Jotta ihminen näkisi virtuaalilasien näytöltä realistiset maisemat 3D:nä, niin siinä on eri vaihtoehtoja, miten tämä toteutetaan.

Transkriptio

1 Taru Väätäinen

2 Se tarkoittaa tietokoneella simuloitua todellisuutta, keinotekoista ympäristöä ja replikoi ihmisen kokemaa olemassaolon tunnetta ympäröivässä maailmassa tuohon keinotekoiseen ympäristöön. Sanotaan, että käyttäjä kokee virtuaalitodellisuuteen uppoutumista. On tavallista, että virtuaalitodellisuus luo keinotekoisia aistikokemuksia näköaistille, mutta myös kaikkia muita aisteja, kuuloaistia, tuntoaistia ja hajuhaistia, voidaan hyödyntää virtuaalitodellisuuden luomiseen.

3

4

5 Jotta ihminen näkisi virtuaalilasien näytöltä realistiset maisemat 3D:nä, niin siinä on eri vaihtoehtoja, miten tämä toteutetaan. Virtuaalilaseille on varmaankin tyypillisintä tehdä, kuten Oculus Riftissä on tämä tehty niin, että kummallekin silmälle näytetään eri videosyötteet. Nämä kahdet melkein neliönmuotoiset videosyötteet tulevat kummatkin pikkuisen eri kulmista, niin että aivot huijataan näkemään kaksi 2D-kuvaa 3D:nä.

6

7 Tärkeää syvyyden havaitsemiseen on myös näyttää kuvan päällekkäisyyttä, kun verrataan videosyötteitä oikealle ja vasemmalle silmälle. Näin varmistetaan, että ihminen tunnistaa ja erottaa toisistaan kappaleet ruudulla, jotka ovat lähempänä ja kauempana. Meille se päällekkäisyys on 100 asteen luokkaa, joten kun se päällekkäisyys laseissa on suurta niin sitä parempi stereonäkö, eli kyky havaita visuaalisesti kolmiulotteisia rakenteita. Päällekkäisyyttä voidaan kuvata asteina, paljonko sitä päällekkäisyyttä on, tai sitten sitä voidaan kuvata prosentteina: miten monta prosenttia näkökentästä on yhteistä aluetta molemmille silmille.

8

9 Ihmisen näkökenttä on laaja. Ihminen voi havaita 180 asteen näkymät liikuttamatta edes silmiään. Jos silmiä liikutetaan, on mahdollista nähdä 270 asteen näkymät. Kun puhun näkymistä, tarkoitan horisontaalista fov:ia (eli field of viewia, näkökenttää). Vertikaalinen vastine on 135 asteen luokkaa. Jotta ihminen kokisi olevansa realistisesti toisaalla, eli toisin sanoen uppoutuminen olisi syvä, täytyy virtuaalilaseissa ottaa huomioon näkökentän laajuus. Parhaimmillaan fovit ovat StarVR-laseilla (210 astetta) ja VR Union Clare -laseilla (170 astetta), Oculuksen ja HTC Viven jäädessä 110 asteeseen. Lisäksi osa laseista tulee seuraamaan pään liikkeitä hyvinkin tarkasti, jolloin käyttäjä voi katsella ympärilleen koko 360 astetta.

10 Jo Oculuksella on seurantalaitteistoa, joka seuraa, missä olet 3D-tilassa. Virtuaalilaseissa on infrapunaledejä, joita seurantatolppa tarkkailee, ja koska niitä on myös virtuaalilasilaitteen takapuolella, saa käyttäjä 360 asteen näköalat niin sanotusti kääntämällä päätään. Oculuksessa on lisäksi komponentti nimeltä Adjacent Reality Tracker, joka seuraa käyttäjän pään pienimmätkin liikkeet. Se koostuu magnetometrin, gyroskoopin ja kiihtyvyysanturin komponenteista. Tällä tavoin, kun lasien käyttäjä kääntää päätään sivulle ja joka puolelle, voi hän kurkkia ympäriinsä virtuaalimaailmassa niin kuin oikeassakin maailmassa, esimerkiksi kulman takaa. Pään seurannan lisäksi voitaisiin seurata silmiä, minne esimerkiksi lasien käyttäjä katsoo ruudulla ja tietokone tietäisi sen. Tätä voitaisiin hyödyntää siinä, mitä milloinkin ruudulla näytettäisiin, vaikka ylimääräisiä yksityiskohtia näyttämällä siitä paikasta, jonne silmänsä aikoo fokusoida. Toisaalta tämä voi osoittautua hyödylliseksi tulevaisuudessa, kun yritetään parantaa näytön resoluutiota samalla kun pyritään pitämään näytönohjaimen taakkaa pienempänä. Ei tarvitsisi näyttää koko ruutua äärimmäisen tarkkana, vain sitä aluetta, jonne katseesi kohdistat. Tällä hetkellä silmän liikkeitä tulee havainnoimaan FOVE, joka keräsi rahoitusta tänä vuonna Kickstarterissa dollaria (joka oli 192 % pyydetystä), kun se sulkeutui neljäs päivä viime heinäkuuta.

