα σε αυτόν. Τµήµατα του περιβάλλοντος µπορεί να µεταβάλλονται από άλλες διεργασίες, οι οποίες µπορεί να είναι φυσικές προσοµοιώσεις ή απλά έτοιµες κινήσεις (animation scripts), (Islade,1998). "Η ψευδαίσθηση της συµµετοχής σε ένα συνθετικό περιβάλλον αντί για την εξωτερική παρατήρηση ενός τέτοιου περιβάλλοντος. Βασίζεται σε τρισδιάστατες, στερεοσκοπικές µονάδες απεικόνισης, µε στερεοσκοπικό ήχο και ανιχνευτή της κίνησης του κεφαλιού, του χεριού ή του σώµατος. Είναι µια εµπειρία εµβύθισης που χρησιµοποιεί όλες τις αισθήσεις" (Gigante, 1993). "Η εικονική πραγµατικότητα αναφέρεται σε αλληλεπιδραστικά, πολυαισθητικά, βασισµένα στη όραση, τρισδιάστατα, περιβάλλοντα εµβύθισης, δηµιουργηµένα από υπολογιστή, καθώς και ο συνδυασµός των τεχνολογιών που απαιτούνται για την ανάπτυξη τέτοιων περιβαλλόντων." (Cruz, 1993) "Μπορεί να οριστεί σαν ένας νέος τρόπος επικοινωνίας µεταξύ ανθρώπου και µηχανής. Ένα από τα χαρακτηριστικά του είναι η υιοθέτηση συσκευών απεικόνισης και αλληλεπίδρασης των ανθρώπινων αισθήσεων. Στερεοσκοπικά συστήµατα απεικόνισης, δίνουν τη εντύπωση πραγµατικής χωρικής αντίληψης των τρισδιάστατων εικόνων οι οποίες παράγονται από τον υπολογιστή. Επιπλέον, η αίσθηση του ότι είσαι εµβυθισµένος σε ένα εικονικό περιβάλλον, δυναµώνει µε τη χρήση συσκευών, όπως το γάντι (data glove), το οποίο επιτρέπει πιο φυσική και ενστικτώδη απευθείας αλληλεπίδραση" (Ellis, 1994). 2
Στην εγκυκλοπαίδεια Britannica γίνεται µια σφαιρική περιγραφή του όρου: Η εικονική πραγµατικότητα αποτελεί τη χρήση της µοντελοποίησης και της προσοµοίωσης µέσω υπολογιστικών συστηµάτων, προκειµένου να δώσει στον χρήστη την δυνατότητα να αλληλεπιδράσει µε ένα τεχνητό τρισδιάστατο οπτικό περιβάλλον. Οι εφαρµογές της εικονικής πραγµατικότητας εµβαπτίζουν το χρήστη σε ένα υπολογιστικό περιβάλλον, το οποίο προσοµοιώνει την πραγµατικότητα µέσω της χρήσης ειδικών συσκευών, οι οποίες στέλνουν και λαµβάνουν πληροφορία σε πραγµατικό χρόνο (Marsh κ.ά., 1998). "Ένα µέσο το οποίο αποτελείται από αλληλεπιδραστικές εξοµοιώσεις µε υπολογιστή, οι οποίες αισθάνονται την θέση και τις ενέργειες του χρήστη, και αντικαθιστούν ή επαυξάνουν την ανάδραση σε µία ή παραπάνω αισθήσεις, δίνοντας το αίσθηµα της πνευµατικής εµβύθισης ή παρουσίας στην εξοµοίωση." (Sherman και Craig, 2003) Η εικονική πραγµατικότητα λοιπόν, είναι µια νέα και πρωτοποριακή τεχνολογία που δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη, µέσα από τις εφαρµογές της, να βιώσει αφηρηµένες έννοιες και ιδέες, να επισκεφτεί χώρους που είναι απρόσιτοι ή δεν υπάρχουν πια και να εξετάσει αντικείµενα από διαφορετικές και πρωτόγνωρες οπτικές γωνίες. Η εικονική πραγµατικότητα πρόκειται για µια τεχνολογία που χρησιµοποιεί τους υπολογιστές για να δηµιουργεί πολύ πειστικές ψευδαισθήσεις. Η οθόνη του υπολογιστή δεν αποτελεί πλέον ένα παράθυρο του κόσµου, αλλά ο χρήστης αισθάνεται ότι βρίσκεται µέσα σ αυτόν. Ένας τέτοιος κόσµος είναι εικονικός, δηλαδή χωρίς υλική σύσταση, µια τεχνητή τρισδιάστατη απεικόνιση που δηµιουργείται µέσω της τεχνολογίας των τρισδιάστατων γραφικών, της κίνησης και της εξοµοίωσης ενός ισχυρού ηλεκτρονικού υπολογιστή και που επιτρέπει στον χρήστη να αλληλεπιδρά µ' αυτόν τον εικονικό κόσµο. Ο χρήστης µπορεί ν' αλληλεπιδράσει µε τα στοιχεία του εικονικού κόσµου, να µετακινηθεί µέσα σ' αυτόν και να τον αλλάξει. Η αλληλεπίδραση γίνεται µέσω πράξεων, κινήσεων και εκτιµήσεων που µοιάζουν µε τις καθηµερινές του ενέργειες στο πραγµατικό του περιβάλλον. Με άλλα λόγια, η εικονική πραγµατικότητα είναι µια αλληλεπίδραση (interface) ανθρώπου - µηχανής, που βιώνεται από τον άνθρωπο µε φυσικό και ενστικτώδη τρόπο (Χαρίτος και Μαρτάκος, 1999). Η εικονική πραγµατικότητα λοιπόν, θα µπορούσε να περιγραφεί µε το εξής τρίγωνο: 3
Σχήµα 1. Το τρίγωνο της εικονικής πραγµατικότητας Το περιεχόµενο του κάθε κύκλου αναλύεται ως εξής: εµβύθιση είναι η αίσθηση του χρήστη ότι βρίσκεται σε ένα εικονικό χώρο, αλληλεπίδραση είναι η δυνατότητα µετακίνησης στον τρισδιάστατο χώρο και η δυνατότητα χειρισµού των αντικειµένων, ενώ πραγµατικός χρόνος σηµαίνει ότι κάθε ενέργεια µπορεί άµεσα να αλλάξει την κατάσταση του τρισδιάστατου χώρου (Vexo, 2007) Τελευταία στην επιστηµονική κοινότητα αποφεύγεται η χρήση του όρου εικονική πραγµατικότητα λόγω της αντιφατικότητάς του και χρησιµοποιείται ο όρος εικονικό περιβάλλον (Virtual Environment - VE). Ωστόσο, έχουν προταθεί και άλλοι όροι, όπως τεχνητή πραγµατικότητα (Artificial Reality), τεχνολογία προσοµοίωσης (Computer Simulated Environment), συνθετικό περιβάλλον (Synthetic Environment), εικονικοί κόσµοι (Virtual Worlds) και κυβερνοχώρος (Cyberspace). Παρόλα αυτά, ο πιο διαδεδοµένος όρος παραµένει η εικονική πραγµατικότητα. (Islade, 2003) 1.2 Ιστορία της εικονικής πραγµατικότητας Αν και η εικονική πραγµατικότητα θεωρείται µια νέα επαναστατική τεχνολογία, ουσιαστικά έχει τις ρίζες της στους προσοµοιωτές πτήσης (flight simulators). Το 1929, ο Edward Link κατασκευάζει τον πρώτο απλό µηχανικό εξοµοιωτή πτήσης, για την εκπαίδευση πιλότων σε εσωτερικούς χώρους και µακριά από πραγµατικά αεροπλάνα. 4
