Kontinuum virtualnosti: VR, AR, MR i XR

Od stvarnog do virtualnog: kontinuum

Kad se govori o virtualnoj, proširenoj i miješanoj stvarnosti, lako je pomisliti da su to tri različite tehnologije. Točnije je zamisliti ih kao položaje na jednoj crti. Na jednom kraju je stvarno okruženje: radionica kakvu vidimo golim okom, bez ikakvog računalnog dodatka. Na drugom kraju je virtualno okruženje: sve što korisnik vidi i čuje generirano je računalom, a stvarna okolina potpuno je zaklonjena. Sve između tih krajeva naziva se miješana stvarnost (engl. mixed reality, MR) u širem smislu: stvarni i virtualni sadržaj prikazuju se zajedno, u različitom omjeru.

Taj model zove se kontinuum virtualnosti (engl. reality–virtuality continuum) i uveden je sredinom 1990-ih upravo zato da se pojmovi prestanu miješati. Na kontinuumu se razlikuju četiri karakteristična položaja (slika 2.3):

• Stvarno okruženje — samo stvarni svijet.
• Proširena stvarnost (engl. augmented reality, AR) — prevladava stvarni svijet, a na njega se dodaju virtualni elementi: strelica, natpis, model dijela.
• Proširena virtualnost (engl. augmented virtuality, AV) — prevladava virtualni svijet, a u njega se unose stvarni elementi: slika vlastitih ruku, stvarni stol, video prijenos iz pogona.
• Virtualno okruženje — potpuna virtualna stvarnost (VR).

Kontinuum ne govori o kvaliteti, nego o omjeru. Nije „bolje“ biti bliže virtualnom kraju; bolje je biti na položaju koji odgovara zadatku.

Virtualna stvarnost

U virtualnoj stvarnosti korisnik ne vidi stvarnu okolinu. Sve u vidnom polju je iscrtano: prostor, predmeti, vlastite ruke. Prednost je potpuna kontrola nad okolinom: laboratorij može biti bilo gdje, rasvjeta uvijek ista, a opasni uvjeti mogu se sigurno prikazati. Nedostatak je izolacija: korisnik ne vidi stvarne prepreke, pa sustav mora čuvati granicu sigurnosti prostora za igru, a sve što korisnik treba dohvatiti mora postojati kao virtualni objekt.

Laboratorij VR-1 u osnovnom načinu je čisti VR: cijeli prostor 8 × 6 m, radni stol i robot su virtualni, a korisnik u stvarnosti stoji u slobodnom prostoru za igru od preporučenih 3,0 × 2,5 m. Kad se korisnik približi granici sigurnosti, postavljenoj 0,3 m od zida, pokretač iscrtava mrežu granice ili, ovisno o uređaju, prebacuje prikaz na sliku iz kamera.

Proširena stvarnost

U proširenoj stvarnosti stvarni svijet ostaje glavni, a virtualni sadržaj se na njega nadograđuje. Da bi to imalo smisla, virtualni sadržaj mora biti registriran (engl. registration) sa stvarnim: strelica koja pokazuje vijak mora stajati točno na vijku i ostati ondje kad se korisnik pomakne. Za to sustav mora prepoznati položaj stvarnih predmeta, npr. pomoću oznaka, prepoznavanja oblika ili prostorne karte prostorije.

Tipični uređaji su tablet ili mobitel (prikaz kroz kameru na zaslonu) i prozirne naočale kod kojih korisnik gleda stvarni svijet kroz optički element na koji se projicira slika. Primjeri iz pogona:

• uputa za zamjenu alata na glodalici prikazana korak po korak, sa strelicom na sljedećem vijku;
• usporedba izrađenog dijela s CAD modelom položenim preko njega;
• očitanje stanja stroja (temperatura, broj ciklusa) iznad samog stroja;
• daljinska pomoć: stručnjak na drugom mjestu crta oznake u vidno polje servisera.

Priprema modela i razvoj aplikacija proširene stvarnosti detaljno su obrađeni u području Proširena stvarnost, pa se ovdje ne ponavljaju.

Miješana i produžena stvarnost

U užem smislu, koji danas prevladava u industriji, miješana stvarnost označava prikaz u kojem virtualni objekti ne samo da stoje preko stvarnog svijeta, nego se s njim ponašaju kao da su u istom prostoru. Tri su tipična svojstva:

• Prostorno sidrenje. Virtualni objekt pričvršćen je za točku u stvarnoj prostoriji i ostaje ondje i kad korisnik izađe i vrati se.
• Okluzija. Stvarni predmet koji je bliži korisniku zaklanja virtualni objekt iza sebe. Bez okluzije virtualni robot „lebdi“ ispred stvarne ruke i dojam se ruši.
• Razumijevanje okoline. Sustav prepoznaje pod, zidove i vodoravne plohe, pa virtualni predmet može pasti na stvarni stol i zaustaviti se na njemu.

