Multimédiá – VRMLDoc. Ing. Juraj Vaculík, PhD.,

Mail : juvac@fpedas.utc.sk

57

MM I/2006 2

Virtuálna realita Virtuálnu realitu (VR) môžeme charakterizovať

ako prostredie, ktoré umožňuje prácu v trojrozmernom priestore, vymodelovanom v pamäti počítača.

V tejto súvislosti sa používa aj pojem Cyberspace. Slovo Cyberspace použil ako prvý William Gibson vo svojej novele "Neuromancer" a vysvetlil ho ako priestor vytvorený na počítači, v ktorom sa môžeme pohybovať a popritom využívať všetky svoje zmysly.

MM I/2006 3

Virtuálna realita - základy Základom virtuálnej reality sú postupy známe

z počítačovej grafiky. Ide hlavne o tvorbu priestorových modelov a scén, manipuláciu s nimi, pohyb v trojrozmernom priestore a zobrazovanie v reálnom čase.

Virtuálna realita umožňuje človeku vizuálne sprostredkovať komplexné a rozsiahle dáta, manipulovať s nimi a integrovať ich pomocou počítača.

MM I/2006 4

Virtuálna realita - rozhranie VR predstavuje v súčasnosti najmodernejšie

rozhranie v oblasti integrácie človek-počítač. Pomocou VR technológie je možné pohybovať

sa v n-rozmerných svetoch. Štandardné metódy sú v aplikáciách virtuálnej

reality rozšírené použitím špeciálneho hardvérového vybavenia (periférií), ktoré zaisťuje obrazovú, zvukovú a hmatovú interakciu.

MM I/2006 5

Vlastnosti Navigácia - veľa riadiacich volieb - walk, fly, examine a ich

kombinácie (niektoré napríklad Contact a Cortona tiež podporujú proprietárny mode pre avatarov - osoby)

Viewpoints - pohľady - preddefinované pozície pohľadov imaginárnej kamery

Modely - primitívy (box, sphere, cone, cylinder), extrusions, indexed face set (mriežka), line set, point set, elevation grid a text (podpora geometriu spline a NURBS)

Materiál - diffúzne farby, zrkadlenie (specular), vyžarovanie (emissive), okolie (ambient), lesklosť (shininess), priehľadnosť (transparency), farbu pre vrcholy (vertex)

Zvuky - plná podpora pre formáty WAVE alebo MIDI

MM I/2006 6

Vlastnosti ... Textúry - podpora formátov JPEG, GIF, PNG a MPEG1

video. (Contact and Cortona taktiež podporuje Flash, RealMedia, AVI, multi-texturing and environment mapping)

Odvetľovanie - priamy, bodový a všesmerový model osvetlenia

Špecialne uzly - pozadie, prepínač (switch), hyperlink (anchor), billboard a fog (hmla)

Performance - LODs (levels of detail), zobrazovanie na základe vzdialenosti

Kolízie - riešenie kolízií - detekcia kolízií medzi užívateľom a objektmi alebo medzi objektmi na scéne

Animácia pozície, rotácia, zmena mierky, definícia bodov, farieb a pod.

MM I/2006 7

Vlastnosti ... Senzory - vnímanie užívateľskej aktivity ako dotyk, ťahanie

(plane, cylinder a sphere), čas, blískosť (proximity), viditeľnosť (visibility)

Scripting - Interfaces priamo na Javascript, Java, web browser a ľubovolný programovací jazyk na klientskom počítači

Routes - prepojenie akcií - skriptovanie, animácie a vlastnosti objektov môžu byť prepojené dohromady

Compact - extrémne malá veľkosť súborov pomocou gzip kompresie *.wrlz

Modularita - odvolávky na externé textúry, modely, scény a skripty a pod.

MM I/2006 8

Rozdelenie VR Na základe toho s akou mierou dokáže

ovplyvniť ľudské vnímanie možno virtuálnu realitu rozdeliť nasledovne: jednoduchá - vstupná rozširujúca - základná premietaná pohlcujúca

MM I/2006 9

Jednoduchá virtuálna realita K vytvoreniu pocitu práce v inom prostredí sa

používa obyčajná obrazovka. Pre zvýraznenie 3D zvuku sa používajú rôzne zvukové karty s reproduktormi, ktoré sú schopné reprodukovať zvuk s priestorovým efektom a na pohyb a uchopovanie predmetov slúži obyčajná myš.

