wirtualna rzeczywistość w przemyśle
VR i ochrona środowiska – eduVRlab
Czy technologia Wirtualnej Rzeczywistości może wpłynąć na poprawę stanu środowiska naturalnego? Już teraz prowadzone są liczne badania nad wykorzystaniem jej w kształtowaniu świadomości ludzi (“przenoszeniu” ich do najbardziej zdegradowanych miejsc na naszej planecie, pokazywaniu świata z perspektywy zwierząt zamkniętych w klatkach) oraz budowaniu postaw proekologicznych i edukacji z zakresu katastrof naturalnych.
Przedstawiciele naszej pracowni – Magdalena Igras-Cybulska, Dorota Żuchowska-Skiba, Artur Cybulski oraz Damian Gałuszka – poruszyli to zagadnienie podczas Konferencji Zagrożeń Cywilizacyjnych PAU, która odbyła się we wtorek 29 maja.
Wirtualne końce urodzaju – tam i z powrotem – rola VR w ochronie stabilnego rozwoju cywilizacji i środowiska naturalnego.
Magdalena Igras-Cybulska, Dorota Żuchowska-Skiba, Artur Cybulski, Damian Gałuszka
Celem prezentacji jest analiza roli immersyjnych środowisk VR w kształtowaniu świadomości zagrożeń środowiska naturalnego i budowaniu postaw proekologicznych jak również w edukacji z zakresu katastrof naturalnych. Przegląd badań i aplikacji będzie dotyczył zastosowań zarówno wybranych interaktywnych środowisk wirtualnych wyświetlanych na ekranie komputera, jak i doświadczanych w goglach VR interaktywnych środowisk przestrzennych i filmów sferycznych (360 stopni).
Wyświetlacze montowane na głowę (ang. HMD), po kilkudziesięciu latach rozwoju dla symulacji wojskowych, trenażerowych i terapeutycznych – dzięki dynamicznemu rozwojowi sprzętu i oprogramowania – umożliwiają obecnie niespotykany dotąd realizm i głębię doświadczeń. Przemieszczaniu fizycznemu towarzyszy przemieszczanie wirtualne – fizyczne obroty głowy i przemieszczanie użytkowników są im odzwierciedlane z ich zwykle pierwszoosobowej perspektywy w wirtualności, co sprzyja zjawiskom zanurzenia (ang. immersion) i ucieleśnienia (ang. embodiment). Zróżnicowane zastosowania technologii nazwanej VR w m.in. sferach architektury, medycyny, prototypowania przemysłowego i edukacji znajdują dopełnienie w mocno zasilającym finansowo rozwój tej technologii rynku gier, a sam sektor VR przynosi już wielomiliardowe dochody.
Nawet przy świadomości niefizyczności wirtualnych doświadczeń wrażenie obecności w roli widza wewnątrz powierzchni sfery projekcji filmu 360 stopni, albo tym bardziej wrażenie obecności w roli aktywnego uczestnika w pełni przestrzennego interaktywnego środowiska wirtualnego z możliwością wpływania na losy takiego środowiska – takie formy wrażeń znacznie ułatwiają użytkownikom dogłębne doświadczanie ukazywanych przez twórców scenariuszy zdarzeń. Wspomniane cechy technologii VR otwierają możliwości efektywnego zwiększania świadomości przyczyn i skutków zagrożeń dla środowiska naturalnego, w większym stopniu niż przy użyciu innych środków przekazu, takich jak tekst czy klasyczny film. W laboratorium Virtual Human Interaction Lab (VHIL) na Uniwersytecie Stanforda prowadzone są projekty badawcze skupiające się wokół pytania: czy da się dzięki VR wzmocnić poczucie więzi ze środowiskiem naturalnym? [1]. Eksperyment, w którym osoby badane brały udział w symulacji własnoręcznego ścinania drzew w VR wpłynął na długotrwałe postawy konsumenckie związane z używaniem luksusowego papieru toaletowego [2,3]. Wirtualne środowiska pozwalają na obcowanie z nieprawdopodobnymi lub surrealistycznymi przeżyciami – ta cecha została wykorzystana w eksperymencie, który wizualizował badanym ilość węgla zużytego przez nich do podgrzania wody w formie ich wirtualnego awatara zjadającego bryłki węgla [4].