Εικόνα 1. Ο πρώτος απλός µηχανικός εξοµοιωτής πτήσης Στις αρχές της δεκαετίας του πενήντα, η βιοµηχανία του κινηµατογράφου πειραµατίστηκε µε το σύστηµα Cinerama στην προσπάθειά της για µια πιο ρεαλιστική απόδοση των κινηµατογραφικών έργων. Σύµφωνα µε αυτό, η ταινία προβαλλόταν σε τρεις τεράστιες οθόνες µε κλίση προς τα µέσα, οι οποίες κάλυπταν όλο το οπτικό πεδίο των θεατών. Το 1956 ο Αµερικανός κινηµατογραφιστής Morton Heilig εµπνευσµένος από το Cinerama προτείνει το σινεµά του µέλλοντος, το οποίο περικυκλώνει το θεατή µε αισθήσεις φτιαγµένες από µηχανήµατα και τον µεταφέρει σε µια άλλη διάσταση. Το Sensorama, όπως ονοµάστηκε χρησιµοποιεί τρισδιάστατα γραφικά, στερεοφωνικό ήχο και δονήσεις (µέσω του καθίσµατος). Ο χρήστης του µπορεί να παρακολουθήσει µια βόλτα µε µοτοσικλέτα, να νοιώσει τον αέρα να τον χτυπάει στο πρόσωπο και ανάλογα µε τις σκηνές της ταινίας να µυρίσει διάφορα αρώµατα, όπως το γιασεµί. Ήταν η πρώτη προσέγγιση για σύστηµα εικονικής πραγµατικότητας µε βασικό µειονέκτηµα ότι δεν επέτρεπε την αλληλεπίδραση µεταξύ συστήµατος και θεατή. Εικόνα 2. Το Sensorama του Heilig 5
Το 1961 οι µηχανικοί Comeau και Bryan της εταιρίας Philco, δηµιουργούν ένα σύστηµα παρακολούθησης µε κλειστό κύκλωµα τηλεόρασης. Για να το επιτύχουν αυτό χρησιµοποιούν ένα ειδικά κατασκευασµένο ηλεκτροµαγνητικό σύστηµα. Αποτελείται από µια οθόνη κράνος (HMD - Head Mounted Display) η οποία συγχρονίζεται µε τις κινήσεις του κεφαλιού, µε τη βοήθεια αισθητήρων κίνησης και προσανατολισµού, ενώ ταυτόχρονα είναι συνδεδεµένη µε µια κάµερα. Το σύστηµα αυτό χρησιµοποιήθηκε για την αποµακρυσµένη παρακολούθηση επικίνδυνων καταστάσεων και ονοµάστηκε Headsight TV Surveillance System (Hopkins, 2000). Το 1963 ο διδακτορικός φοιτητής του MIT (Massachusetts Institute of Technology) Ivan Sutherland εισάγει τα αλληλεπιδραστικά γραφικά µέσω υπολογιστή, στην εφαρµογή του Sketchpad. Η συγκεκριµένη εφαρµογή χρησιµοποιεί ένα ελαφρύ στυλό (light pen) για την επιλογή αντικειµένων, παράλληλα µε τη χρήση του πληκτρολογίου. Εικόνα 3. Εφαρµογή Sketchpad Εικόνα 4. Light pen Ο ίδιος το 1965, όπως φαίνεται στο βιβλίο του The Ultimate Display, κάνει τα πρώτα βήµατα στο να συνδυάσει τους υπολογιστές και τη δηµιουργία εικονικών κόσµων. Στην εργασία αυτή προβλέπει την ανάπτυξη του πρώτου HMD. Περιγράφει ένα δωµάτιο, όπου τα πάντα ελέγχονται από τον υπολογιστή και όλες οι ενέργειες του χρήστη µέσα σε αυτό έχουν τον ίδιο αντίκτυπο που θα είχαν και στον πραγµατικό κόσµο (Sutherland, 1965). Το 1967, ο Fred Brooks επηρεασµένος από την εργασία του Sutherland, ξεκινάει το έργο GROPE µε σκοπό να αναπτύξει ένα απτικό περιβάλλον διεπαφής που θα επέτρεπε στους χρήστες να αισθανθούν τις δυνάµεις που αναπτύσσονται µεταξύ των µορίων των χηµικών ενώσεων. Το έργο ολοκληρώνεται σε τρεις φάσεις. Το GROPE-I µπορούσε να προσοµοιώσει 6
συνεχή δυναµικά πεδία, ενώ το GROPE-II υποστήριζε έξι βαθµούς ελευθερίας (τρεις δυνάµεις και τρεις ροπές). Η υπολογιστική ισχύς που ήταν διαθέσιµη το 1976 επέτρεπε την προσοµοίωση απλών µοντέλων. Μόλις το 1988 έγινε δυνατή η ολοκλήρωση του GROPE-III, όπου κατασκευάζεται ο ροµποτικός βραχίονας ARM (Argone Remote Manipulator) που επέτρεπε τη δράση σε πραγµατικό χρόνο. Εικόνα 5. Ροµποτικός βραχίονας ARM Συγκεκριµένα, η τρισδιάστατη εικόνα των µοριακών ενώσεων προβάλλεται σε µία οθόνη, ενώ ο χρήστης αλληλεπιδρά µε τα µόρια µέσω ενός αρθρωτού βραχίονα. Ο βραχίονας κατευθύνει τις κινήσεις των µορίων αλλά παρέχει και απτική αντίδραση (αίσθηση αφής) στο χέρι του χρήστη. Οι δυνάµεις που αναπτύσσονται µεταξύ των ατόµων αναπαρίστανται µέσω της απτικής αντίδρασης του ARM, υποδεικνύοντας ποιες ενώσεις είναι εφικτές και ποιες όχι, βοηθώντας έτσι σηµαντικά στην προσπάθεια για ανακάλυψη καινούργιων ενώσεων. Το 1968, ο Sutherland κατασκευάζει µια οθόνη κράνος (HMD) που χρησιµοποιεί δύο οθόνες τύπου CRT (µε καθοδικές λυχνίες), έχει µηχανική ανίχνευση της κίνησης του κεφαλιού και προβάλλει εικόνες πάνω στον πραγµατικό κόσµο. Το HMD αυτό, ονοµάστηκε αµόκλειος Σπάθη (Sword of Damocles), από το γεγονός ότι κρεµόταν από το ταβάνι ενός δωµατίου. Το εύρος του πεδίου του, ήταν 40 µοίρες και ο χρήστης µπορούσε να δει σε πραγµατικό χρόνο, αντικείµενα σε µορφή πλέγµατος να προβάλλονται πάνω στον πραγµατικό κόσµο. Ήταν το πρώτο σύστηµα που µπορούσε να 7
απεικονίζει ένα απλό σύνολο τρισδιάστατων γραφικών σε αληθινό χρόνο και να δίνει στο χρήστη την ψευδαίσθηση ενός εικονικού κόσµου µέσω ενός κράνους εµβύθισης. Εικόνα 6. Ivan Sutherland - The Sword of Damocles Το 1975 ο Myron Krueger δηµιουργεί το πρωτοποριακό σύστηµα Videoplace, µε το οποίο εξερευνά τις δυνατότητες της αλληλεπίδρασης µε τη βοήθεια υπολογιστή. Αλληλεπιδραστικά γραφικά περιβάλλοντα είναι σχεδιασµένα µε τέτοιο τρόπο ώστε να δίνουν στους χρήστες τους τη δυνατότητα ελευθερίας επιλογής και προσωπικής έκφρασης. Σύµφωνα µε το σύστηµα αυτό, η σιλουέτα του χρήστη προβάλλεται σε µια τεράστια οθόνη, η οποία ανταποκρινόµενη στις κινήσεις του, φαίνεται αλληλεπιδρά µε γραφικά και ήχους. Εικόνα 7. Σκηνές από το Videoplace του Krueger Το 1982, ο Thomas Zimmerman στα εργαστήρια της VPL, κατασκευάζει το πρώτο γάντι εισαγωγής δεδοµένων (DataGlove) στην προσπάθειά του να 8