Tento druh sa používa aj na internete, kde treba zabezpečiť rýchly prenos dát, prístupný čo najväčšiemu počtu používateľov. 

MM I/2006 10

Ukážka ...

MM I/2006 11

Rozširujúca virtuálna realita Informácie z okolitého sveta sú doplňované o prvky

virtuálnej reality. Príkladom sú rôzne simulátory. Vonkajší obraz je snímaný kamerou a prenášaný

na obrazovku v kabíne, napríklad leteckého simulátora.

Tento spôsob sa používa, napr. aj pri inštalácii elektrických rozvodov v lietadlách Boeing. Technici majú okuliare, cez ktoré normálne vidia, ale zároveň sú im do nich premietané doplňujúce značky, ktoré jednoznačne určujú miesta prepojenia káblov podľa toho, kam sa pracovník pozerá. 

MM I/2006 12

Ukážka ...

MM I/2006 13

Premietaná virtuálna realita Dáta sú vopred nasnímané a potom premietané do

priestoru okolo používateľa. Ideálne je, ak sú obrazy premietané na všetky steny miestnosti vrátane stropu, kde sa používateľ nachádza.

V najjednoduchšom prípade je obraz premietaný len na obrazovku monitora. Technológia prípravy panoramatických obrázkov umožňuje približovanie a zmenšovanie, čím vzniká, napr. ilúzia chôdze v krajine. Napriek tomu je interakcia s prostredím obmedzená. 

MM I/2006 14

Ukážka ...

MM I/2006 15

Pohlcujúca virtuálna realita Je vždy spojená s technickými zariadeniami, ktorých

cieľom je v čo najväčšej miere odtrhnúť používateľa od vonkajších vnemov a čo najviac ho ponoriť do zdania, že sa nachádza len vo virtuálnom, umelom svete.

Medzi tieto periférne, špeciálne zariadenia patrí najmä prilba so stereoskopickými okuliarmi a slúchadlami, snímače detekujúce priestorovú polohu používateľa a tzv. dátové rukavice.  

MM I/2006 16

Interaktívny oblek ...

MM I/2006 17

Pohlcujúca virtuálna realita Často býva používateľ umiestnený

v simulátore, napríklad v kabíne, ktorá sa nakláňa a simuluje pohyby priestoru, v ktorom sa užívateľ nachádza.

Dotykové zariadenia sú schopné meniť odpor alebo tlak vyvíjaný proti ruke používateľa, takže je možné, napr. cítiť mechanické vlastnosti virtuálneho materiálu. 

MM I/2006 18

Ukážka ...

MM I/2006 19

Subsystémy - rámceKategorizácia subsystémov je daná hlavne podľa zmyslov, na

ktoré jednotlivé časti systému pôsobia: Vizuálny rámec - reprezentovaný napr farbou, optickými

vlatnosťami a pod , Akustický subsystém - vlastné zvuky objektu, interakčné a

odrazné zvuky objektu, generovanie zvukov, rospoznávanie zvukov a pod.,

Kinematický a statokinetický subsystém, napríklad deformácie objektu

Hmatový a dotykový subsystém a Iné vnemy (napr. vnemy čuchové, chuťové, citlivosť na

feromóny, citlivosť pri chorobe, bolesť, spánok či myšlienky).

MM I/2006 20

Vizuálny subsystém Človek vníma svoje okolie takmer z 80-ich percent

pomocou vizuálnych vnemov, a preto prepracovanie práve vizuálneho vnemu bolo a je na prvom mieste. Samozrejme, že sa v celku jedná len o trojrozmerné videnie resp. zobrazovanie - dva základné princípy: Prvý princíp predstavuje sledovanie statického monitora Druhým spôsobom v tejto oblasti je sekvenčné

zobrazovanie oboch pohľadov na jeden monitor, ale v príslušnej synchronizácii sú zaslepované príslušné oči (napr. pomocou okuliarov)

MM I/2006 21

Akustický subsystém Po zrakovom vnímaní je

hneď na druhom mieste vnímanie zvukové. Tak ako v reálnom živote aj vo virtuálnom svete patrí zvuk k neodmysliteľnej súčasti. Akustický podsystém môžeme rozdeliť podľa smeru toku informácií na vstupný a výstupný.