Zjawisko embodimentu może być wykorzystane nie tylko wobec innych ludzi, ale i zwierząt – eksperymenty z przyjmowaniem perspektywy zwierzęcia dotyczyły doświadczenia wcielenia się w awatar krowy [5], co okazało się mieć wpływ na zwiększenie poczucia związku ze środowiskiem naturalnym. Podobny eksperyment przeprowadziła polska fundacja Otwarte Klatki w kampanii przeciwko produkcji jaj metodą chowu klatkowego, nagrywając film 360 z perspektywy kury nioski [6].
Wirtualna rzeczywistość może stać się medium edukacyjnym szczególnie oddziałującym na wyobraźnię w zakresie świadomości zmian klimatycznych, dzięki możliwości ukazywania procesów i ich skutków, co zbadano na przykładzie zakwaszania oceanów [7]. Powstają filmy 360 stopni uwrażliwiające na skutki katastrof [8]. Reportaż ze skutków trzęsienia ziemi w Nepalu nagrany kamerą 360 został okrzyknięty przełomem w dokumentowaniu katastrof naturalnych [9,10]. Kolejna produkcja “Ground Beneath Her,” ilustruje fragmenty z codziennego życia 14-letniej dziewczynki po tej katastrofie [11].
W 2017 r. w ArtScience Museum w Singapurze, Lenovo we współpracy z Google i WWF pokazało przy użyciu rozszerzonej i wirtualnej rzeczywistości, jak kurczą się lasy równikowe. W 2018 r. The Wild Immersion wraz z Lenovo i słynną prymatolog Jane Goodall stworzyło materiały wideo 360 stopni, które były prezentowane w miastach całego świata przy użyciu autonomicznych gogli VR, aby zwiększać świadomość odbiorców w zakresie degradacji naturalnych siedlisk fauny. Premiera miała miejsce na Festiwalu Filmowym w Cannes [12,13].
Wysoki potencjał środowisk wirtualnych, w szczególności tych interaktywnych, przejawia się w zastosowaniach trenażerowych, w których w bezpiecznych, kontrolowanych warunkach można przećwiczyć procedury bezpieczeństwa oraz przygotować się do realnego stawienia czoła wyzwaniom związanym z katastrofami [14]. Przykładowe aplikacje to IMMERSED: A VR Experience About Flood & Resilience [15], Flood action VR stworzona na podstawie historycznych danych rzeczywistych [16] lub symulatory Virtual Disaster Preparedness [17]. Przewidywany jest dynamiczny wzrost liczby takich implementacji, m. in. ze względu na ich efektywność i koszt, również w instytucjach państwowych, jednocześnie istnieje potrzeba badań nad nimi, m.in. w zakresie analiz porównawczych z innymi narzędziami edukacyjnymi [18, 19].
Komercyjny sukces gry cyfrowej pt. “Eco” autorstwa Strange Loop Games [20], wspierającej koncepcję społecznej odpowiedzialności biznesu wskazuje, że aktywne uczestnictwo w starannie przygotowanych wieloosobowych doświadczeniach interaktywnych środowisk wirtualnych przystępnie obrazujących wzajemne deterministyczne zależności wpływów działań jednostek i zbiorowości w drodze rozwoju cywilizacyjnego z wpływami zmienianych tymi działaniami ekosystemów – może być znacznie bardziej angażujące, niż przykładowo, mimo że często pięknie przygotowywane – to jednak biernie (w roli widza) i zwykle jednorazowo doświadczane filmy dokumentalne o tej tematyce.
Rola symulacji VR z danych rzeczywistych w promowaniu stabilnego rozwoju symbiozy cywilizacji i środowiska naturalnego może stać się bardzo istotna. Wirtualność cyfrowych płaszczyzn i przestrzeni sprawia, że są one doskonałym medium doświadczania jak najbardziej rzeczywistego kognitywnie czynnego uczestnictwa i obecności w sytuacjach, miejscach i historiach. Na przykład, ulga towarzysząca zdejmowaniu gogli VR po doświadczaniu fotorealistycznej symulacji z danych rzeczywistych, obrazującej skutki dla cywilizacji powstałe wskutek niezbalansowanego zużycia surowców naturalnych mogłaby także towarzyszyć wzruszonemu, rozumiejącemu i zdroworozsądkowo zdeterminowanemu spojrzeniu w ufne oczy następnych pokoleń.
[1] Bailenson, J. (2018). Experience on demand: What virtual reality is, how it works, and what it can do. WW Norton & Company. [2] Ahn, S. J. G., Bailenson, J. N., & Park, D. (2014). Short-and long-term effects of embodied experiences in immersive virtual environments on environmental locus of control and behavior. Computers in Human Behavior, 39, 235-245. [3] Ahn, S. J., Fox, J., Dale, K. R., & Avant, J. A. (2015). Framing virtual experiences: Effects on environmental efficacy and behavior over time. Communication Research, 42(6), 839-863. [4] Bailey, J. O., Bailenson, J. N., Flora, J., Armel, K. C., Voelker, D., & Reeves, B. (2015). The impact of vivid messages on reducing energy consumption related to hot water use. Environment and Behavior, 47(5), 570-592. [5] Ahn, S. J., Bostick, J., Ogle, E., Nowak, K. L., McGillicuddy, K. T., & Bailenson, J. N. (2016). Experiencing nature: Embodying animals in immersive virtual environments increases inclusion of nature in self and involvement with nature. Journal of Computer-Mediated Communication, 21(6), 399-419. [6] [7] David M. Markowitz, Rob Laha, Brian P. Perone, Roy D. Pea, Jeremy N. Bailenson. Immersive Virtual Reality Field Trips Facilitate Learning About Climate Change. Frontiers in Psychology, 2018; 9 DOI: 10.3389/fpsyg.2018.02364 [8] [8] [10] [11] [12] https://mobirank.pl/2018/05/08/the-wild-immersion-i-lenovo-mirage-solo-vr-planeta-to-wiecej-niz-statystyki/ [13] [14] P. Eva and H. Ladislav, “Virtual reality as needful factor of intervention in natural disasters,” 2017 International Conference on Engineering, Technology and Innovation (ICE/ITMC), Funchal, 2017, pp. 1-5. doi: 10.1109/ICE.2017.8279861 [15] [16] Sermet, Y., & Demir, I. (2018). Flood Action VR: A Virtual Reality Framework for Disaster Awareness and Emergency Response Training. In Proceedings of the International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods (MSV) (pp. 65-68). [17] [18] Hsu, E. B., Li, Y., Bayram, J. D., Levinson, D., Yang, S., & Monahan, C. (2013). State of virtual reality based disaster preparedness and response training. PLoS currents, 5, ecurrents.dis.1ea2b2e71237d5337fa53982a38b2aff. [19] [20]
Dla wszystkich źródeł online – dostęp: 25.05.2019
Zanurzeniowa rzeczywistość wirtualna, Symulatory pojazdów
Zanurzeniowa rzeczywistość wirtualna
Technika zanurzeniowa VR charakteryzuje się niemal całkowitym odizolowaniem zmysłów człowieka od wrażeń pochodzących z rzeczywistego świata. W zamian za to prezentowany jest mu obraz oraz dźwięk przygotowany przez komputer, będący odzwierciedleniem symulowanego środowiska. Dzięki swoim cechom, technika zanurzeniowa VR umożliwia najwyższy spośród dostępnych rozwiązań stopień realności symulowanego świata (fot. 1. - w prawym dolnym rogu przedstawiony jest obraz wyświetlany w info-hełmie, widoczne są na nim awatary dłoni, które odzwierciedlają położenie, orientację w przestrzeni oraz stopień zgięcia palców osoby biorącej udział w szkoleniu).
Do prezentacji obrazu służy umieszczone na głowie osoby szkolonej urządzenie zwane info-hełmem (HMD - Head Mounted Display). Składa się ono z dwóch wyświetlaczy znajdujących się przed oczami obserwatora oraz słuchawek. Zapewnia to możliwość przestrzennego widzenia generowanego przez komputer trójwymiarowego obrazu i odbioru umieszczonych w wirtualnej przestrzeni dźwięków. Wrażenie „zanurzenia" w wirtualnym świecie uzyskiwane jest dzięki temu, że ekrany info-hełmu znajdują się zawsze przed oczami osoby badanej, niezależnie od ruchów jej głowy. Wyświetlany przez info-hełm obraz musi uwzględniać te ruchy, są więc one rejestrowane przez komputer przy pomocy urządzenia zwanego „systemem śledzenia".
Z kolei interakcję człowieka z wirtualnym środowiskiem zapewniają info-rękawice. Są to urządzenia służące do rejestrowania ruchów palców i położenia dłoni w przestrzeni, dzięki czemu możliwe jest odtworzenie w wirtualnym świecie ruchów takich jak chwytanie, a tym samym podnoszenie i przemieszczanie wirtualnych przedmiotów. Bardziej zaawansowane modele rękawic, oprócz rejestrowania ruchu, umożliwiają także wykorzystanie zmysłu dotyku. Sprzężenie zwrotne pomiędzy wirtualnym światem a człowiekiem jest realizowane za pomocą cięgien przymocowanych do palców. W momencie, gdy użytkownik dotyka wirtualnego przedmiotu, dalszy ruch cięgien jest zatrzymywany, co uniemożliwia zginanie palców i daje wrażenie dotykania rzeczywistego przedmiotu.
Do określenia położenia głowy i rąk osoby szkolonej wymagany jest odpowiedni system śledzenia. Najczęściej stosowane są systemy magnetyczne (na dłoniach i głowie umieszczone są specjalne sensory zbudowane z układu cewek, w których wzbudzany prąd zależny jest od położenia względem anteny) lub optyczne (znaczniki umieszczone na głowie i rękach są obserwowane przez układ szybkich kamer).
Symulatory pojazdów
Początki budowy symulatorów pojazdów są ściśle związane z symulatorami wojskowych samolotów i helikopterów. W miarę, jak technologie wykorzystywane do budowy symulatorów stawały się coraz tańsze i bardziej powszechne, ta metoda szkolenia przenikała do cywilnych zastosowań. Dzisiaj symulatory są na tyle popularne, że stosuje się je nie tylko do szkolenia zawodowych kierowców ciężarówek, autobusów lub specjalistycznych maszyn (wózki widłowe, koparko-ładowarki itp.), ale również szkoli się z ich wykorzystaniem w trakcie kursu na prawo jazdy kategorii B.
Fot. 1. Sposób wykorzystania aparatury umożliwiającej stworzenie stanowiska zanurzeniowej rzeczywistości wirtualnej
Obecnie w symulatorach stosuje się dwie metody wyświetlania obrazu, z wykorzystaniem HMD oraz ekranów, na których wyświetlany jest obraz. W tym drugim przypadku obraz zwykle wyświetlany jest za pomocą jednego bądź kilku projektorów na ekranach umieszczonych przed kokpitem symulatora (rys. 1.). W przeciwieństwie do systemów wykorzystujących HMD obraz symulacji ograniczony jest tylko do przedniej części symulatora.
Rys. 1. Schemat symulatora wykorzystującego trzy ekrany
Do zalet stosowania HMD należy zaliczyć wysokiej jakości obraz stereoskopowy, możliwość rozglądania się dookoła, obraz w (wirtualnych) lusterkach uwzględniający położenie głowy, możliwość zastosowania dużo prostszego (a więc tańszego i zajmującego mniej miejsca) kokpitu symulatora. Najważniejsze wady to ograniczone pole widzenia, brak możliwości uwzględnienia ruchu gałek ocznych oraz konieczność zastosowania systemu śledzenia.
Najczęściej stosowane obecnie rozwiązanie opiera się na wykorzystaniu projektorów. Rozwiązanie takie nie wymaga noszenia przez osobę biorącą udział w symulacji dodatkowego sprzętu (np. HMD, elementy systemu śledzenia) i jest stosunkowo niedrogie - cena najprostszych symulatorów wykorzystujących sprzęt produkowany dla graczy komputerowych (np. kierownice) to kilkanaście tysięcy złotych (należy przy tym pamiętać, że wówczas jakość i realizm symulacji jest bardzo niski - koszt w pełni profesjonalnych symulatorów liczony jest w setkach tysięcy złotych). Podstawowe wady to stosunkowo duży rozmiar i ciężar, obraz symulowanego środowiska ograniczony do rozmiaru ekranu, poważne trudności w uzyskaniu obrazu stereoskopowego, brak możliwości uwzględnienia ruchu głowy w obrazie wyświetlanym w lusterkach. Ponadto przygotowanie pełnego kokpitu (zawierającego wszystkie elementy, np. prędkościomierz, obrotomierz i komputer pokładowy) jest dużo bardziej kosztowne niż w przypadku HMD.
Rozważając korzystanie z symulatora należy uwzględnić doświadczaną przez niektórych ludzi (zwłaszcza tych mających skłonność do choroby lokomocyjnej) tzw. chorobę symulatorową. Jej źródłem jest przede wszystkim to, że obserwujemy ruchomy obraz nie ruszając się z miejsca. Gwałtowna zmiana widzianego obrazu (np. przechylenie, gdy najedziemy jednym kołem na krawężnik) sprzeczna z sygnałami z błędnika może wywołać mdłości nawet u osób, które na co dzień prowadzą samochód i nie mają tego typu dolegliwości. Pewnym rozwiązaniem tego problemu jest umieszczenie kokpitu na ruchomej platformie, która pozwala na symulowanie sił działających na kierowcę podczas jazdy (np. sił bezwładności działających podczas ruszania, hamowania bądź pokonywania zakrętów). Dodatkową korzyścią wynikającą z zastosowania ruchomej platformy jest znaczące zwiększenie realizmu symulacji - niestety rozwiązania takie są bardzo kosztowne i rzadko stosowane.
Warto dodać, że zdecydowana większość osób szybko adaptuje się do wirtualnego środowiska i po kilku sesjach w symulatorze objawy choroby symulatorowej pojawiają się z mniejszym natężeniem.
wirtualna rzeczywistość w przemyśle
Wirtualna rzeczywistość to trójwymiarowy, stworzony komputerowo obraz wyświetlający przedmioty, sceny lub zdarzenia. Przemysłowe zastosowanie virtual reality obejmuje m.in. szkolenia pracowników. Symulowanie niebezpiecznych warunków, bądź trudnych w obsłudze maszyn, umożliwia naukę bez ponoszenia kosztów związanych np. z wypadkami przy pracy czy uszkodzeniem sprzętu. VR wykorzystują również projektanci – dzięki temu pracują nad prototypami bez konieczności wyprodukowania choćby jednego egzemplarza produktu. Przeniesienie się do symulowanego środowiska usprawnia także jednoczesne i zdalne działania kilku osób, które mogą wspólnie nanosić na niego poprawki na modele odwzorowujące projekt. Z kolei obejrzenie filmu instruktażowego w goglach ułatwia naprawę urządzeń. Wirtualnej rzeczywistości używana się również do prezentowania cyfrowych bliźniąt fabryk lub ich symulacji jeszcze przed wybudowaniem. Natomiast przedsiębiorcy wytwarzający towary w małych seriach, pokazują digital twin klientom, zanim uruchomią linię produkcyjną. Dzięki temu odbiorcy mogą podejmować decyzje o zakupie bez strat w zużytych materiałach. Z tej sposobności korzystają także przedstawiciele branż nastawionych na większe serie, chcący zmodyfikować łańcuch wartości tak, by poprzedzić produkcję sprzedażą.
Prekursorem VR jest Myron W. Krueger, który w 1969 roku opracował „Glowflow” – wideoinstalację złożoną z zaciemnionego pokoju i umieszczonych w jego ścianach, przezroczystych rur wypełnionych fluorescencyjną substancją, która mogła zmieniać kolor. Barwy, a także towarzyszące całości dźwięki syntezatora Mooga, różniły się w zależności od ruchów osoby przebywającej w pomieszczeniu, które interpretował komputer. Prototyp Kruegera przyczynił się m.in. do powstania CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) w 1992 rok, czyli systemu złożonego z projektorów rzucających obrazy na ściany, podłogi, a także sufity pomieszczenia. Użytkownicy zakładali okulary 3D, żeby obserwować trójwymiarowe grafiki wyświetlane przez rzutniki. Równolegle trwały prace nad goglami VR, których pierwowzorem był opracowany przez Ivana Sutherlanda Ultimate Display (nazywany również Mieczem Demoklesa, bo cały mechanizm „okularów” był tak ciężki, że trzeba było go montować do sufitu). Pojęcie wirtualnej rzeczywistości wprowadził Jaron Lanier, a definicję opracował jego współpracownik, Steve Bryson – według niego VR jest sposobem użycia technologii komputerowych w tworzeniu efektu interaktywnego, trójwymiarowego świata, w którym obiekty dają wrażenie przestrzennej (fizycznej) obecności.
Przemysław Kutytowski
PREVIOUS POST
wirtualna rzeczywistość w przemyśle
NEXT POST
wirtualna rzeczywistość w przemyśle