11

12 Resoluutio virtuaalilaseissa ilmoitetaan joko pikseleiden kokonaismäärällä esimerkiksi per silmä, tai sitten pikseleiden määrää astetta kohtaan. Ensimmäinen vaihtoehto on tullut suoraan siitä, miten tietokoneiden näyttöjen speksit esitetään. Toista vaihtoehtoa käytetään määrittelemään myös näöntarkkuutta, esimerkiksi 60 pikseliä asteelle (tai 1 kaariminuutti pikselille) on silmien rajoja erotteleva tarkkuus, jonka yläpuolelle jäävää resoluutiota ei normaalilla näöllä varustettu ihminen havaitse. Kuluttajille ystävällisissä laseissa tämä on pikseliä asteelle. Oculuksessa näyttönä toimii kummallekin silmälle erikseen paneelit resoluutiolla 1080 x 1200, ja Riftissä sekä Vivessä pixels per degree (PPD) on noin 12. StarVR-laseissa sama on luokkaa 2560 x 1440 kummallekin silmälle, ja PPD on 16,5. Eroja löytyy lasienkin väliltä, jos vaan haluaa maksaa enemmän niin saa parempaa.

13

14 Ongelmaksi virtuaalilasien kehityksessä on varmaankin koettu se, että käyttäjä saattaa tuntea pahanolontunnetta virtuaalilaseja käyttäessään, vähän niin kuin matkapahoinvointia. Se johtuu osittain motion blur -efektistä, jota käytetään elokuvissa ja peleissä kuvaamaan nopeutta. Pahaa oloa aiheuttaa myös judder, eli tärinä, jonka aiheuttaa aivojen kyky seurata ja ennustaa liikettä. On kehitelty eri tekniikoita, joilla pahanolon syntymistä koetetaan lievittää. Ne ovat kombinaatio näistä kolmesta: korkea päivitystahti, low persistence ja global refresh, jotka kaikki varmistavat ettei käyttäjälle synny samanlaista tunnetta kuin tavalliselta monitorilta pelatessaan.

15 Korkea päivitystahti tarkoittaa, että montako framea näytetään sekunnissa. On esitetty, että jotta pahanolontunnetta ei syntyisi, pitäisi tahdin olla ainakin yli 60 framea sekunnissa. Oculus Riftissä se on 90 Hz. Global refresh tarkoittaa tapaa päivittää kuva näytölle. Sen sijaan että pyyhkäistäisiin kuva rivi kerrallaan näytölle, global refresh tarkoittaa, että kaikki pixelit päivitetään kerrallaan. Kun tavallisesti pyyhkäistään rivi kerrallaan ja näytetään se heti, kun se rivi vastaanotetaan, tehdään global refresh niin, että viivytetään ensimmäistä riviä, kunnes viimeinen rivi on vastaanotettu, ennen kuin näytetään kuvan sisältö. Jos tehdään rivi kerrallaan, saattaa tuloksena olla kuvan pienehkö vääristymä päätä liikuttaessa ja ihmissilmä voi sen huomata ja kokea huonoa oloa siitä.