MM I/2006 22

Hmatový a dotykový subsystém Hmat či pocit pri dotyku je dôležitou stránkou pri

interakcii človeka s okolitým prostredím. V reálnom živote je celkom prirodzená nepriepustnosť hmoty a je obtiažne prechádzať napr. cez steny.

Riešenia sú väčšinou založené na mechanicko-gyroskopickej alebo bowdenovej báze. Tieto zariadenia simulujú odpor pre ruky a vo vývoji je zariadenie na simuláciu odporu pre nohy a ostatné časti tela. Prirodzeným pohybom vo virtuálnych svetoch je zatiaľ lietanie a bezodporové chodenie.

MM I/2006 23

Kinematický a statokinetický subsystém Určovanie pohybu resp. polohy (tzv. tracking)

pozorovateľa patrí medzi tri najdôležitejšie funkcie systému. V rámci trackingu patria medzi hlavné úlohy určovanie pozície hlavy, rúk, nôh príp. celého tela. Na základe výsledku týchto operácií sa prispôsobuje používateľovi aj virtuálny svet.

Podľa rozsahu a kvality snímania jednotlivých prvkov ľudského tela delíme systémy na: systémy s lokálnymi senzormi - používanie len dátovej

rukavice, prilby príp. oblek systémy s globálnym sledovaním - zaraďujeme sem

komplexné snímacie subsystémy väčšinou na mechanicko-gyroskopickej báze.

MM I/2006 24

Podľa spôsobu snímania polohy a pohybu

mechanicko-gyroskopické bowdenové (alebo tiež tiahlové) ultrazvukové infračervené a laserové indukčno-magnetické optické

MM I/2006 25

Interakcia rámcov

Vytvorenieinicializácia

sveta

Vytvorenieinicializácia

objektov

Aplikácia na

rámec

Riešenie kolíznych

situácií

Prezentáciaobjektu

Klasifikácia systémov

MM I/2006 27

Klasifikácia systémov klasifikácia je založená na rozdelení systémov

na základe dynamiky pozorovateľa (vnorené o aktéra) a prostredia (sveta), v ktorom sa pozorovateľ nachádza príp. pohybuje.

Na základe dynamiky jednotlivých subjektov v prostredí virtuálnej reality je možné rozdeliť tieto na dva tábory: tábor prostredia (environment) a tábor pozorovateľa (observer).

MM I/2006 28

Triedy SESO - Static environment - static observer -

statické prostredie - statický pozorovateľ DESO - Dynamic environment - static observer -

dynamické prostredie - statický pozorovateľ SEDO - Static environment - dynamic observer -

statické prostredie - dynamický pozorovateľ DEDO - Dynamic environment - dynamic observer

- dynamické prostredie - dynamický pozorovateľ

MM I/2006 29

Trieda SESO je najjednoduchší prípad a v podstate ho

môžeme zaradiť medzi fotorealistické obrazy. Mimo reálneho času je schopný tieto úlohy plniť aj osobný počítač triedy PC.

Pozorovateľ je schopný sa len pozerať, bez možnosti zasahovania do prostredia. Vzhľadom na "čistú statiku" deja môžeme tu len hovoriť o akejsi fotografii z virtuálneho sveta.

MM I/2006 30

Trieda DESO V podstate tento stav je možné prirovnať k

sledovaniu filmu v kine alebo televízii. Opäť pozorovateľ je schopný sa len pozerať, bez možnosti zasahovania do prostredia.

