Virtuelna realnost

Virtuelna realnost (engl. virtual reality), poznata i skraćeno kao VR (engl. VR), skup je tehnologija koje se, u jednom smeru, koriste za sintetizaciju autentičnog sklopa vizuelnih, zvučnih, dodirnih, a ponekad i drugih čulnih iskustava kako bi pružile iluziju da praktično nepostojeće stvari definisane i smeštene samo u računarskoj memoriji mogu da se vide, čuju, dodirnu i osete na neki drugi potreban način. U drugom smeru, ove tehnologije se koriste da bi autentično registrovale ljudske pokrete, zvuke i druge moguće ulazne podatke na način koji je računaru tačan i obradiv. Oba ova smera dejstva — od računara ka čoveku i od čoveka ka računaru — se koriste da bi pružili imerzivni i interaktivni interfejs između virtuelnih svetova i ljudi ili drugih vrsta korisnika. S obzirom da više od jednog korisnika može da učestvuje u ovom procesu, virtuelna realnost se može shvatiti i kao medijum.

Simuliranje spuštanja padobranom

Virtuelna stvarnost predstavlja korišćenje računara i specijalnih hardversko - softverskih pomagala za generisanje "virtuelnog okruženja" u realnom vremenu, koje za korisnika izgleda stvarno. Virtuelna realnost je termin koji se koristi za definisanje interaktivnog,  trodimenzionalnog,  kompjuterski generisanog  prostora  koji  korisnici  doživljavaju posredstvom čulnih, odnosno tehnoloških pomagala.

Etimološki, pridev virtuelno (lat. virtus) označava ono što dolazi  iz privida,  što je  nestvarno, postoji  samo u  umu, nema  fizički  oblik  (ali  se uz  pomoć softvera  čini  da  ga ima),  dok  je  imenica  realnost  (lat.  realis)  činjenično  i stvarno stanje  stvari koje  postoje i  mogu  biti doživljene. Iako  je  kovanica  virtuelna  –  stvarnost  naizgled kontradiktorna, ona  bi mogla  biti shvaćena  kao  kreiranje nestvarnog,  sintetičkog  mikrosveta  u  stvarnom, postojećem  svetu. Imerzija  označava mentalno  ili  fizičko  utonjuće,  utapanje  i  uronjivanje  u neki sadržaj ili medij. Ona je „senzacija prisutnosti unutar jednog  okruženja;  može biti  čisto  mentalno stanje ili se može  postići  fizičkim  sredstvima:  fizičko  utonuće određuje karakteristiku virtuelne stvarnosti“. Simulacija virtuelne  stvarnosti nastoji  da stvori  neprirodno  iskustvo fizičkog i mentalnog prisustva na imaginarnom mestu, te da  zavara um  da se  nalazi na  drugoj  lokaciji. Tehnologija virtuelne stvarnosti bazirana je na čulima vida, sluha i dodira i zasnovana je na interfejsu čovek-računar. Neki od sinonima za virtuelnu realnost su: artificijelna ili veštačka  stvarnost, sajber – prostor,  virtuelna prisutnost, teleprisutnost  i  kompjuterski  generisano  okruženje.

Istorija

Za početak razvoja virtuelne stvarnosti smatra se mašina koju je konstruisao Edwin Link 1929. godine, koja je putniku davala osećaj da leti avionom. Početkom 60-tih godina 20. veka, Morton Heilig konstruisao je uređaj "Sensorama", koji je korišćenjem svetla, zvuka, pokreta i mirisa, "uvlačio" učesnika u vožnju motocikla kroz Bruklin i ostale gradove. Ovaj uređaj kasnije je evoluirao u uređaj za obuku pilota. Inovacije od 1960-1970. godine doprinele su napredku tehnologije virtuelne stvarnosti. Jedan od njih je i rad Ajvan Saderlanda "The Ultimate Display" objavljen 1965. godine. U ovom radu autor je pokušao da objasni kako računar može da omogući "prozor" u virtuelni svet. Isti autor je 1968. godine konstruisao prvi HMD (Head Mounted Display), koji je omogućavao praćenje pozicije korisnika, mogao je da prikaže žičani model okruženja, kao i da generiše prikaz za levo i desno oko korisnika. Paralelno sa radom Saderlanda istraživački tim sa Univeziteta Severna Karolina, započeo je "GROPE" projekat koji je imao za cilj da istraži force-feedback u realnom vremenu. Kao rezultat ovog projekta korisnik je mogao da oseti dodir u virtuelnom svetu. 

Vrednost tržišta koje pokrivaju tehnologije virtuelne stvarnosti je 24 milijarde dolara (2000) i 22,3 milijarde dolara (2001). Godišnji rast tržišta od 1997-2001 godine je oko 17 %. U 2001. godini, primena tehnologija virtuelne realnosti bila je najzastupljenija u oblasti razvoja virtuelnih prototipa, muzeja i izložbi, evaluacije dizajna, vizualizacije istraživačkih podataka i u arhitekturi.

Klasifikaija sistema virtuelne stvarnosti

Da bi se izvršila klasifikacija sistema virtuelne realnosti potrebno je definisati četiri osnovne karakteristike svakog sistema virtuelne realnosti a to su:

• stepen "utapanja" korisnika u virtuelni svet (eng. immersion - imerzivnost),
• prisutnost (eng. presence),
• navigacija (eng. navigation)
• interakcija korisnika sa svetom virtuelne stvarnosti

Sistem virtuelne realnosti u koji korisnik može totalno da se  "utopi", to jest ne može da zaključi šta je ralno, a šta virtuelno  smatra se visoko imerzivnim sistemom. Prisutnost korisnika u virtuelnom svetu definiše se mogućnošću da korisnik može da vidi svoje telo ili ruku u virtuelnom svetu pri čemu pokreti tela u virtuelnom svetu treba da odgovaraju pokretima u realnom svetu. Stepeni imerzivnosti i prisutnosti najčešće su obrnuto proporcionalni jedan durgom, što je posledica različitih mogućnosti hardvera koji se koriste u sistemima virtuelne stvarnosti.

Različiti tipovi virtuelnih sistema prema stepenu imerzivnosti u zavisnosti od ulazno-izlaznih uređaja, rezolucije, stepena interakcije sa korisnikom i cene sistema prikazani su u tabeli. 

VR sistem	Neimerzivan VR sistem	Poluimerzivan VR sistem	Potpuno imerzivan VR sistem
Ulazni uređaji	miš, tastatura, džojstik	džojstik, rukavice, 3D miš	rukavice, glasovne komande
Izlazni uređaji	standardni monitor visoke rezolucije	veliki monitori, veliki projektorski sistemi	HMD, CAVE
Rezolucija	visoka	visoka	niska - srednja
Imerzivnost	niska(nema je)	srednja - visoka	visoka
Interakcija	niska	srednja	visoka
Cena	niska	visoka	vrlo visoka

Karakteristike virtuelne stvarnosti

Ulazno-izlazni uređaji

Od ulaznih uređaja u sistemima virtuelne realnosti najčešće se koriste 3D miš i rukavice. Svi ulazni uređaji moraju posedovati šest stepeni slobode (3 translacije i 3 rotacije).

3D miš je ulazni uređaj koji se drži u ruci, poseduje senzor za praćenje i nekoliko tastera. Najčešće se koristi za selekciju predmeta u virtuelnoj stvarnosti i manipulisanje sa njima. Mana ovog uređaja je što ne može u potpunosti da simulira pokrete rukom kao što su pokazivanje i hvatanje objekata. Upravo ove nedostatke otklanja rukavica koja se koristi u virtuelnom okruženju. 

Uređaji za prikaz virtuelnog okruženja su doživeli veliki napredak. Od uređaja za prikaz najčešće se koriste 3D ekrani, HMD naočari, CAVE (eng. Cave Automatic Virtual Environment - kavezno automatsko virtuelno okruženje), virtuelni stolovi, BOOM (Binocular Omni-Orientation Monitor).

HMD naočari se sastoje od dva LCD ekrana (po jedan za svako oko) i sa senzorom koji daje položaj glave korisnika, pri čemu je korisnik kompletno "uvučen" u virtuelno okruženje. Mana je relativno mala rezolucija LCD ekrana. 3D ekrani stvaraju stereoskopsku sliku koja omogućava korisniku da uz upotrebu specijalnih polarizovanih naočara (stereoskopske naočare)  stvore iluziju prostornosti virtuelnog okruženja. Prednost im je visoka rezolucija prikaza dok je imerzivnost prilično mala.

Virtuelni stolovi sastoje se od projektora koji projektuju stereoskopsku sliku na najčešće staklenoj površini, pri čemu korisnik uz upotrebu polarizovanih naočara dobija kvalitetnu 3D sliku virtuelnog okruženja. Kao prednost virtuelnih stolova ističe se visoka rezolucija, mogućnost da više korisnika učestvuje u radu, dok je mana prilično visoka cena.

CAVE je najsavršeniji uređaj za prikaz virtuelnog okruženja, gde se najčešće u prostoru kvadra raspoređuju površine na koje se uz pomoć projektora vrši projekcija virtuelnog okruženja. Korisnik koristi polarizovane naočare da bi dobio 3D prikaz okruženja. Prednost je velika imerzivnost sistema, kao i mogućnost da veći broj ljudi ušestvuje u okruženju. Kao manu treba istaći veliku cenu ovakvog sistema.

U poslednje vreme od izlaznih uređaja koji se sve češće koriste su heptički uređaji( haptics devices - od grčke reči haptikois što znači mogućnost dodira ili hvatanja), koji omogućavaju korisniku da može da "dodirne" virtuelno okruženje preko force-feedbeka. Najpopularniji heptički uređaj je PHANTOM firme Sensable technologies, koji poseduje šest stepeni slobode i omogućava rezoluciju do 0,007 [mm].

Softveri za generisanje Virtuelnog okruženja

Od softverskih alata koji se koriste za generisanje virtuelnog okruženja, to su pre svega CAD alati uz pomoć kojih se vrši modeliranje objekata virtuelnog okruženja. Definisane objekte zatim treba transformisati u neki od formata koji je pogodan za prikaz okruženja u realnom vremenu, najčešće u neki od poligonalnih oblika. Zatim je potrebno dodeliti objektima određeno ponašanje, za koje takođe postoje specijalizovani programi kao što je WorldToolKit. Za većinu ulazno-izlaznih uređaja postoje razvojne biblioteke koje korisnicima omogućavaju programiranje uređaja, koje su najčešće pisane u C ili C++ programskom jeziku. Jedno od razvojnih biblioteka je GHOST, koja služi za programiranje Phantom force-feedback uređaja. Najkorišćenija grafička biblioteka je OpenGL, pošto je zahtev većine VR aplikacija prikaz u realnom vremenu.

Tehnologija povećane/proširene realnosti

Posebna varijanta virtuelne realnosti je povećana realnost (eng. Augment reality - AR). Proširena stvarnost je direktni ili indirektni pogled uživo na fizičko, realno okruženje kome su dodati ili dopunjeni kompjuterski generisani elementi, kao što su: audio, video, grafika ili GPS podaci.

Cilj AR tehnologije nije da korisnika "uvuče" u virtuelni svet tj. visoka imerzivnost, već da korisniku prikaže svet koji se dobija kombinacijom virtuelnog i stvarnog okruženja. Prednost AR tehnologije je ta što ona ne zahteva veliku računarsku "snagu" kao VR tehnologija, jer se jedan deo okruženja modelira, dok se drugi dobija iz stvarnog okruženja. Zbog manje računarske "snage", trenutno se tehnologija AR masovno koristi i ima više potencijala od tehnologije VR. Danas su zastupljene dve varijante implementacije AR tehnologije: optička i video.

Za razliku od optičkog AR sistema gde se putem optičkih kombinatora, kombinuju slike ralnog i virtuelnog okruženja, kod video AR sistema na kacigi su montirane dve kamere, čiji signali odlaze na obradu u računar gde se kombinuju sa virtuelnim okruženjem i korisnik dobija generisnu sliku za svako oko posebno. Klasičan primer optičkog AR sistema predstavlja HUD (Head Up Display) koji koriste piloti u borbenim avionima.

Primena VR

Oblasti u kojima je moguća primena tehnologije virtuelne realnosti su:

• virtuelno projektovanje
• virtuelna proizvodnja
• virtuelna izrada prototipa
• virtuelna montaža sklopova
• planiranje održavanja

VR tehnologija može uzeti ulogu u celokupnom "životnom veku" jednog proizvoda od samog smišljanja, projektovanja, distribucije na tržište pa do održavanja i na kraju do reciklaže proizvoda. Tehnologija  VR mora se posmatrati kao skup komponenti kao što su: čovek, računarom integrisani metodi razvoja proizvoda (CAD, CAM, FEA, CAPP...), simulacija ponašanja objekata prema zakonima fizike, softver za grafičko i geometrijsko procesiranje, VR-hardver, kao i više modalni sistemi interakcije (kao što su heptički uređaji).

Virtuelno projektovanje

U tradicionalnim CAD sistemima najčešće korišćeni ulazni uređaji su miš i tastatura. Shodno tome da je rezultat projektovanja 3D model, 2D uređaj kakav je miš ograničava vizuelizaciju modela u realnom vremenu.

CAD sistemi zasnovani na tehnologiji VR (VR-CAD) omogućavaju korisniku da na što prirodniji način, korišćenjem 3D ulaznih uređaja, pokretima ruke i glasom što brže i realnije učestvuje u procesu modeliranja proizvoda.

Virtuelna proizvodnja

Institut za istraživanje sistema univerziteta u Merilendy razvili su DFM sistem (Design for Manufacturing - projektovanje za proizvodnju), koji koristi prepoznavanje oblika pod nazivom projekta IMACS. Za razliku od klasičnih CAM sistema, ovaj sistem ima podsistem za analizu obrade projektovanog dela. Virtuelna proizvodnja može se koristiti i u obuci korisnika. Autori su razvili sistem gde je korisnik "uvučen" u virtuelno okruženje pomoću HMD uređaja i upotrebom rukavice, može pokretati operacije na virtuelnoj mašini alatki. Takođe jedna od primena obuhvata i modeliranje virtuelne fabrike, gde korisnik može analizirati tokove kretanja materijala. Jedna od primena virtuelne proizvodnje omogućava korisniku kako da generiše NC upravljački program za mašinu alatku tako i da izvrši simulaciju procesa obrade, da bi proverio odgovarajući NC upravljački program.

Virtuelna izrada prototipa

Virtuelna izrada prototipa, koristi tehnologiju VR kako bi se izbegla skupa izrada fizičkog prototipa. Kada je virtuelni prototip modeliran, u virtuelnom okruženju mogu se sprovesti sve potrebne analize na njemu, pri čemu može biti izvršena potrebna optimizacija samog proizvoda.

Virtuelno planiranje montaže i demonataže sklopa

Virtuelna montaža i demontaža sklopa još u stadijumu projektovanja proizvoda, uz pomoć VR hardvera kao što su rukavice, heptički uređaj, HMD, itd. može mnogo pre izrade samog proizvoda, omogućiti korisniku da sagleda prednosti i mane sklopa koji treba da se izradi.

Virtuelno planiranje održavanja

Virtuelno planiranje održavanja zahteva odstranjivanje određenog dela u sklopu, kako bi se izvršila njegova zamena. Jedna od uloga tehnologije VR u planiranju održavanja je da se pre izrade proizvoda analizira moguđnost održavanja. Isto tako velika uloga tehnologije VR je u obuci ljudi koji izvode održavanje.

Vidi još

• Proširena realnost

Literatura

• Craig, Alan B.; Sherman, William R.; Will, Jeffrey D. (2009). Developing Virtual Reality Applications: Foundations of Effective Design. str. 1—2,281—292,336. ISBN 978-0-12-374943-7. 
• Choi SangSu; Kiwook Jung; Sang Do Noh (2015). „Virtual reality applications in manufacturing industries: Past research, present findings, and future directions”. Concurrent Engineering. 1063293X14568814. 

Spoljašnje veze

• Najčešća pitanja i odgovori u vezi virtuelne realnosti
• Isaac, Joseph (2016). „Step into a new world – Virtual Reality (VR)”. Arhivirano iz originala 20. 04. 2019. g. Pristupljeno 2. 7. 2016. CS1 održavanje: Format datuma (veza) Basic Concepts of Virtual Reality along with Research Challenges explained in simple words.
• Mixed Reality Scale – Milgram and Kishino's (1994) Virtuality Continuum paraphrase with examples.
• Drummond, Katie (2014). „The Rise and Fall and Rise of Virtual Reality”. The Verge. Pristupljeno 15. 11. 2014. CS1 održavanje: Format datuma (veza) Interviews on the history and future of virtual reality by leaders in the field.
• „Virtual reality in human-system interaction”.