Virtualna stvarnost

Okruženje koje zamjenjuje prostor

Virtualna stvarnost (virtual reality, VR) okruženje je u kojem korisnik vidi isključivo računalno stvorenu sliku. Zaslon je zatvoren, pogled na stvarni prostor prekinut, a jedina veza sa stvarnim svijetom ostaje gibanje tijela koje sustav prati. Zbog toga se u virtualnoj stvarnosti ne radi na stroju; u njoj se uči, uvježbava i pregledava ono što stroja još nema ili do njega nije moguće doći.

Slika se stvara za svako oko posebno, iz dvaju položaja razmaknutih približno kao ljudske zjenice. Razmak zjenica kod odraslih ljudi kreće se otprilike između 58 i 70 mm, pa uređaji obično imaju mogućnost podešavanja. Ako je razmak krivo postavljen, korisnik vidi sliku ali mu se dubina čini pogrešnom, a nakon petnaestak minuta osjeti umor očiju.

Za projekt AR-1 virtualna stvarnost nije glavno rješenje, ali ima jasnu ulogu. Prije izlaska u pogon tehničar može u virtualnoj ćeliji proći svih osam koraka zamjene prihvatnice, bez rizika i bez zaustavljanja proizvodnje. Redoslijed koraka, mjesta vijaka i položaj priključaka isti su kao u stvarnosti, jer se koristi isti model od 12 000 trokuta.

Uranjanje i prisutnost

Dva pojma koja se najčešće brkaju jesu uranjanje i prisutnost. Uranjanje (immersion) svojstvo je opreme. Mjerljivo je i opisuje koliko osjetila sustav pokriva i koliko vjerno: koliko je široko vidno polje, kolika je razlučivost zaslona, prati li se položaj tijela ili samo glave, ima li zvuka koji dolazi iz smjera izvora.

Prisutnost (presence) je doživljaj korisnika. To je osjećaj da se doista nalazi u prikazanom prostoru, do te mjere da se instinktivno sagne ispod virtualne grede. Prisutnost nije izravna posljedica cijene opreme. Skupa oprema s velikim kašnjenjem daje slabu prisutnost, a jednostavna oprema s dobro izvedenim praćenjem i uvjerljivim zvukom može dati jaku prisutnost.

Za razvoj je važna jedna posljedica. Prisutnost se ruši naglo, a gradi polako. Dovoljan je jedan trenutak u kojem sadržaj odskoči s mjesta ili u kojem se ruka provuče kroz stol i korisnik se vrati u ulogu promatrača. Zato su stabilnost praćenja i dosljednost pravila u sceni važniji od broja pojedinosti na modelu.

Stupnjevi slobode

Kruto tijelo u prostoru može se gibati na šest neovisnih načina: pomicati se duž triju osi i zakretati oko triju osi. Taj se broj naziva brojem stupnjeva slobode (degrees of freedom, DoF) i u opisima uređaja pojavljuje se kao 3DoF ili 6DoF.

Uređaj s tri stupnja slobode prati samo zakretanje. Kad korisnik okrene glavu, slika se okrene; kad se nagne naprijed, slika ostane ista. Mozak očekuje da će se bliski predmeti pomaknuti više od dalekih, a to se ne dogodi. Nesklad između onoga što osjeća unutarnje uho i onoga što vidi oko glavni je izvor nelagode.

Uređaj sa šest stupnjeva slobode prati i pomak. Korak u stranu, čučanj ili naginjanje prema modelu mijenjaju pogled kao u stvarnosti. Za razgledavanje modela prihvatnice to je nužno: tehničar mora moći prići i pogledati stražnju stranu, a ne samo zakrenuti pogled.

Isti se pojam primjenjuje i na upravljače u ruci. Upravljač s tri stupnja slobode radi kao laserski pokazivač: može se usmjeriti, ali ne i primaknuti predmetu. Upravljač sa šest stupnjeva slobode može se koristiti kao alat, pa se u uvježbavanju zamjene prihvatnice njime može nasaditi vijak na pravo mjesto.

Praćenje izvana i praćenje iznutra

Da bi uređaj znao gdje je, treba mu praćenje. Postoje dva pristupa koji se razlikuju po tome gdje su senzori.

Praćenje izvana (outside-in) koristi senzore postavljene u prostoru. Oni gledaju korisnika i iz njegova položaja prema poznatim mjestima senzora računaju gdje se nalazi. Točnost je visoka i postojana jer su referentne točke nepomične. Nedostatak je priprema: senzore treba postaviti, napajati, umjeriti i paziti da ih se ne pomakne. Radni prostor je ograničen na područje koje senzori vide, a svaka prepreka između senzora i korisnika prekida praćenje.