Do tejto kategórie môžeme zaradiť v podstate aj súčasné komerčné multimédiá. Tieto systémy podľa svojho vzniku môžeme opäť rozdeliť na dva druhy: systémy vznikajúce mimo reálneho času (OFF LINE) systémy prepočítavané v reálnom čase (ON LINE)

MM I/2006 31

Trieda SEDO Táto trieda predstavuje kvalitatívny a zásadný

rozdiel od prvých dvoch tried. Je ním možnosť zasahovania pozorovateľa do prostredia. Prostredie je ale statické do zásahu pozorovateľa resp. po zásahu pozorovateľa.

Pôsobenie pozorovateľa na prostredie môže byť vykonané niekoľkými spôsobmi. Najjednoduchšie je pomocou klávesnice počítača alebo myši. Samozrejme, že je tu aj možnosť interakcie pomocou rukavice a pod.

MM I/2006 32

Trieda DEDO Je najvyššia trieda v tomto chápaní

kategorizácie. Je vlastne už úplným rozšírením triedy SEDO o možnosť premeny prostredia.

Podľa počtu pozorovateľov môžeme túto triedu ešte rozdeliť na: DEDSO - len jeden (single) pozorovateľ. DEDMO - s viacerými (multi) pozorovateľmi s

možnosťou vzájomnej interakcie.

MM I/2006 33

Trieda DEDSO DEDSO systémy (podobne ako DESO) sú

chápané ako svety jedného pozorovateľa a dynamického prostredia, kde prostredie sa chová podľa určitých pravidiel (napr. kývanie závažia v hodinách, tok vody a pod.)

Toto rozdelenie v sebe môže zahrňovať živosť prostredia (Living) resp. neživosť prostredia (NotLiving).

MM I/2006 34

Trieda DEDMO DEDMO systémy sú najzložitejšie, okrem toho, že

môžu byť Living/NonLiving, majú navyše aj nutnosť vyriešiť nedeterminičnosť a interakciu dvoch a viacerých pozorovateľov, ktorý môžu napr. po vizuálnej stránke byť zobrazení rôzne.

Takisto je možné tu zahrnúť, či riadenie v DEDMO systémoch pre všetkých pozorovateľov riadi každého pozorovateľa človek alebo napr. výpočtový systém (tzv. Human/NonHuman systémy).

MM I/2006 35

Predstava systémov

MM I/2006 36

Využitie v praxi - charakteristiky Je nutné, aby pracovala v reálnom čase, aby mohla

reagovať na to čo užívateľ robí. Pre splnenie cieľov musí vytvárať čo najlepšiu

ilúziu. Umelý svet s objektmi má graficky trojrozmerný charakter.

Používateľ neprezerá umelý svet len zvonka, ale vstupuje do neho a interguje s ním

Svet nie je statický, ale používateľ môže umelý svet pretvárať a pohybovať sa v ňom. 

MM I/2006 37

... v lekárstve Je možné využívať priestorové modely orgánov

alebo celého tela. Modely sa získavajú pomocou počítačové topografie.

Lekári sa tak môžu zísť pri jednom operačnom stole a naplánovať si operáciu najskôr  na nečisto. Táto naplánovaná operácia potom môže slúžiť i ako vodítko pri samotnej operácii a vďaka tomu môžu sledovať na svojich monitoroch priebeh operácie aj kolegovia rôznych odborov.

MM I/2006 38

... v športe Pomocou techniky Motion capture sa sníma

pohyb na najdôležitejších častiach tela tak, aby sa presne zachytil a mohol byť reprodukovaný na virtuálnej postave v počítači.

Tam potom nastane "optimalizácia" pohybu a športovec sa tak môže učiť od počítača, napríklad hrať golf

MM I/2006 39

... v projektovaní Výhoda sa objavuje už pri práci s CAD s

priestorovými modelmi, kde sa môžeme viacej priblížiť vytváranému modelu, než s pohľadmi nárysu, bokorysu, pôdorysu. VR umožňuje i prácu s hotovými modelmi.

Ukážka pre železnice

MM I/2006 40

... v auto priemysle Náročné sú crash testy automobilov

vykonávané na fyzických modeloch, čo pochopiteľne pri digitálnom prototype odpadá.

Simulovanie crash testu  sledovať na obrazovke počítačového monitoru. Podstatné je, že vypočítané výsledky sa takmer zhodovali s fyzickým crash testom, a úspora nákladov je tu absolútne jasná.

