Fascinující svět virtuální reality
20. 1. 2010
Určitě si pamatujete jeden z nejslavnějších filmů přelomu tisíciletí – kultovní Matrix. Hlavní hrdina zažívá dobrodružství, které se ve skutečnosti odehrává pouze ve virtuálním světě, a to podle předem daného kódu. I dnes je to pouhá science fiction. Současná virtuální realita – v překladu neskutečné skutečno – je mnohem jednodušší. I přesto můžeme tvrdit, že virtuální realita je jedním z fenoménů začátku 21. století: prostorové počítačové hry, virtuální televizní studia, třírozměrné projekce filmů, které se snaží v divákovi navodit pocit, že se nachází přímo uprostřed dění. Ale není to jen zábavní průmysl, který přišel na chuť možnostem, které virtuální realita nabízí.

Určitě si pamatujete jeden z nejslavnějších filmů přelomu tisíciletí – kultovní Matrix. Hlavní hrdina zažívá dobrodružství, které se ve skutečnosti odehrává pouze ve virtuálním světě, a to podle předem daného kódu. Sám si ale nejdřív vůbec neuvědomuje, že nic z toho se ve skutečnosti neděje. I dnes je to pouhá science fiction. Současná virtuální realita – v překladu neskutečné skutečno – je mnohem jednodušší.
Přesto je to odvětví, které v posledním desetiletí kráčí kupředu doslova mílovými kroky. A rozhodně nejde jenom o zábavu, 3D filmy nebo počítačové hry. Aplikace, které umožňují vyzkoušet si nanečisto v počítačovém prostředí nejrůznější činnosti, pronikají do všech možných oborů – do architektury, zdravotnictví, ale i automobilového nebo leteckého průmyslu.
Doc. Ing. Jiří Sochor, CSc., Laboratoř pro interakci člověka s počítačem, Masarykova univerzita v Brně, Katedra informatiky: To, co my označujeme jako virtuální realitu, pokud hovořím jménem této laboratoře, tak to jsou de facto aplikace a zařízení, které dohromady umožňují vytvářet nějaké nové řešení, založené na tom, že prezentujeme uživateli nové vjemy. Novým vjemem může být například nově navržená budova, nebo to může být například vjem, který vzniká při simulované operaci, nebo to může být například vjem, který vzniká, když člověk přemýšlí nad nějakým uměleckým dílem a nějakým způsobem ho vytváří.
V České republice se vývoji virtuální reality na akademické půdě věnují celkem čtyři pracoviště. My dnes navštívíme dvě z nich – v Praze a Brně. Začneme na pražské Elektrotechnické fakultě Českého vysokého učení technického. V rámci Institutu intermédií tu rozvíjejí nejpodstatnější součást virtuální reality – její vizuální složku. Právě zrak je totiž nejdůležitějším lidským smyslem. Virtuální 3 D obraz vzniká tak, že každé oko dostává jiný obrazový signál, který se v mozku složí a vytvoří dojem třírozměrnosti. Aby však každé oko obdrželo ten správný vjem, musí mít uživatel speciální stereoskopické brýle. Prožitek z třírozměrného virtuálního světa může poskytnout například speciální obrazovka, to je ale dojem poměrně nedokonalý a omezený na malý prostor.
Dalším řešením je datová přilba s brýlemi, která člověka uzavře ve vlastním světě a izoluje od okolí. Velmi dokonalý vizuální prožitek z třírozměrného virtuálního světa poskytuje ale také jeskyně, neboli CAVE. Ta navíc umožňuje, aby vše společně zažívalo více lidí. V Institutu intermédií na Českém vysokém učení technickém jeskyni vybudovali teprve nedávno a zatím je ve stadiu vylepšování.
Ing. Roman Berka, Ph.D., Institut intermédií, Elektrotechnická fakulta ČVUT, Praha: Náš CAVE jsme postavili v roce 2007 na jaře a v té době jsme ho vybudovali na určité technické úrovni. Používáme zatím pouze tři stěny, ale v tomto roce doděláváme čtvrtou – podlahovou stěnu, takže uživatel je vlastně kompletně obklopen vizuálním podnětem, což působí, jako by byl kompletně přítomen v té scéně.