Laboratorij VR-1 može raditi i u takvom načinu na uređaju B, koji ima prolaz slike u boji. Stvarni stol u učionici služi kao radna ploha, a virtualni dijelovi robota leže na njemu. Korisnik vidi vlastite ruke i kolege oko sebe, što smanjuje nelagodu kod novih korisnika. Za to je potrebno poravnati virtualni stol sa stvarnim, a scena mora biti postavljena tako da virtualni laboratorij ne zaklanja stvarni prostor.

Produžena stvarnost (engl. extended reality, XR) nije nova tehnologija, nego krovni naziv za sve položaje na kontinuumu: VR, AR i MR zajedno. Zato se standard za komunikaciju aplikacije s opremom zove OpenXR: ista aplikacija može koristiti naočale za VR i naočale za MR. U praksi proizvođači nazive koriste nedosljedno, pa je uvijek bolje opisati što uređaj radi (prolaz slike, okluzija, praćenje ruku) nego se osloniti na oznaku na kutiji.

Prikazi koji stvaraju prostornu sliku u zraku ili na posebnom zaslonu bez naočala obrađeni su u području Hologramske tehnologije.

Optički i video prolaz slike

Za AR i MR naočale postoje dva temeljno različita načina da korisnik vidi stvarni svijet (slika 2.4).

Kod optičkog prolaza (engl. optical see-through) korisnik stvarni svijet gleda izravno, kroz prozirni optički element (kombinator ili valovod), a slika zaslona se na tom elementu zrcali u oko. Stvarni svijet vidi se bez kašnjenja i u punoj razlučivosti oka. Virtualni sloj je, međutim, proziran i svjetlo se samo dodaje: tamne boje i crnu nije moguće prikazati, a na jakom svjetlu virtualni objekt blijedi. Kašnjenje virtualnog sloja odmah je vidljivo jer ga oko uspoređuje sa stvarnim svijetom koji ne kasni.

Kod video prolaza (engl. video see-through, passthrough) naočale su neprozirne kao VR naočale. Kamere na prednjoj strani snimaju okolinu, računalo spaja sliku kamera s virtualnim slojem i prikazuje rezultat na zaslonima. Virtualni objekt može biti potpuno neproziran, okluzija je lakše izvediva, a stvarni i virtualni sloj kasne podjednako, pa se međusobno gotovo ne pomiču. Cijena je da i stvarni svijet kasni i ima ograničenu razlučivost i dinamički raspon kamere.

Usporedba i odabir za zadatak

Tablica sažima glavne razlike. Vrijednosti su kvalitativne i odnose se na tipične izvedbe; konkretni uređaji mogu odstupati.

Iz toga proizlazi jednostavno pravilo odabira: AR kad je stvarni predmet u središtu zadatka i treba ga nadopuniti informacijom (servis, kontrola, montaža na stvarnom proizvodu); VR kad stvarnog predmeta nema, kad je opasan ili kad treba potpuno kontrolirati uvjete (obuka za rijetke kvarove, pregled stroja koji još nije izrađen); MR kad virtualni sadržaj treba staviti u stvarni prostor i s njim raditi (raspored nove opreme u postojećoj hali, virtualni robot na stvarnom stolu).

Pogreška registracije zbog kašnjenja

Najveća tehnička razlika među položajima na kontinuumu je koliko je vidljivo kašnjenje. Dok se glava okreće kutnom brzinom ω, a slika virtualnog sloja kasni za Δt, virtualni objekt je u trenutku prikaza zaostao za kut

θ = ω · Δt     s = d · tan θ     n = θ · PPD

gdje je s pomak na udaljenosti d, a n pomak u pikselima za zaslon gustoće PPD piksela po stupnju. U VR-u se taj pomak ne vidi kao pomak prema nečemu, jer je sve virtualno, ali ga tijelo osjeti kao „plivanje“ svijeta. U AR-u s optičkim prolazom vidi se odmah, jer stvarni predmet ne kasni.

Za umjereno okretanje glave od 100 °/s i kašnjenje od 20 ms, što je ciljna granica laboratorija VR-1, pogreška je 2,0°. Na udaljenosti 1 m to je pomak od približno 35 mm, a na zaslonu s oko 21 pikselom po stupnju, kao na uređaju A, približno 42 piksela. Strelica koja bi trebala pokazivati vijak promjera nekoliko milimetara za to vrijeme pokazuje pored njega. Zato pokretači ne prikazuju zadnju izmjerenu pozu, nego predviđaju pozu za trenutak prikaza i neposredno prije ispisa sliku još jednom korigiraju. S predviđanjem je stvarna pogreška znatno manja od ovog proračuna, ali proračun pokazuje zašto je svaka milisekunda važna.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V4 Kontinuum virtualnosti na primjerima iz industrije · 2 sata