Uloga digitalnih objekata u virtualnom okruženju

Četiri uloge objekata u sceni

Modelar koji priprema građu za virtualnu stvarnost mora prije uvoza znati što će pojedini objekt u sceni raditi. Isti poklopac robota može biti ukras na polici, dio koji korisnik uzima i stavlja na šasiju ili prikaz na informacijskoj ploči. U svakom od tih slučajeva model treba drukčije postavke. Zato se objekti razvrstavaju prema ulozi, a uloga se zapisuje već u nazivu datoteke ili objekta.

Objekti okoliša čine najveći dio scene po površini, a najmanji po logici. Njihova je prva zadaća mjerilo tijela. Korisnik u naočalama odmah osjeti ako je stol visok 800 umjesto 750 mm ili ako su vrata uža od ramena, jer uspoređuje prostor sa svojim tijelom, a ne s drugim objektima. Druga zadaća je navigacija: pod i plohe po kojima je dopušten teleport označavaju se kao takve, a stol, police i zidovi kao zapreke. Treća je cijena. Okoliš se ne miče, pa dobiva pečeno svjetlo, spaja se u veće mreže i dijeli atlas tekstura, kao što je opisano u jedinici 1.5 Materijali, teksture i UV mapiranje.

Interaktivni objekti

Interaktivni objekt je sve što korisnik može dohvatiti. U laboratoriju VR-1 to su svi dijelovi robota MR-1: šasija, poklopac, dva pogonska kotača Ø65 mm, dva motora s reduktorom, kuglični oslonac, baterija, upravljačka pločica, ultrazvučni senzor udaljenosti, modul s dva IR senzora linije i prekidač. Hvatanje je predviđeno rukom do 0,8 m i zrakom (engl. ray) do 3 m, a dio se može prebaciti iz jedne ruke u drugu.

Svaki interaktivni objekt prolazi kroz nekoliko stanja: slobodan (leži na stolu i podliježe fizici), istaknut (ruka ili zraka je nad njim, pa se obris ili boja mijenja), u ruci (prati kontroler), postavljen (sjeo je na svoje mjesto u sklopu). Model za to treba pripremiti tri stvari.

1. Ishodište (engl. pivot) na mjestu gdje ga ruka prirodno drži, ili zasebnu točku hvatanja kao prazni pomoćni objekt. Kotač koji se hvata za rub, a ishodište mu je u središtu šasije, u ruci će lebdjeti desetak centimetara ustranu.
2. Kolizijski oblik koji odgovara obliku dovoljno da dio ne propadne kroz stol i da ga ruka može obuhvatiti.
3. Priključno mjesto (engl. socket, snap point) na dijelu na koji se sklapa: prazni objekt s položajem i orijentacijom na koje dio „sjeda“ kad se donese dovoljno blizu. U sklopu MR-1 takvih je mjesta jedanaest, po jedno za svaki dio koji se ugrađuje na šasiju.

Priključno mjesto najbolje je modelirati u CAD sustavu ili programu za mrežu, gdje su poznate stvarne mjere, i izvesti ga zajedno s modelom kao prazni objekt s dogovorenim nazivom. Ako se postavlja tek u razvojnom okruženju, lako se pomakne za nekoliko milimetara, a u naočalama se takva pogreška vidi kao kotač koji ne sjeda na osovinu.

Kolizijski oblici

Provjera sudara radi se svakim korakom fizike za sve objekte koji se mogu dodirnuti. Kad bi se provjeravala na vidnoj mreži od nekoliko tisuća trokuta, pojela bi velik dio vremena okvira. Zato svaki objekt uz vidnu mrežu ima i kolizijski oblik (engl. collision shape, collider): pojednostavljeno tijelo koje se ne prikazuje, a služi samo za dodir.

Kolizijski oblici poredani od najjeftinijeg do najskupljeg su:

• primitivi — kugla, kapsula, kutija; provjera je gotovo besplatna, a oblik grub;
• spoj primitiva — nekoliko jednostavnih tijela vezanih za isti objekt, kao na slici desno;
• konveksna ljuska (engl. convex hull) — najmanje ispupčeno tijelo koje obuhvaća mrežu, s ograničenim brojem vrhova; dobro prati oblik, ali ne može imati udubinu;
• mreža kao kolizija — točna, ali skupa i u većini okruženja dopuštena samo za statične objekte okoliša.

Kolizijski oblici mogu se izraditi u programu za mrežu i izvesti zajedno s modelom. Neka okruženja ih prepoznaju po dogovorenom predmetku u nazivu (npr. UCX_ za konveksni oblik u Unreal Engineu); drugi ih dodaju kao komponentu u samom okruženju. Pravilo naziva provjerite u dokumentaciji svoje inačice.

Mali dijelovi traže posebnu pažnju. Prekidač robota MR-1 manji je od prsta, pa njegov kolizijski oblik gotovo ne može pogoditi zamišljena točka hvatanja na dlanu. Za hvatanje se zato dodaje zaseban, nešto veći volumen okidača (engl. trigger volume), koji ne sudjeluje u sudarima nego samo javlja da je ruka blizu. Takvi slučajevi pojavljuju se i pri ispitivanju: u laboratoriju VR-1 jedan od dva neuspjela testna slučaja bio je upravo hvatanje prekidača koji je pao ispod ruba stola.

Fizika: masa, gravitacija i prolazak kroz objekte

Slobodan interaktivni objekt je kruto tijelo (engl. rigid body): ima masu, na njega djeluje gravitacija, odbija se i klizi po stolu. Masa se zadaje prema stvarnom dijelu, a zbroj masa svih dijelova MR-1 treba dati 1,2 kg koliko ima sklopljeni robot. Tako se baterija, koja je među težim dijelovima, i u sceni ponaša teže od poklopca: sporije se zakreće kad se gurne i čvršće leži na stolu.

Dok je objekt u ruci, fizika se najčešće isključuje ili podređuje ruci. Objekt tada postaje kinematički (engl. kinematic): položaj mu određuje kontroler, a on gura druge objekte, ali oni ne guraju njega. Drugi način je da ga ruka vuče oprugom ili silom, pa dio zapinje o rub stola kao pravi. Prvi način je stabilniji i jednostavniji, drugi uvjerljiviji, ali traži podešavanje.

Fizika se računa u koracima (engl. physics step). Ako je korak jednak frekvenciji zaslona, pri 90 Hz traje 11,1 ms. Tijelo koje se giba brzinom v u jednom koraku prijeđe put v · Δt. Kad je taj put veći od zbroja debljina objekta i zapreke, objekt se u jednom koraku nalazi iznad ploče, a u sljedećem ispod nje: sudar se nikad ne zabilježi. Ta pojava naziva se tuneliranje (engl. tunneling). U VR-u je češća nego u igri na zaslonu, jer korisnik dijelove baca i ispušta rukom, a mali dijelovi su tanki. Rješenja su kontinuirana provjera sudara (engl. continuous collision detection, CCD) za male i brze dijelove, deblji kolizijski oblik zapreke i manji korak fizike. CCD troši više vremena, pa se uključuje samo gdje treba, a ne za cijelu scenu.

Hijerarhija scene i ishodišta

Objekti u sceni čine stablo: svaki ima roditelja (engl. parent) i može imati djecu (engl. children). Položaj djeteta zapisan je lokalno, u odnosu na roditelja, a okruženje ga pretvara u globalni položaj u sceni. Kad se roditelj pomakne, pomiču se i sva djeca. Hijerarhija zato nije samo red u popisu objekata, nego i dio ponašanja.