Podobná zařízení slouží například designérům nebo architektům. Ve virtuálním prostředí se mohou snadno ocitnout uvnitř svého zatím neexistujícího díla, detailně si ho prohlédnout a vyhodnotit jeho přednosti nebo nedostatky. Navrhují se tak nejen budovy ale i auta. My se v této chvíli virtuálně procházíme po objektu, který už ale dávno stojí. Je to interiér budovy Fakulty elektrotechnické. Chodby jsou liduprázdné, jinak ale při své procházce narazíte na spoustu realistických detailů: bustu Františka Křižíka v životní velikosti, fungující výtah pater noster, odpadkové koše na tříděný odpad. Jediné co vám bohužel neposlouží, je automat na kávu a nápoje. I když vypadá velmi realisticky. Celou budovu si můžete prohlédnout i zvenku, z nejrůznějších pohledů. Skupina asi deseti studentů na modelu pracovala zhruba rok.
Ing. Roman Berka, Ph.D., Institut intermédií, Elektrotechnická fakulta ČVUT, Praha: Museli pořídit fotografie chodeb, museli pořídit textury podlahy, dlažby, oken a podobně. Museli vytvořit modely, například je tam model Křižíka, nebo modely různých hasicích přístrojů a dalšího vybavení na chodbách. Než vytvořili modely, museli změřit jejich fyzické rozměry, aby proporčně odpovídal model skutečnosti. Výsledek pak bylo potřeba sesadit dohromady do jednoho nástroje, který pak umožňuje zobrazit celou scénu tak, jak jí třeba vidíme teď.
A teď pro srovnání procházka skutečným interiérem. Navíc je tu jen vánoční stromek, uklízečka a studenti na chodbách. Jeskyně bude v budoucnu sloužit i výzkumným účelům. Vědci by tu například chtěli prostorově modelovat elektromagnetické pole. Dokonalý dojem z virtuálního světa tvoří i další smysly, například sluch. Člověk musí pro každé ucho dostávat jiný zvuk, a pokud se ve virtuálním prostředí pohybuje směrem od zdroje hluku, musí mít pocit, že zvuk slábne, případně se mění místo odkud přichází.
V posledních patnácti letech vědci začali řešit i to, jak uživateli poskytnout dojem, že se virtuálního prostředí může dotýkat a že na něj toto prostředí působí, jako by mělo skutečnou hmotu. Říká se tomu silová zpětná vazba a v České republice jí rozvíjejí v Laboratoři interakce člověka s počítačem na Fakultě informatiky Masarykovy univerzity v Brně.
Doc. Ing. Jiří Sochor, CSc., Laboratoř pro interakci člověka s počítačem, Masarykova univerzita v Brně, Katedra informatiky: Zařízení silové zpětné vazby tady máme už dlouhou dobu, byli jsme jedni z prvních, kdo vůbec to zařízení silové zpětné vazby v České republice pořídili, a začali jsme s tím pracovat už někdy kolem roku 97 až 98.
Dotyková zpětná vazba je důležitá například pro medicínské trenažery, ale uplatňuje se i v automobilovém nebo leteckém průmyslu. Takto se dá natrénovat třeba montáž složitého technologického zařízení. Realisticky naprogramovat vzájemné silové působení jednotlivých předmětů je však obtížné. Naprosto základní podmínkou pro takové aplikace jsou samozřejmě supervýkonné počítače. Například aby trénující lékař mohl mít dojem, že se skalpelem dotýká reálného pulzujícího srdce, musí se všechna data přepočítávat asi tisíckrát za vteřinu.