Praćenje iznutra (inside-out) koristi kamere na samom uređaju. One gledaju prostor, pronalaze u njemu obilježja poput rubova, uglova i uzoraka te iz njihova pomaka između dviju sličica računaju kako se uređaj pomaknuo. Nikakva vanjska oprema nije potrebna, uređaj se donese i odmah radi, a radni prostor je onoliki koliki je i prostor. Cijena je osjetljivost na okolinu: u mraku, pred praznim bijelim zidom ili u prostoru koji se stalno mijenja obilježja nema ili su nepouzdana.

U industriji gotovo uvijek pobjeđuje praćenje iznutra, i to iz praktičnog razloga: nitko u pogonu ne želi postavljati senzore oko robotske ćelije. Zato se u projektu AR-1 računa s praćenjem iznutra i zato je osvjetljenje radnog mjesta od 300 do 750 lx uvršteno među zadane uvjete.

Kašnjenje od pokreta do slike

Najvažnija brojka u virtualnoj stvarnosti nije razlučivost zaslona nego kašnjenje od pokreta do slike (motion-to-photon latency). To je vrijeme od trenutka kad korisnik pomakne glavu do trenutka kad zaslon prikaže sliku koja tom pokretu odgovara. Kašnjenje se sastoji od nekoliko dijelova koji se zbrajaju.

Svaki dio ima svoje uzroke. Senzor mora izmjeriti i poslati podatak. Program mora iz mjerenja izračunati novi položaj glave i ažurirati scenu. Grafički procesor mora nacrtati dvije slike, po jednu za svako oko. Slika mora pričekati sljedeće osvježavanje zaslona, a zatim se prikazati. Najveći je dio obično čekanje na sličicu, i upravo se zato brzina osvježavanja toliko naglašava.

Iz prikaza se vidi zašto se granica postavlja upravo oko 20 ms. Pri brzom okretanju glave kut se mijenja nekoliko stotina stupnjeva u sekundi, pa i mali vremenski zaostatak daje vidljivo kutno zaostajanje slike. Ako je zaostajanje veće od približno jednog stupnja, korisnik ga primjećuje kao plivanje scene.

Mučnina i kako se izbjegava

Nelagoda u virtualnoj stvarnosti nastaje kad se ono što oko vidi ne slaže s onim što osjeti ravnotežni organ u unutarnjem uhu. Mozak takav nesklad tumači kao znak trovanja i odgovara mučninom, znojenjem, glavoboljom i umorom. Pojava se naziva simulatorskom mučninom i prvi je razlog zbog kojeg korisnik odustane.

• Kašnjenje. Najvažniji uzrok. Cilj je ispod 20 ms; iznad 40 ms nelagoda se javlja kod većine korisnika u nekoliko minuta.
• Premalo stupnjeva slobode. Uređaj s tri stupnja slobode ne prati pomak, pa svako naginjanje tijela stvara nesklad.
• Umjetno kretanje. Pomicanje po sceni upravljačem dok tijelo stoji izravno proturječi osjetu ravnoteže; kretanje skokovima s jednog mjesta na drugo podnosi se bolje.
• Prespora izmjena slika. Ispod približno 72 sličice u sekundi većina korisnika primijeti treperenje i umor očiju.
• Krivo mjerilo scene. Ako je virtualni robot desetinu veći od stvarnog, dubina se doživljava pogrešno.

Brzina osvježavanja zaslona danas se kreće od 60 do 120 puta u sekundi. Prijelaz sa 60 na 90 primjećuje gotovo svaki korisnik, a prijelaz s 90 na 120 samo dio njih. Uz brzinu je važna i kratkoća svijetljenja slike: ako svaka slika svijetli cijelo vrijeme između dvaju osvježavanja, pri okretanju glave ostavlja trag. Zato zasloni takvih uređaja svijetle samo kratak dio tog vremena.

Što od virtualne stvarnosti koristi projektu AR-1

Iako je krajnji proizvod projekta AR-1 aplikacija proširene stvarnosti, tri stvari iz ove jedinice prelaze izravno u njega. Prva je pojam kašnjenja: cilj ispod 20 ms zapisan je u zahtjevima i mjerit će se na gotovoj aplikaciji. Druga je pojam stupnjeva slobode: tablet mora pratiti i pomak, inače se sadržaj neće držati prihvatnice kad tehničar obiđe robota. Treća je praćenje iznutra, jer se oko ćelije ne postavljaju vanjski senzori.

Virtualna stvarnost ostaje koristan dodatak u pripremi. U njoj se postupak može uvježbati prije prvog izlaska na stroj, uz isti model i isti redoslijed koraka. Time se skraćuje vrijeme koje tehničar provodi uz zaustavljenu ćeliju, a to je u pogonu izravna ušteda.

Postoji i granica koju treba poštovati. Uvježbavanje u virtualnom okruženju ne zamjenjuje osjećaj mase, otpora ključa i stvarnog zazora. Zato se takva priprema uvijek planira kao prvi korak, a ne kao zamjena za rad na stroju.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.