βρει ένα τρόπο για να χρησιµοποιήσει το ανθρώπινο σώµα σαν µουσικό όργανο και να παίξει αυτό που ονόµαζε air guitar. Το γάντι συνδέεται µε ένα synthesizer και µε το κατάλληλο λογισµικό µεταφράζονται οι κινήσεις σε µουσική. Κατασκευασµένο από συνθετικό καουτσούκ συνδυάζει σύστηµα οπτικών αισθητήρων που µετρούν την κάµψη και έκταση των δακτύλων. Εικόνα 8. Γάντι δεδοµένων (DataGlove) Το 1983, δηµοσιεύεται το βιβλίο Artificial Reality, που περιγράφει τον όρο τεχνητή πραγµατικότητα και είναι παρόµοιος µε την εικονική πραγµατικότητα (Krueger, 1983), ενώ το 1984 χρησιµοποιείται αντίστοιχα στο βιβλίο Neuromancer ο όρος κυβερνοχώρος (Cyberspace), (Gibson, 1984). Παράλληλα, από τους Fisher και McGreevy αναπτύσσεται στη NASA, το σύστηµα VIVED (Virtual Visual Environment Display) το πρώτο εµπορικά εφαρµόσιµο HMD. Χρησιµοποιεί ένα ανιχνευτή θέσεως, ένα ζευγάρι υπολογιστών και ένα ξανασχεδιασµένο HMD. Εικόνα 9. VIVED Το 1988, το VIVED µετεξελίχθηκε στο VIEW (Virtual Interactive Environment Workstation), ένα περιβάλλον διεπαφής ανθρώπου µε υπολογιστή για την εκπαίδευση των αστροναυτών της NASA. Περιλαµβάνει 9
ένα HMD, ανιχνευτή της κίνησης του κεφαλιού και των χεριών, αναγνώριση οµιλίας, στερεοφωνικό ήχο και ένα ζευγάρι γάντια δεδοµένων (Gigante, 1993). Εικόνα 10. VIEW Ένα σηµαντικό βήµα για την εξέλιξη της εικονικής πραγµατικότητας ήταν ο εικονικός θάλαµος χειριστού αεροπλάνου, µια ιδέα για ένα σύστηµα προσοµοίωσης πτήσης που αναπτύχθηκε στην αεροπορική βάση Wright Patterson στην Αµερική κάτω από την επίβλεψη του Thomas Furness το 1986. Το σύστηµα αυτό, ονοµάστηκε super cockpit και προσπαθούσε να εκµεταλλευτεί όλες τις αντιληπτικές, νοητικές και ψυχοκινητικές λειτουργικές δυνατότητες του χειριστή ενός πολεµικού αεροπλάνου, απλοποιώντας τις πληροφορίες που έπρεπε να επεξεργασθεί ο ίδιος. Το εικονικό περιβάλλον το οποίο αναπαριστούσε το σύστηµα αυτό, παρείχε οπτικά, ακουστικά και απτικά ερεθίσµατα και ελεγχόταν αλληλεπιδραστικά από τον εκπαιδευόµενο πιλότο δεχόµενο είσοδο (input) µέσω κινήσεων του κεφαλιού, των µατιών, των χεριών αλλά και µέσω οµιλίας. Εικόνα 11. Το σύστηµα super cockpit Πέρα από όλες τις παραπάνω προσπάθειες για εικονική πραγµατικότητα, ο όρος ουσιαστικά χρησιµοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Jaron Lanier το 10
1989. Το 1995, προκύπτει το πρωτόκολλο VRML (Virtual Reality Modeling Language) που επιτρέπει τη χρήση τρισδιάστατων αντικειµένων και εικονικών χώρων µέσα στο παγκόσµιο ιστό. Βέβαια, η τεχνολογία της εικονικής πραγµατικότητας συνεχίζει να εξελίσσεται. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί πολλά συστήµατα εικονικής πραγµατικότητας τα οποία καλύπτουν ένα ευρύ φάσµα εφαρµογών. 1.3 Εικονικό περιβάλλον Όπως αναφέρθηκε σε προηγούµενη ενότητα, η χρήση του όρου εικονική πραγµατικότητα αποφεύγεται τελευταία στην επιστηµονική κοινότητα, λόγω της αντιφατικότητάς του. Αντί αυτού, χρησιµοποιείται ο όρος εικονικό περιβάλλον (Virtual Environment ή VE). 1.3.1 Ορισµός Εικονικό περιβάλλον είναι µία συνθετική αισθητήρια εµπειρία που µεταδίδει φυσικά και αφηρηµένα στοιχεία στο χρήστη του συστήµατος που τη βιώνει. Αυτή η αισθητήρια εµπειρία γεννιέται από ένα υπολογιστικό σύστηµα µέσω της παρουσίασης, στα ανθρώπινα αισθητήρια συστήµατα, µιας διεπαφής ανθρώπου υπολογιστή που προσεγγίζει διάφορες ιδιότητες του πραγµατικού κόσµου. Αυτή η διεπαφή έχει τη µορφή τρισδιάστατου απεικονιστικού περιβάλλοντος το οποίο συνίσταται σε αντικείµενα και φαινόµενα (Kalawsky, 1993). Τα βασικά χαρακτηριστικά ενός εικονικού περιβάλλοντος είναι τα τρισδιάστατα γραφικά και ένα µοντέλο περιβάλλοντος, που αναπαριστά µια τοποθεσία από την πραγµατική ζωή ή κάποια τεχνητή δοµή. Ο πρώτος λόγος για τον οποίο έχει επικρατήσει ο όρος εικονικό περιβάλλον έναντι του όρου εικονική πραγµατικότητα είναι γιατί στα συστήµατα αυτά δε γίνεται προσπάθεια µοντελοποίησης ολόκληρου του σύµπαντος, αλλά ενός περιορισµένου περιβάλλοντος ανάλογα µε την εφαρµογή. Ο δεύτερος λόγος είναι γιατί δεν απαιτείται η αναπαράσταση να αφορά κάποια ρεαλιστική δοµή, αλλά µπορεί κάλλιστα να είναι και κάποιος φανταστικός χώρος µε ιδιόµορφους νόµους. 11