U sklopu robota MR-1 šasija je korijen: svi dijelovi su njezina djeca, pa se sklopljeni robot pomiče kao cjelina kad ga korisnik podigne ili kad krene voziti. Tijekom sklapanja dio mijenja roditelja: na stolu je dijete okoliša ili scene, u ruci dijete ruke, a kad sjedne na priključno mjesto, postaje dijete šasije. Zato ishodišta moraju biti postavljena tako da promjena roditelja ne pomakne dio: kotač ima ishodište u osi vrtnje, kako bi se poslije mogao vrtjeti oko vlastite osi, a priključno mjesto na šasiji ima isto ishodište i istu orijentaciju osi.

Iz toga slijede tri pravila koja se provjeravaju još u programu za modeliranje: transformacije su primijenjene (mjerilo 1, bez zaostale rotacije), osi dijela usklađene su s osima sklopa, a nazivi objekata su jednoznačni i opisni (npr. MR1_kotac_L, MR1_soket_kotac_L). O ishodištima općenito piše jedinica 1.3 Slobodno modeliranje i obrada mreže.

Informacijski objekti i avatar

Točka interesa (engl. point of interest, POI) u laboratoriju VR-1 ima dva dijela: oznaku na dijelu (mali svjetleći znak ili obris) i informacijsku ploču s tekstom koja se otvara kad je korisnik aktivira. Točaka je šest: motor, kotač, baterija, pločica, senzor udaljenosti i prekidač. Ploča je model kao i svaki drugi, ali ima vlastita pravila.

• Ploča stoji u prostoru, uz dio na koji se odnosi, a ne zalijepljena na vidno polje. Tekst koji se miče s glavom teško se čita i brzo zamara.
• Visina slova određuje se kutom, a ne točkama. Kao polazište dobre prakse uzmite da velika slova zauzmu barem oko 1° vidnog kuta: na 1 m to je oko 17 mm, na 1,5 m oko 26 mm. Na zaslonu s oko 21 piksela po stupnju tako slovo ima dvadesetak piksela visine.
• Kontrast i podloga. Svijetli tekst na tamnoj, neprozirnoj podlozi čita se bolje od teksta preko scene. Ploča ne treba kolizijski oblik za sudare, samo volumen za pokazivanje zrakom.
• Ploča se okreće prema korisniku samo oko okomite osi, kako se ne bi naginjala kad se korisnik sagne.

Avatar je prikaz korisnika u sceni. U laboratoriju VR-1 to su samo ruke ili modeli kontrolera, jer se tijelo ne prati. Prikazivati tijelo koje se ne prati, s rukama koje se ne poklapaju sa stvarnima, obično više smeta nego pomaže. Model ruke treba ishodište u točki koju daje praćenje kontrolera, kostur za animaciju prstiju prema tipkama i kolizijski oblik koji se sudara samo s interaktivnim objektima. Kako se ruke vežu za kontrolere i animiraju, obrađuje treći modul.

Prolazak kroz objekte pri koraku fizike

Računski prikaz provjerava hoće li mali dio koji padne ili je bačen proći kroz ploču stola bez sudara. Pomak po koraku i kritična brzina iznose

s = v / f · v_k = (d_o + d_p) · f · h_k = v_k² / (2g)

gdje je f frekvencija koraka fizike, d_o debljina objekta, d_p debljina ploče, a h_k visina slobodnog pada pri kojoj objekt dosegne kritičnu brzinu.

Za zadane vrijednosti pretpostavljamo prekidač debljine 12 mm i ploču stola debljine 25 mm. Pri koraku fizike od 90 Hz i brzini 3 m/s prekidač se u jednom koraku pomakne oko 33 mm, a kritična brzina iznosi oko 3,3 m/s. Toliku brzinu dio dosegne već slobodnim padom s oko 0,57 m iznad stola, dakle kad ga korisnik ispusti iz ruke u visini prsa. Bačen iz zamaha lako prijeđe 5 m/s. Za prekidač i ostale sitne dijelove robota MR-1 zato treba uključiti kontinuiranu provjeru sudara ili ploči stola dati deblji kolizijski oblik (npr. kutiju debljine 100 mm, koja se ne vidi).

Ključni pojmovi

Provjeri se

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