MM I/2006 41

... školstvo Ukážkou využitia v dejepise je model Pompejí,

mesta zasypaného popolom a lávou pri výbuchu sopky Vezuv v roku 79 n. l.

zrekonštruovaná časť historického Berlína zničeného vo vojne, alebo Monmarte, Stanford, Červené námestie a pod.

sprostredkovanie pohľadu do histórie, ako vyzerali pamätné miesta, do ktorých sa už nikdy nebudeme môcť pozrieť

na vyučovaní, napríklad chémia

MM I/2006 42

... v armáde piloti lietajú na leteckých simulátoroch, aby

tak trénovali svoje zručnosti. Aj tu to predstavuje veľké úspory, aj keď

technika, ktorá je k tomu potrebná je veľmi nákladná.

Existujú stimulátory tanku, simulácie bojových akcií ...

MM I/2006 43

... telerobotika výmena chladiacich tyčí v jadrovom reaktore, pokladanie

potrubia na dne oceánu alebo manipulácia s vysoko nestabilnými výbušnými materiálmi

robot vybavený videokamerami a mikrofónmi posiela informácie operátorovi, ktorý ma na hlave stereoskopicky display a sluchátka.

Operátor teda vidí to, čo kamery robota a počuje všetky zvuky v dosahu jeho mikrofónu. Využívajú sa aj ďalšie zdroje informácií, napríklad senzory dotykovej a silovej spätnej väzby, zabudované v mechanických rukách, pripadne iných častiach robota

MM I/2006 44

... v komerčnej sfére uplatnenie napríklad u stavebných firiem,

ktoré ponúkajú niekoľko druhov typizovaných rodinných domov. Zákazník by sa mohol pred kúpou každým z nich „prejsť“ a poriadne si ho prezrieť

automobilový priemysel – zákazník si prezrie automobil pred kúpou - vo farbe a s doplnkami, ktoré si objednal alebo bicykel .

MM I/2006 45

... komercia virtuálna realita nemusí slúžiť firmám len na

skvalitnenie služieb zákazníkom. Svoje uplatnenie nájde tiež pri znižovaní

nákladov. Jedná sa predovšetkým o firmy, kde dochádza k ručnej stavbe rozsiahlych systémov, alebo kde je pre svoju jedinečnosť a neopakovateľnosť nutné si vopred danú činnosť dobre nacvičiť

MM I/2006 46

... na internete možno očakávať vytvorenie 3D sveta na

internete. Ľudia budú môcť nakupovať v

hypermarketoch, ktoré budú vyzerať ako v skutočnosti, budú sa môcť každého tovaru dotknúť a niektoré aj vyskúšať ...

MM I/2006 47

Záver v zábave, počítačové hry, filmová technika ... v komunikácií, prehĺbenie komunikačnej priepasti

medzi ľuďmi, mnoho ľudí bude chodiť na „párty“ na internete,

poznávať tam nových ľudí, či virtuálne cestovanie ... V tomto kontexte je vhodné pripomenúť výrok Kena

Olsona, zakladateľa Digital Equipment Corp. ktorý v roku 1977 prehlásil:

Nie je dôvod, prečo by niekto chcel mať počítač doma ...

Implementácia virtuálnej reality 

MM I/2006 49

VRML 97 a X3D štandard VRML97 je jediný schválený formát

štandardizačným úradom ISO, je treba povedať, že pokusy o vytvorenie iného štandardu často zlyhávajú práve kvôli certifikátu, ktorý VRML97 má.

organizácia Web3D Consortium vytvorila spolu s ostatnými firmami nový štandard X3D, ktorý má nahradiť nielen VRML ale aj iné grafické systémy nakoľko sa X3D už orientuje na celú oblasť 3D web grafiky.