Doc. Ing. Jiří Sochor, CSc., Laboratoř pro interakci člověka s počítačem, Masarykova univerzita v Brně, Katedra informatiky: V současné době tady máme zařízení, které je spojeno s promítacím displejem. To zařízení se jmenuje Reaching Display a umožňuje stereoobraz přeložit do hmatového prostoru pomocí zrcadla a ve stejném prostoru, kde se nachází vaše skutečná ruka, se může dotýkat virtuálního předmětu, který je tam promítnut, a uživatel má naprosto krásný dojem, že se dotýká neexistujícího předmětu.
V laboratoři mají rovněž ještě dokonalejší zařízení silové zpětné vazby, které umožňuje simulovat i odpor při zkrutu. Čili nikoli jen pouhý dotyk, ale i odpor, který by kladla například řídicí páka, se kterou byste pohybovali do stran. Tyto přístroje jsou v současné době dostupné i komerčně. Právě v Laboratoři interakce člověka s počítačem pro ně vyvíjejí nejrůznější aplikace. Ocenit je mohou například grafici nebo výtvarníci.
Mgr. Vilém Šustr, Laboratoř pro interakci člověka s počítačem, Masarykova univerzita v Brně, Katedra informatiky: Toto je jedna z aplikací, které jsme tady v laboratoři vyvinuli, jmenuje se Haptic Caligraphy a slouží k tomu, aby výtvarníci byli schopni přenést proces tvorby kaligrafie kompletně na počítač, vyhnuli se složité digitalizaci nebo učení se práce s myší nebo s tabletem.
Podobný program, který v této laboratoři vyvíjejí, by měl pomoci chemikům při navrhování speciálních enzymů, které mohou zbavovat životní prostředí škodlivých chemických látek. Kromě trojrozměrného zobrazení, které umožňuje pohled ze všech stran, si chemik svoji sloučeninu může doslova osahat. Přitom si vyzkouší, jak je možné molekulu upravit, aby nejlíp posloužila danému účelu. Takto získané zkušenosti pak usnadní práci v laboratoři.
Zatímco interakce s aplikacemi takzvané malé virtuální reality je už technologicky dobře zvládnutá, u velkých aplikací mají vědci stále co vylepšovat. K zásahu do prostředí pomocí virtuální ruky postačí poměrně jednoduchý ovladač, k ovlivnění virtuální reality v jeskyni nebo na projekční stěně na dálku jsou však zapotřebí složité technologie.
Jestliže se má navíc ve virtuální realitě pohybovat celá postava, musí mít laboratoř systém na sledování jednotlivých částí lidského těla. Ten tvoří série infračervených kamer zavěšených u stropu, které snímají odrazy speciálních kuliček na rukách, nohách i hlavě.
RNDr. Jan Flasar, Ph.D., Laboratoř pro interakci člověka s počítačem, Masarykova univerzita v Brně, Katedra informatiky: K tomu, aby bylo možné se pohybovat po virtuálním prostoru, abychom mohli hýbat rukama, nohama, hlavou, pohybovat se v něm, potřebujeme sledovat prostorovou polohu a k tomu například v naší laboratoři používáme optický systém snímání polohy, který pracuje na principu snímání světelných bodů, kuliček, které snímá několik kamer, a speciálním matematickým výpočtem se vypočítá prostorová poloha, která se posléze přenáší do virtuálního světa.
Vývoj v této oblasti ale stále postupuje. Některé světové laboratoře se dokonce zaměřily na virtuální simulaci dalších smyslů – čichu a chuti. To ale nejspíš v praxi nenalezne velké využití. Mnohem zajímavější je sdílení virtuálních prostor na dálku. Experti, kteří se fyzicky nacházejí v různých částech světa, se sejdou v jedné virtuální místnosti, aby vyřešili technický nebo medicínský problém.
Dokonalost simulovaných smyslových vjemů snad jednou skutečně dá zapomenout na svět mimo projekční plochy. K dokonalosti iluze, kterou prožíval hrdina Matrixu, však stále mají i ty nejmodernější laboratoře světa dost daleko.
Autor: Tereza Pultarová