Ουσιαστικά, ένας χρήστης κατοικεί στο περιβάλλον έχοντας µια τρέχουσα θέση σε αυτό και, κατά συνέπεια, µια περιορισµένη άποψη του χώρου. Έχει την ικανότητα να ταξιδεύει σε αυτό και να αλληλεπιδρά µε τα αντικείµενα που τον περιβάλλουν. Τόσο η αντίληψη του περιβάλλοντος όσο και η αλληλεπίδραση του χρήστη µε αυτό µπορούν να µοντελοποιηθούν µε βάση την πραγµατικότητα. Στην περίπτωση της αντίληψης, ένα τέτοιο παράδειγµα είναι η χρήση πολυαισθητήριων ερεθισµάτων που µιµούνται τα ερεθίσµατα του πραγµατικού κόσµου ενισχύοντας έτσι την αληθοφάνεια του εικονικού περιβάλλοντος. Αντίστοιχο παράδειγµα αλληλεπίδρασης είναι το βάδισµα του χρήστη που προκαλεί την πλοήγησή του στο εικονικό περιβάλλον. 1.3.2 Ανάπτυξη Η δηµιουργία ενός εικονικού περιβάλλοντος περιλαµβάνει την κατασκευή του µοντέλου του περιβάλλοντος και το σχεδιασµό των αλληλεπιδράσεων µε το χρήστη. Όσον αφορά το µοντέλο του περιβάλλοντος, τρία είναι τα θεµελιώδη δοµικά του στοιχεία (Ellis, 1993 και Thalmann, 1994): Περιεχόµενο: πρόκειται για τα αντικείµενα (objects) και τα ενεργά στοιχεία (actors). Ενεργά στοιχεία είναι ο ίδιος ο χρήστης που αντιπροσωπεύεται στο εικονικό περιβάλλον από τη δική του γραφική απεικόνιση και έχει τη δική του οπτική άποψη του περιβάλλοντος, αλλά και οι διάφοροι εικονικοί ηθοποιοί - χαρακτήρες, που έχουν τη δυνατότητα να ξεκινούν από µόνοι τους αλληλεπιδράσεις µε τα αντικείµενα του εικονικού περιβάλλοντος. Γεωµετρία: πρόκειται για την περιγραφή του περιβάλλοντος µέσα στο οποίο τοποθετείται το περιεχόµενο και εξελίσσεται η αλληλεπίδραση. Αναφέρεται και ως σκηνικό. υναµικές: είναι οι κανόνες της αλληλεπίδρασης ανάµεσα στα συστατικά του περιβάλλοντος, οι οποίοι περιγράφουν την συµπεριφορά των συστατικών αυτών, καθώς ανταλλάσσουν ενέργεια ή πληροφορία. Σε ό,τι αφορά την αλληλεπίδραση του χρήστη µε το περιβάλλον οι βασικοί τύποι είναι (Bordegoni, 1993 και Herndon κ.ά., 1994): πλοήγηση και έλεγχος του οπτικού πεδίου αλληλεπιδράσεις µε αντικείµενα, όπως πιάσιµο, περιστροφή, µετακίνηση και χρήση αντικειµένων. 12
1.4 Συστήµατα εικονικής πραγµατικότητας Ένα σύστηµα εικονικής πραγµατικότητας αποτελείται από τον υπολογιστή και τις περιφερειακές συσκευές του (δηλαδή, το υλικό που θα χρησιµοποιήσει ο χρήστης), ενώ το αποτέλεσµα που παράγεται από ένα σύστηµα εικονικής πραγµατικότητας είναι το εικονικό περιβάλλον. Το υλικό χρησιµοποιείται αφενός για να καταγράψει την τρέχουσα κατάσταση του χρήστη, όπως θέση στο χώρο, κινήσεις χεριών και κεφαλιού, οµιλία και αφετέρου για να µεταδώσει τα κατάλληλα ερεθίσµατα στις αισθήσεις του, δηλαδή στην όραση, ακοή και αφή του. Αντίθετα, το λογισµικό περιλαµβάνει το ίδιο το εικονικό περιβάλλον αλλά και τα τµήµατα διεπαφής του υλικού µε το περιβάλλον. 1.5 Υλικό συστηµάτων εικονικής πραγµατικότητας Τα βασικότερα χαρακτηριστικά των συστηµάτων εικονικής πραγµατικότητας είναι η αίσθηση εµβύθισης στον εικονικό κόσµο και η δυνατότητα αλληλεπίδρασης µε το χρήστη. Η διαδικασία αυτή στηρίζεται στη σύνδεση των αισθήσεων (όραση, ακοή, αφή, αίσθηση του προσανατολισµού) και του µυϊκού συστήµατος του χρήστη µε ένα υπολογιστικό σύστηµα, µέσω ειδικού εξοπλισµού. Ο απαιτούµενος εξοπλισµός είναι κατάλληλες περιφερειακές συσκευές που διακρίνονται σε εισόδου και εξόδου. 1.5.1 Συσκευές εισόδου Οι συσκευές εισόδου καθορίζουν τον τρόπο µε τον οποίο ο χρήστης επικοινωνεί (αλληλεπιδρά) µε τον υπολογιστή. Μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη περιλαµβάνει αυτές που επιτρέπουν την ανίχνευση της θέσης / κίνησης του χρήστη στο εικονικό περιβάλλον. Ενώ, στη δεύτερη ανήκουν αυτές που επιτρέπουν στο χρήστη να πλοηγηθεί µέσα στο εικονικό περιβάλλον, να δείξει, να επιλέξει και να διαχειριστεί αντικείµενά του. Σε ένα τρισδιάστατο χώρο, για να περιγραφεί η θέση ενός αντικειµένου απαιτούνται έξι µεταβλητές. Τρεις για την κίνηση στους άξονες x, y, z και τρεις για την περιστροφή (roll, pitch, yaw). Όποια συσκευή επιτρέπει την κίνηση και περιστροφή στους τρεις άξονες, θεωρείται πως έχει έξι βαθµούς ελευθερίας. Στη συνέχεια, προσδιορίζονται σχηµατικά οι µετρήσεις θέσης και προσανατολισµού. 13
Σχήµα 2. Αναπαράσταση των µετρήσεων θέσεις και προσανατολισµού στο χώρο Στην κατηγορία των συσκευών εντοπισµού θέσης ανήκουν τα: Συστήµατα ανίχνευσης θέσης και προσανατολισµού Για να διατηρηθεί η αίσθηση της εµβύθισης στο εικονικό περιβάλλον θα πρέπει οι πραγµατικές κινήσεις του χρήστη να συµπίπτουν µε τις εικονικές κινήσεις του βλέµµατος και του σώµατος µέσα σ αυτό και εποµένως µε την αντίστοιχη άποψη που θα απεικονίσει το σύστηµα. Θα πρέπει λοιπόν το σύστηµα να ανιχνεύει συνεχώς τη θέση και τον προσανατολισµό του κεφαλιού και των άλλων µερών του σώµατος ή των αντικειµένων που κινούνται µέσα στο τρισδιάστατο πραγµατικό κόσµο. Για το σκοπό αυτό υπάρχουν τέσσερα βασικά είδη συστηµάτων ανίχνευσης θέσης και προσανατολισµού. 1) Μηχανικά συστήµατα: ένα τέτοιο σύστηµα χρησιµοποιήθηκε στο πρώτο HMD από τον Ivan Sutherland το 1968 και στο οποίο ένας ιδιαίτερα βαρύς αρθρωτός βραχίονας, αναρτηµένος από την οροφή του εργαστηρίου (ο οποίος ονοµάστηκε αµόκλειος Σπάθη), διάβαζε τις κινήσεις του κεφαλιού και ενηµέρωνε το υπολογιστικό σύστηµα. Τα συστήµατα αυτά λοιπόν, είναι ένα σύνολο από άκαµπτους βραχίονες που συνδέονται µεταξύ τους µέσω αρθρώσεων. Προσφέρουν µεγάλη ακρίβεια και ελάχιστη καθυστέρηση, αλλά περιορίζουν ιδιαίτερα την κίνηση του χρήστη. Μηχανικός ανιχνευτής χρησιµοποιήθηκε και στο σύστηµα ΒΟΟΜ που θα περιγραφεί παρακάτω. 14
2) Ηλεκτροµαγνητικά συστήµατα: είναι η πιο διαδεδοµένη µέθοδος ανίχνευσης σήµερα. Αποτελούνται από ένα στατικό τµήµα (που λέγεται ποµπός ή πηγή και είναι τοποθετηµένο κάπου στο χώρο), κάποια κινητά τµήµατα (που λέγονται δέκτες ή αισθητήρες και βρίσκονται πάνω στο HMD) και µια µονάδα ελέγχου. Καθώς η κεραία του ποµπού τροφοδοτείται µε ρεύµα, παράγεται µαγνητικό πεδίο το οποίο λαµβάνεται από την κεραία του δέκτη. Στη συνέχεια, ο δέκτης στέλνει τις µετρήσεις του στην µονάδα ελέγχου, η οποία αφού τις αποκωδικοποιήσει, υπολογίζει τη θέση και τον προσανατολισµό του συγκεκριµένου δέκτη και κατ επέκταση του HMD. Το σύστηµα αυτό παρουσιάζει καθυστέρηση και συχνά σφάλµατα λόγω της ευαισθησίας του σε υλικά µε υψηλή αγωγιµότητα (π.χ. µε µεταλλικές επιφάνειες), που µπορεί να βρίσκονται στο χώρο. Το πρόβληµα αυτών των σφαλµάτων περιορίζεται µε τη χρήση συστηµάτων συνεχούς ρεύµατος αντί εναλλασσόµενου. 3) Συστήµατα ηχητικής ανίχνευσης: και αυτή η µέθοδος δοκιµάστηκε για πρώτη φορά από τον Sutherland το 1968. Για να προσδιοριστεί η θέση και ο προσανατολισµός ενός αντικειµένου στο χώρο χρησιµοποιούνται κύµατα υπερήχων. Ποµποί, που βρίσκονται πάνω στο κινούµενο αντικείµενο (π.χ. HMD), εκπέµπουν υπερήχους που προσλαµβάνονται από κατάλληλα τοποθετηµένους δέκτες. Καταγράφοντας είτε τη χρονική διάρκεια του ακουστικού κύµατος, είτε τη διαφορά φάσης του ακουστικού σήµατος, µπορεί να υπολογιστεί η αλλαγή θέσης και προσανατολισµού του κινούµενου αντικειµένου στο χώρο. Τα συστήµατα αυτά προσφέρουν σχετική ακρίβεια. Για την αποφυγή σφάλµατος, είναι αναγκαία η αποµόνωση του χώρου από άλλα ηχητικά σήµατα και η αποφυγή παρεµβολής οποιασδήποτε επιφάνειας µεταξύ του ποµπού και του δέκτη του ηχητικού σήµατος. 4) Οπτικά συστήµατα: διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες. Στην πιο απλή τους µορφή χρησιµοποιούν µια φωτεινή πηγή και ένα σύνολο από βιντεοκάµερες. Στην δεύτερη κατηγορία ανήκουν συστήµατα laser, όπου η θέση και ο προσανατολισµός του σώµατος υπολογίζεται µετά από ανάλυση της παραγόµενης εικόνας. Η τρίτη κατηγορία αφορά συστήµατα που στηρίζονται στην αναγνώριση προτύπων. 15
Τα συστήµατα αυτά είναι ιδιαίτερα ακριβή σε σχέση µε τα ηλεκτροµαγνητικά. Ειδικά της πρώτης κατηγορίας, απαιτούν περιβάλλον µε ειδικές συνθήκες φωτισµού, αποµόνωσης από το εξωτερικό περιβάλλον και αποφυγής εµποδίων µεταξύ της φωτεινής πηγής και των συσκευών ανίχνευσης του φωτός (Mazuryk και Gervautz, 1996). Οι πιο σηµαντικές συσκευές εισόδου που ανήκουν στην κατηγορία της κατάδειξης και διαχείρισης είναι: α) Συµβατικά δισδιάστατα µέσα Ο πιο απλός και εύκολος τρόπος αλληλεπίδρασης µε τον εικονικό κόσµο µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε συµβατικά δισδιάστατα µέσα, όπως το ποντίκι, το πληκτρολόγιο και τη βοήθεια κατάλληλου λογισµικού. Στην ίδια κατηγορία ανήκει και το joystick που χρησιµοποιείται κυρίως ως χειριστήριο στα ηλεκτρονικά παιχνίδια. Βέβαια, για ένα σύστηµα εικονικής πραγµατικότητας θεωρούνται δύσχρηστα, καθώς περιορίζουν την επικοινωνία του χρήστη µε το σύστηµα. Γι αυτό το λόγο έχουν αναπτυχθεί άλλες πιο σύνθετες συσκευές. β) Τρισδιάστατο ποντίκι (3D Mouse) Πρόκειται για µια συσκευή που µοιάζει µε το γνωστό συµβατικό ποντίκι και λειτουργεί όπως και αυτό, για την εισαγωγή δεδοµένων στις τρεις διαστάσεις. Η διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι υποστηρίζει την κίνηση προς όλες τις κατευθύνσεις και συγχρόνως, την περιστροφή µε όλους τους δυνατούς τρόπους. Έχει δηλαδή έξι βαθµούς ελευθερίας: x, y, z, roll, pitch, yaw.. Εικόνα 12. Τρισδιάστατο ποντίκι γ) Τρισδιάστατη µπίλια ή σφαίρα πλοήγησης (SpaceBall) Είναι µια συσκευή για την εισαγωγή τρισδιάστατων δεδοµένων, κυρίως για συστήµατα εικονικής πραγµατικότητας που βασίζονται σε προσωπικό υπολογιστή. Ο χρήστης τοποθετεί το χέρι του πάνω σε µια κεκλιµένη 16
επιφάνεια µε εργονοµική σχεδίαση και χειρίζεται µια σφαίρα σε µέγεθος µπάλας του µπιλιάρδου. Μια ελαφριά µετακίνηση ή στρέψη της σφαίρας αυτής, µετακινεί αντίστοιχα και προς την ίδια κατεύθυνση κάποιο συνδεδεµένο σηµείο του τρισδιάστατου εικονικού περιβάλλοντος, π.χ. την οπτική γωνία του χρήστη. Τα επιπλέον κουµπιά αυξάνουν τις δυνατότητες αλληλεπίδρασης. Η ολική σύλληψη και εφαρµογή είναι πολύ απλή και φιλική στην εκµάθηση, πράγµα που κάνει την συσκευή αυτή ανεκτίµητο βοήθηµα για την πλοήγηση και τον προσανατολισµό µέσα στον εικονικό χώρο (Καλαµπαλίκης και Κάτσικας, 1992). Εικόνα 13. Spaceball δ) Χειριστήριο εικονικής πραγµατικότητας (VR Controller) Τα joystics επιτρέπουν την κίνηση προς δύο κατευθύνσεις, την κατακόρυφη (µπροστά και πίσω) και την οριζόντια (δεξιά και αριστερά). Το VR Controller, από την άλλη, επιτρέπει την κίνηση προς µια επιπλέον διεύθυνση, δηλαδή πάνω και κάτω, ενώ παράλληλα υπάρχει και η δυνατότητα περιστροφής γύρω από τους άξονες. Έχει λοιπόν έξι βαθµούς ελευθερίας, ενώ η κίνηση συλλαµβάνεται µέσω οπτικών και ψηφιακών αισθητήρων. Εικόνα 14. Χειριστήριο εικονικής πραγµατικότητας ε) Γάντι δεδοµένων (DataGlove) Οι µόνες κινήσεις που επιτρέπονταν αρχικά, κατά την αλληλεπίδραση του ανθρώπινου χεριού µε τον υπολογιστή, ήταν η πληκτρολόγηση και η 17
µετακίνηση πάνω σε µια επίπεδη επιφάνεια ενός εργαλείου σχεδίασης (π.χ. ποντίκι). Οι επιστήµονες της πληροφορικής θέλησαν να δοκιµάσουν και άλλες δυνατότητες αλληλεπίδρασης που θα στηρίζονταν σε µια πιο ελεύθερη κίνηση του χεριού, κάτι που σήµαινε ότι έπρεπε να επινοηθούν εξαρτήµατα που θα ανίχνευαν µε ακρίβεια τις ελεύθερες αυτές κινήσεις. Μια τέτοια συσκευή είναι το γάντι δεδοµένων, στην οποία χρησιµοποιούνται αισθητήρες για ανίχνευση της θέσης και κατάστασης των δακτύλων καθώς και αισθητήρες για ανίχνευση της θέσης και προσανατολισµού ολόκληρου του χεριού. Τα δεδοµένα που προκύπτουν από την ανίχνευση χρησιµοποιούνται για την κατασκευή της εικονικής αναπαράστασης του χεριού και των κινήσεων του µέσα στο εικονικό περιβάλλον. Στην καλύτερη περίπτωση κατά την οποία δεν υπάρχει σηµαντική καθυστέρηση µεταξύ της πραγµατικής και της εικονικής κίνησης του χεριού, ενισχύεται κατά πολύ η αίσθηση της παρουσίας του χρήστη µέσα στο εικονικό περιβάλλον. Οι αισθητήρες αυτοί µπορεί να είναι µηχανικοί, ηχητικοί, οπτικοί για την ανίχνευσης της θέσης του χρήστη στο εικονικό περιβάλλον, είτε ηλεκτροµαγνητικοί για την ανίχνευση του σχήµατος του χεριού. Τα πιο γνωστά µοντέλα είναι το DataGlove της VPL, το CyberGlove και το ιδιαίτερα φθηνό PowerGlove της Mattel. Εικόνα 15. Αριστερά: DataGlove της VPL - εξιά: CyberGlove στ) Στολή δεδοµένων (DataSuit) Η στολή δεδοµένων είναι εφοδιασµένη µε τεχνολογία αντίστοιχη µε το γάντι δεδοµένων, δηλαδή µε οπτικές ίνες και ειδικούς αισθητήρες, για τις κυριότερες αρθρώσεις των µελών του σώµατος. Με τη συσκευή αυτή 18
ολόκληρο το σώµα του χρήστη µπορεί να αναπαρασταθεί γραφικά και να αλληλεπιδράσει µέσα σε ένα εικονικό περιβάλλον. Το πρόβληµα µε τη στολή δεδοµένων είναι ότι πρέπει να εφαρµόζει τέλεια στο σώµα, αλλιώς οι ανιχνευτές θέσεως δεν θα βρίσκονται στο σωστό σηµείο που αντιστοιχεί στο σώµα, το οποίο ελέγχουν. Η εταιρία VPL έχει κατασκευάσει µια τέτοια συσκευή, λιγότερο δηµοφιλή από το γάντι δεδοµένων, η οποία έχει χρησιµοποιηθεί σε κάποιες ταινίες στον κινηµατογράφο. Εικόνα 16. Στολή δεδοµένων 1.5.2 Συσκευές εξόδου Οι συσκευές εξόδου είναι υπεύθυνες για την παρουσίαση του εικονικού περιβάλλοντος στο χρήστη και για τη δηµιουργία της αίσθησης εµβύθισης. Οι σηµαντικότερες συσκευές παρουσιάζονται παρακάτω. α) Κράνη εικονικής πραγµατικότητας HMD - Head Mounted Display Το HMD (οθόνη προσαρµοσµένη στο κεφάλι) όπως προδίδει το όνοµα του, είναι µια οθόνη που φοριέται από τον χρήστη σαν κράνος. Αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την πλήρη εµβύθιση του χρήστη σε ένα εικονικό περιβάλλον. Ο Sutherland κατασκεύασε το πρώτο HMD το 1965. Είκοσι χρόνια µετά η εταιρεία VPL Research (από τη φράση Virtual Programming Languages) ξεκινά τη διάθεση στο εµπόριο τέτοιων συσκευών. 19
Το κράνος αυτό περιέχει δύο µικροσκοπικές οθόνες, σε ελάχιστη απόσταση από τα µάτια του χρήστη (µια για κάθε µάτι), οι οποίες προβάλλουν τις κινούµενες εικόνες του εικονικού περιβάλλοντος και µε τη βοήθεια κατάλληλων φακών δίνουν την ψευδαίσθηση ότι βρίσκεται πραγµατικά µέσα σ αυτό. Επίσης, περιλαµβάνει ένα ανιχνευτή που καταγράφει κάθε φορά τη θέση και τον προσανατολισµό του κεφαλιού του χρήστη. Έτσι, προσαρµόζεται ανάλογα η απεικόνιση των οθονών, ενώ ο χρήστης είναι ελεύθερος να κινηθεί στο χώρο (περιορισµένος µόνο από τις καλωδιώσεις του κράνους). Για να ολοκληρωθεί η πολυδιάστατη εµπειρία του εικονικού περιβάλλοντος, το κράνος µπορεί να διαθέτει ηχεία µε στερεοφωνικό ήχο. Εικόνα 17. HMD Οι βασικές τεχνολογίες που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή των οθονών ενός HMD είναι: Cathode Ray Tubes (CRT): ακολουθούν την τεχνολογία της συµβατικής τηλεόρασης. Προσφέρουν καλή ποιότητα εικόνας, από άποψη ανάλυσης (µέχρι 1600x1280), κοντράστ (αντίθεση της εικόνας) και ευκρίνειας. Ως µειονεκτήµατα θεωρείται το µεγάλο τους βάρος, η µεγάλη κατανάλωση ενέργειας, η υψηλή τους τιµή και η παραγωγή ισχυρού µαγνητικού πεδίου που µπορεί να προκαλέσει προβλήµατα υγείας. Liquid Crystal Displays (LCD): είναι επίπεδες, µε µικρό βάρος, έχουν µικρότερες απαιτήσεις σε ισχύ ρεύµατος, στοιχίζουν λιγότερο και δεν παρουσιάζουν κανένα κίνδυνο για την υγεία του χρήστη λόγω της χαµηλής εκποµπής ακτινοβολίας. Το µεγαλύτερο µειονέκτηµα είναι η 20
χαµηλή ποιότητα εικόνας (χαµηλό κοντράστ, χαµηλή φωτεινότητα, χαµηλή ανάλυση µέχρι 720x480). Άλλες λιγότερο διαδεδοµένες τεχνολογίες απεικόνισης, που χρησιµοποιούνται σε HMD είναι: Σωλήνες φωτός (light pipe): σύστηµα που χρησιµοποιεί µια δεσµίδα από παράλληλες οπτικές ίνες για να µεταφέρει µια εικόνα και να την προβάλλει στο µάτι, µέσω µιας σειράς φακών. Η ανάλυση είναι ιδιαίτερα υψηλή, αλλά µε αυξηµένο κόστος. Ανίχνευση του αµφιβληστροειδή µε Laser (Virtual Retinal Laser Scanner): σύστηµα που χρησιµοποιεί µια ακτίνα laser χαµηλής ισχύος για να σχεδιαστεί η εικόνα κατευθείαν στον αµφιβληστροειδή χιτώνα του µατιού. Η ανάλυση και ο ρυθµός εναλλαγής των εικόνων είναι µεγάλα. Η τεχνολογία όµως αυτή βρίσκεται σε πειραµατικό στάδιο. Η µέθοδος αυτή προσεγγίζει περισσότερο από οποιαδήποτε άλλη, την ολοκληρωτική εµβύθιση στο εικονικό περιβάλλον. HUD (Head Up Display) Η συσκευή αυτή δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να εµβυθίζεται σε ένα εικονικό κόσµο όταν στρέψει το βλέµµα του προς τα επάνω, ενώ συγχρόνως του επιτρέπει να έχει οπτική επαφή µε το περιβάλλον του εάν κοιτάξει προς τα κάτω. Χρησιµεύει σε εφαρµογές που ο χρήστης πρέπει να διατηρεί συγχρόνως οπτική επαφή µε τον εικονικό και τον πραγµατικό κόσµο και να εναλλάσσεται µεταξύ των δύο κατ επιλογή του. Ένα παράδειγµα τέτοιας εφαρµογής είναι οι εκπαίδευση σε εικονικές εγχειρήσεις. Εικόνα 18. HUD 21
β) BOOM (Binocular Omni - Oriented Monitor) ή HCD (Head Coupled Display) Το BOOM (διοπτρική παν-προσανατολισµού οθόνη) των εργαστηρίων Fakespace είναι ένας άλλος τύπος οθονών υψηλής ανάλυσης, για εφαρµογές που δεν είναι αναγκαία η πλήρη εµβύθιση. ύο οθόνες και γενικότερα όλο το οπτικό σύστηµα τοποθετούνται µέσα σε ένα κουτί που στηρίζεται πάνω σε ένα µηχανικό βραχίονα. Συνδυάζει δηλαδή, µηχανική ανίχνευση µε στερεοσκοπική εικόνα (εικόνα που δίνει την αίσθηση του βάθους). Ο χρήστης βλέπει τον εικονικό κόσµο κοιτώντας µέσα στο κουτί (πλησιάζοντας απλώς τους φακούς). Μέσω ειδικών λαβών, που συνδέονται µε τον υπολογιστή, µπορεί να καθοδηγήσει το κουτί σε οποιαδήποτε θέση. Αυτή η µέθοδος απεικόνισης είναι ιδανική για εφαρµογές όπου χρειάζεται εναλλαγή µεταξύ κατάστασης εµβύθισης και µη εµβύθισης (επιτραπέζιας). Εικόνα 19. BOOM γ) Στερεοσκοπικά γυαλιά (LCD Shutter Glasses) Μια άλλη συσκευή ανάµεσα στα µάτια του χρήστη και την οθόνη του υπολογιστή, µε την οποία υπάρχει µια εµπειρία εµβύθισης, είναι τα στερεοσκοπικά γυαλιά. Χρησιµοποιούν ειδικούς φακούς τύπου LCD που αποτελούν µια φτηνή λύση για τρισδιάστατη απεικόνιση. Μέσω των γυαλιών αυτών, ο χρήστης βλέπει εναλλάξ στο αριστερό και το δεξί του µάτι, εικόνες από το εικονικό περιβάλλον. Αυτό επιτυγχάνεται µε το άνοιγµα και κλείσιµο 22
του αντίστοιχου φακού, σε πολύ υψηλές συχνότητες. Το αποτέλεσµα είναι η δηµιουργία µιας αρκετά ρεαλιστικής τρισδιάστατης απεικόνισης, χωρίς να γίνεται αντιληπτή αυτή η εναλλαγή. ιακρίνονται σε ενεργητικά και παθητικά. Στα ενεργητικά γυαλιά είναι δυνατό να µεταβάλλεται η προβαλλόµενη στην οθόνη του υπολογιστή εικόνα ανάλογα µε την στροφή του κεφαλιού. Για το σκοπό αυτό τοποθετείται πάνω από την οθόνη µια κεραία ανίχνευσης του κεφαλιού. υστυχώς, το σύστηµα αυτό απορυθµίζεται σχετικά εύκολα. Τα παθητικά γυαλιά λειτουργούν σε συνεργασία µε φίλτρα οθόνης που δίνουν την στερεοσκοπική αίσθηση. Αυτό ευνοεί την ταυτόχρονη παρακολούθηση της οθόνης από πολλούς χρήστες αλλά δεν επιτρέπει την µεταβολή της εικόνας ανάλογα µε την κίνηση του κεφαλιού. Εικόνα 20. Στερεοσκοπικά γυαλιά δ) CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) Το σύστηµα CAVE (Αυτόµατο Εικονικό Περιβάλλον Σπηλαίου) αναπτύχθηκε στο πανεπιστήµιο Illinois του Σικάγου. Πρόκειται για ένα δωµάτιο σε σχήµα κύβου, µε ακµή 3 µέτρων, του οποίου οι τοίχοι είναι οθόνες προβολής. Τέσσερις projectors, υψηλής ανάλυσης, προβάλλουν στις τρεις συνεχόµενες κατακόρυφες οθόνες και στο δάπεδο του δωµατίου, εικόνες του εικονικού περιβάλλοντος. Μέσα στο σύστηµα CAVE ο χρήστης µπορεί να περπατήσει ελεύθερα, φορώντας τρισδιάστατα γυαλιά. Αισθητήρες των κινήσεων του κεφαλιού προσαρµόζουν συνεχώς την στερεοσκοπική προβολή στην τρέχουσα θέση του ατόµου. Τέλος, στο σύστηµα CAVE o βαθµός εµβύθισης είναι υψηλός και λόγω των διαστάσεών του επιτρέπει ταυτόχρονα την παρουσία περισσότερων του ενός χρηστών (Vince, 2004). 23
Εικόνα 21. Το σύστηµα CAVE ε) Γιλέκο εικονικής πραγµατικότητας (VR Vest) Άλλη µια φορητή συσκευή που δίνει την αίσθηση εµβύθισης στο εικονικό περιβάλλον είναι το γιλέκο εικονικής πραγµατικότητας, η οποία παρέχει φυσική αλληλεπίδραση στο πάνω µέρος του σώµατος του χρήστη. Παρόµοια µε το γάντι δεδοµένων, η σύνδεση επιτυγχάνεται µε ένα αριθµό αισθητήρων, οι οποίοι τοποθετούνται σε διάφορα σηµεία του γιλέκου. Έτσι, ο χρήστης µπορεί να αισθανθεί ένα χτύπηµα που δέχεται, σε ένα παιχνίδι µάχης. Εικόνα 22. Γιλέκο εικονικής πραγµατικότητας στ) Καρέκλα εικονικής πραγµατικότητας (VR Chair) Η καρέκλα εικονικής πραγµατικότητας έχει την ιδιότητα παροχής έντονης ηχητικής αλληλεπίδρασης στο χρήστη. Έχοντας εγκατεστηµένα στα διάφορα σηµεία της πολυάριθµα ηχεία και µε την ικανότητα παραγωγής ρεαλιστικών ηχητικών δονήσεων, επιτρέπει στο χρήστη όχι µόνο να ακούει αλλά πραγµατικά να νιώθει τον ήχο (Σπύρος Τσαγκάκης, 2002). 24
Εικόνα 23. Καρέκλα εικονικής πραγµατικότητας 1.6 Λογισµικό συστηµάτων εικονικής πραγµατικότητας Το λογισµικό είναι υπεύθυνο για τον κατάλληλο έλεγχο και συγχρονισµό ολόκληρου του συστήµατος. Συνήθως διαχωρίζεται σε λογισµικό ανάπτυξης και λογισµικό εκτέλεσης. Το λογισµικό ανάπτυξης χρησιµοποιείται για το σχεδιασµό του εικονικού περιβάλλοντος. Το λογισµικό εκτέλεσης αναλαµβάνει τη διασύνδεση του χρήστη µε τον υπολογιστή παρέχοντάς του ελευθερία στην πλοήγηση και αλληλεπίδραση (είναι αυτό που εκτελείται κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης του χρήστη µε το περιβάλλον). Κατά την διάρκεια της ανάπτυξης του περιβάλλοντος χρησιµοποιούνται οι παρακάτω τύποι προγραµµάτων: πρόγραµµα τρισδιάστατης µοντελοποίησης ή τρισδιάστατης ψηφιοποίησης από δεδοµένα του πραγµατικού κόσµου για τη δηµιουργία των τρισδιάστατων µοντέλων εργαλεία βελτιστοποίησης γεωµετρίας για µείωση του όγκου των δεδοµένων και καλύτερη απόδοση του περιβάλλοντος εργαλεία επεξεργασίας εικόνας για την κατασκευή των υφών που θα προστεθούν στα µοντέλα γλώσσα προγραµµατισµού ή ειδική script γλώσσα για εικονικά περιβάλλοντα για τον προγραµµατισµό των κανόνων του κόσµου και της κίνησης των αντικειµένων Οι διαδικασίες που εκτελούνται κατά τη διάρκεια εκτέλεσης ενός εικονικού περιβάλλοντος είναι οι παρακάτω: Μηχανή τρισδιάστατης οπτικοποίησης και παραγωγής ήχου σε πραγµατικό χρόνο: είναι η διαδικασία που δηµιουργεί την προοπτική 25
πρώτου προσώπου του χρήστη και αναπαριστά το περιβάλλον σε πραγµατικό χρόνο. Σε περίπτωση που το περιβάλλον περιέχει και τρισδιάστατο ήχο αναλαµβάνει και την προσαρµογή του ήχου ανάλογα µε την τρέχουσα θέση του χρήστη. ιαδικασία χειρισµού συσκευών εισόδου - εξόδου του χρήστη: η διαδικασία αυτή λαµβάνει δεδοµένα από τις συσκευές εισόδου (π.χ. γάντι δεδοµένων, µικρόφωνο, θέση κεφαλιού) και τα µεταφράζει σε δεδοµένα του εικονικού περιβάλλοντος. Αντίστοιχα, µετά από κάθε οπτικοποίηση ή παραγωγή τρισδιάστατου ήχου µεταφέρει την εικόνα και τον ήχο στις αντίστοιχες συσκευές εξόδου. ιαδικασία προσοµοίωσης: είναι ουσιαστικά ο πυρήνας του εικονικού περιβάλλοντος, καθώς είναι η διαδικασία που εφαρµόζει τους νόµους του περιβάλλοντος (που µπορεί να αφορούν στην κίνηση ή σε άλλες επιτρεπτές ενέργειες) στα αντικείµενα και υπολογίζει τις νέες τους ιδιότητες. Βάση δεδοµένων γεωµετρίας του περιβάλλοντος: η γεωµετρία του περιβάλλοντος αποθηκεύεται και ανακτάται µε τέτοια µορφή, ώστε το περιβάλλον να έχει όσο το δυνατόν µεγαλύτερη απόδοση. Η διαδικασία αυτή αναλαµβάνει να µην εµφανίσει τα αντικείµενα που δεν είναι στο οπτικό πεδίο του χρήστη ή να αντικαταστήσει τα αντικείµενα που βρίσκονται µακριά από το χρήστη µε αντίστοιχα µειωµένης λεπτοµέρειας (Χαρίτος και Μαρτάκος, 1999). 1.7 Κατηγορίες συστηµάτων εικονικής πραγµατικότητας Για την καλύτερη παρουσίαση του που βρίσκεται σήµερα η τεχνολογία της εικονικής πραγµατικότητας είναι αναγκαία κάποια µορφή ταξινόµησης. Ωστόσο δεν έχουν καθοριστεί µε ακρίβεια οι κατηγορίες των συστηµάτων εικονικής πραγµατικότητας, αν και έχουν γίνει πολλές προσπάθειες τα τελευταία χρόνια. Το πρόβληµα οφείλεται στο γεγονός ότι σε κάθε προσπάθεια λαµβάνονται υπόψη διαφορετικά κριτήρια. Παρακάτω δίνονται δυο ενδεικτικές περιπτώσεις κατηγοριοποίησης. Τα συστήµατα εικονικής πραγµατικότητας, ανάλογα µε το βαθµό εµβύθισης του χρήστη, διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: 26
1) Επιτραπέζια συστήµατα ή Παράθυρο στον κόσµο (χωρίς εµβύθιση) 2) Συστήµατα προβολής (µερική εµβύθιση) 3) Συστήµατα πλήρους εµβύθισης Ακολουθεί ανάλυση των συστηµάτων αυτών: 1) Επιτραπέζια συστήµατα (Desktop Systems) ή Παράθυρο στον κόσµο (Window on World WoW) Είναι τα πιο διαδεδοµένα καθώς απαιτούν απλώς την ύπαρξη ενός προσωπικού υπολογιστή. Για την οπτικοποίηση του εικονικού περιβάλλοντος χρησιµοποιείται µία απλή οθόνη υπολογιστή που λειτουργεί σαν παράθυρο µέσω του οποίου ο χρήστης µεταφέρεται στον εικονικό κόσµο. Η αλληλεπίδραση µε το εικονικό περιβάλλον γίνεται µε συµβατά µέσα, όπως πληκτρολόγιο, ποντίκι, σπανιότερα µε τρισδιάστατο ποντίκι ή γάντι δεδοµένων και χωρίς εξειδικευµένα περιφερειακά πλοήγησης στον τρισδιάστατο εικονικό χώρο (π.χ. HMD). Το 1965 ο Ivan Sutherland στο βιβλίο του The Ultimate Display αναφέρει: "Καθένας πρέπει να βλέπει την οθόνη σαν ένα παράθυρο µέσα από το οποίο έρχεται σε επαφή µε το εικονικό περιβάλλον. Η πρόκληση είναι να γίνει η εικόνα και ο ήχος να µοιάζουν αληθινά και τα αντικείµενα να αντιδρούν σαν αληθινά". Μια παραλλαγή της περίπτωσης παράθυρο στον κόσµο αποτελούν τα συστήµατα Video Mapping στα οποία βίντεο µε τη σιλουέτα του χρήστη συνδυάζεται µε την εικόνα που παράγεται από τον υπολογιστή. Ο χρήστης βλέπει σε µια οθόνη 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 δεκαετίας του 60 (Videoplace). Τα συστήµατα αυτά δεν παρέχουν αίσθηση εµβύθισης και έτσι µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε απλές εφαρµογές εικονικής πραγµατικότητας. Το χαµηλό τους κόστος οφείλεται στα χαµηλού επιπέδου γραφικά που απαιτούν. 2) Συστήµατα προβολής (Projection Systems) Η τεχνολογία τους βασίζεται στην προβολή εικόνων πάνω σε µια ή περισσότερες οθόνες. Όταν ο χρήστης περιβάλλεται από οθόνες 27