MM I/2006 50

Jazyk VRML Jazyk VRML (virtual reality modeling

language) definuje spôsob zápisu virtuálnych svetov do textových súborov. VRML nevznikol ako produkt jednej firmy, ale je výsledkom spoločného vývoja veľkého množstva firiem a odborníkov z celého sveta. Týmto bol daný predpoklad pre jeho všeobecné ponímanie ako univerzálneho štandardu pre VR

MM I/2006 51

VAG (VRML Architecture Group)

Dala tri základné ciele jazyka VRML: prostriedky pre opis statických svetov, prostriedky pre opis dynamických svetov, prostriedky pre spoluprácu viacerých

používateľov vo virtuálnom prostredí.

MM I/2006 52

Základné vlastnosti jazyka Virtuálne svety tvorené priestorovými objektami sú

kombinované s multimediálnymi prvkami ako napríklad zvukové záznamy, video, obraz a pod..

Pri tvorbe virtuálnych svetov je možné používať prvky zapísané v lokálne v súboroch ale aj kdekoľvek v sieti internet.

Je možné medzi virtuálnymi svetmi prechádzať rovnako ako medzi jednotlivými stránkami WWW.

MM I/2006 53

Základné vlastnosti jazyka ... Animácie, interakcie a manipulácie s objektami vo

virtuálnom svete je zaistená jednotným prehľadným spôsobom.

Rovnaké prostriedky sa používajú pre statické aj dynamické svety; statické svety sa dajú jednoducho previesť na dynamické a naopak.

Súčasťou jazyka sú definície spôsobov pohybu užívateľa, podpora automatickej navigácie vo virtuálnom prostredí, popis reakcie na chovanie užívateľa..

MM I/2006 54

Základné vlastnosti jazyka ... Virtuálne svety je možné vkladať do WWW stránok

alebo rámov (frame). Jazyk VRML umožňuje spoluprácu s ďalšími

programovacími jazykmi (Java, JavaScript) a aktiváciu iných programov, typicky WWW stránok.

Popis virtuálnych svetov je ukladaný len v textovom formáte. Veľkosť súborov je možné zmenšiť pomocou komprimátora gzip, bez toho aby sme ho pred použitím museli vrátiť do pôvodného tvaru. 

MM I/2006 55

Objekty vrml a použitie Štandard definuje množinu objektov pre vytváranie

scén Tieto objekty sú definované v štruktúrach nazvaných uzly (nodes), ktoré sú usporiadané do hierarchickej štruktúry, ktorú nazývame strom (tree).

Každý uzol môže byť prepojený s niekoľkými ďalšími uzlami, ktorým hovoríme potomkovia (children), a naopak tento hlavný uzol nazývame rodič (parent). Celú scénu napokon nazývame graf scény, čo je vlastne les stromov.

MM I/2006 56

Objekty vrml a použitie ... Uzly v jednotlivých stromoch potom môžu

spolu komunikovať na základe udalostí. Uzly, ktoré sú v strome skôr môžu určovať

vlastnosti nasledujúcich uzlov (potomkov). Jazyk VRML je podobne ako jazyk HTML

nezávislý od platformy. 3D scéna je interpretovaná prehliadačom VRML, ktorý dovoľuje prechádzať sa po virtuálnom priestore na internete.

MM I/2006 57

Základné prvky Uzly môžu opisovať objekty rôznych typov, ako sú: Geometrické entity (bod, priamka, rovina a pod.). Geometrické celky (množiny). Základné operácie s objektmi (rotácia, translácia). Vlastnosti povrchu objektov. Parametre virtuálnej scény (pohľady kamier,

osvetlenia a pod.) ...

MM I/2006 58

X3D – rozšírenie vrml Jedná sa o najnovší štandard nielen vo

virtuálnej realite, ale aj v celom odvetví počítačovej grafiky

X3D štandard je zabudovaný do rutín 3D programov, s ktorými prichádza Mpeg-4.

Web 3D Consortium spolupracuje aj s WWW Consortiom (W3C) na tesnej integrácii X3D do XML jazykov pre web. 

MM I/2006 59

VRML prehliadače Prehliadač virtuálnych svetov musí minimálne

zvládnuť chôdzu a štúdium objektov – dnes sú k dispozícii nasledovné základné funkcie: chôdza – walk (go) úkroky – pan otáčanie – tilt (turn) štúdium objektov – study približovanie k objektom – goto (seek)