16

17 Low persistence tarkoittaa sitä, että framessa kuvaa näytetään vain pieni hetki. Oculuksessa kuvaa näytetään vain 2 millisekuntia per frame. Tämä siis tarkoittaa samaa asiaa kuin vaikka videoprojektorissa se, että projektori näyttää mustana tietyn ajan jokaisesta framesta, eli näyttäjä näkee sen 90 uniikkia framea joka sekunti, mutta se kuva ei ole ruudulla sitä koko sekunnin aikaa, eli idea on melko lailla sama, jos olet kuullut elokuvien kuvaamisessa käytettävästä shutter degree - termistä. Aivomme täyttävät tämän diskreetin syötteen aukot itsestään, ja tätä hyödynnetään, koska ei ole kuluttajille tarkoitettuja 1000 FPS (frame per second) laitteistoa olemassa vielä, jotka tekisivät videosyötteestä ihmisille täysin realistisen hardwaren puolesta. Jotta käyttäjä ei havaitse välkkymistä, täytyy Valven ja Oculuksen mukaan minimi FPS olla 90. Lisäksi Oculus-virtuaalilaseissa on pari linssiä, jotka suurentavat näyttöä, jotta se täyttää koko näkökentän alueen aiheuttamatta sumentumista, ja pahaa oloa.

18 Haptinen teknologia luo kosketuksen tunnetta käyttämällä esimerkiksi voimaa ja värähtelyä. Tuntemusten aistimista pidetään yhtenä viidestä aistista, ja se muodostuu monista eri tuntemuksista, joita ovat esimerkiksi paine, värähtely ja lämpötila. Näitä on jo hieman osattu jäljitellä vuosia aikaisemmin, esimerkiksi aika monet varmasti ovat joskus pitäneet käsissään PlayStation Dual Shock - ohjainta, jossa on ollut mukava värinä-toiminto. Autopeleissä vaikkapa ajamalla kuuseen, tuntuu käsissä värinää. Virtuaalitodellisuuteen tämä ominaisuus tulee, kun ennen vain ja ainoastaan visuaaliset pinnat saavat kosketusaistimuksen. Kehitellään esimerkiksi paraikaa järjestelmiä, joilla 3D-mallinnukseen tulee haptinen käyttöliittymä, jonka avulla muun muassa muotoilijat voivat tuntea tekemiään malleja.

19

20 On tulossa myös Tesla Studiolta haptinen puku, Teslasuit tai T-Suit, joka on siis koko vartalolle tarkoitettu haptinen palautejärjestelmä. Se on suunniteltu juuri pelaamiseen ja virtuaaliseen todellisuuteen käytettäväksi. Tesla-Suit toimii tuhansien pienien solmujen verkosta, jotka luovat aistimuksia hellillä sähköimpulsseilla, joka siis tarkoittaa hermolihas-stimulaatiota. Teslasuitilla aiotaan simuloida laaja skaala tuntemuksia, kuten vettä, kuumuutta, tuulta, kylmyyttä ja kosketusta. Ensimmäinen virtuaalinen halaus on jo vaihdettu, mutta vielä menee aikaa ennen kuin tavallinen kuluttaja saa käsiinsä T-suitin.

21

22

23 3D audio-efektit tarkoittavat sitä, että virtuaalitodellisuuden käyttäjä kuulee ympärillään ääniä, jotka luovat realistisen vaikutelman siitä, että käyttäjä on muualla kuin todellisuudessa. Näitä ääniä voidaan tuottaa surround sound - kaiuttimilla, mutta immersion eli upotuksen syvyyttä kuvaamaan varmaan parhaiten soveltuu kuulokkeet. Jotta käyttäjä tuntisi olevansa virtuaalitodellisuudessa, on ääniä tultava joka puolelta: takaa, ylhäältä, alhaalta ja sivuilta. Tämä toteutetaan sijoittamalla äänien lähteitä eri puolille virtuaalista 3D-tilaa. Tässä käytetään hyväksi head-related transfer function nimistä tekniikkaa tai HRTF-filttereitä, joiden avulla matkitaan luonnollisia ääniaaltoja, jotka saavat alkunsa jostakin pisteestä 3D-tilassa, ja etenevät siitä pisteestä 3D-tilassa luonnollisesti. Tähän kuuluu myös se, että voidaan simuloida ääntä, joka heijastuu seinistä ja lattioista ja se, miten se ääni muuttuu ennen kuin se saapuu ihmisen korvaan. Uusi harppaus tässä on otettu eteenpäin, koska useimmissa virtuaalilaseissa seurataan tarkkaan pään liikkeitä. Niiden avulla saadaan realistisempaa äänimaailmaa, koska nyt tiedetään esimerkiksi missä kulmassa ja miltä puolelta ääni korviin kantautuu, jos kantautuu. Näin on ainakin Oculus Riftissä.

24

25 Sovellutusalueita:

26

27

28

29

30

31

32 Lähteet: Beyond 3D TV -kirja, Tekijät Tony Sperry Wikipedia: