wzor IVKKTI - Politechnika Gdańska

ZESZYTY NAUKOWE WYDZIAŁU ETI POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ
Nr 8
Seria: Technologie Informacyjne
2010
Jacek Lebiedź1), Jacek Łubiński2), Adam Mazikowski3)
1)
Politechnika Gdańska, Katedra Inżynierii Wiedzy
Politechnika Gdańska, Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn
3)
Politechnika Gdańska, Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych
2)
PROJEKT LABORATORIUM
ZANURZONEJ WIZUALIZACJI PRZESTRZENNEJ
Streszczenie
Referat prezentuje koncepcję urządzenia pozwalającego na nieograniczony terytorialnie spacer po
zadanym świecie wirtualnym, które ma zostać zrealizowane na Politechnice Gdańskiej do końca 2013
roku w specjalnie zbudowanym pawilonie. Urządzenie to będzie symulować autonomiczne
przemieszczanie się wewnątrz sceny generowanej komputerowo. Wrażenie samodzielnego ruchu
uzyskane zostanie poprzez zastosowanie mechanizmu pozwalającego na chód w dowolnym kierunku
bez zmiany pozycji maszerującego (chód w miejscu). Mechanizm ten będzie miał postać
przezroczystej sfery obrotowej z użytkownikiem umieszczonym w środku obracającym sferę
własnymi krokami (na podobieństwo chomika obracającego kołowrotek). Wizualizacja polegać zaś
będzie na równoległej projekcji obrazu trójwymiarowego na wszystkie ściany wyposażonego w ten
mechanizm pomieszczenia (tzw. CAVE) wzbogaconej o generację dźwięku przestrzennego.
1. WSTĘP
Największym wyzwaniem dla Laboratorium Zanurzonej Wizualizacji Przestrzennej
(LZWP) jest realizacja mechanizmu do marszu w miejscu. Najbardziej udane rozwiązania
stosowane na świecie wykorzystują obrotową sferę z użytkownikiem umieszczonym w
środku [1, 2]. Odpowiedni układ czujników może za pomocą systemu silników sterować
obrotem sfery zgodnie z krokiem uczestnika symulacji. Przy odpowiedniej lekkości sfery
można zrezygnować z napędu i do jej poruszania wykorzystać siłę kroków człowieka.
Najprostszą metodą uzyskania wrażenia zanurzenia audiowizualnego użytkownika w
przestrzeni wirtualnej jest oczywiście kask cybernetyczny. Ze względu jednak na
dyskomfort wynikający z konieczności zakładania urządzenia na głowę i stosunkowo
niewielkiej rozdzielczości uzyskiwanego obrazu, a także ryzyko opóźnienia w generacji
obrazu w przypadku gwałtownych ruchów lepszym rozwiązaniem jest dookolna projekcja
wsteczna 3D na ściany sfery lub na dodatkowe płaskie ekrany umieszczone na zewnątrz
sfery [3] (rys. 1). Oba rozwiązania wymuszają wykonanie sfery z materiału przezroczystego o odpowiednich właściwościach optycznych, trwałości i odporności na zabrudzenia.
2
Jacek Lebiedź, Jacek Łubiński, Adam Mazikowski
Rys.1. Wizualizacja rozwiązania planowanego dla LZWP (rys.: Jerzy Dembski).
Marsz w miejscu może być realizowany również innymi metodami, które stanowią
alternatywne rozwiązanie. Zamiast wewnątrz sfery użytkownik mógłby „wędrować” po
zewnętrznej stronie sfery (u góry), co pozwoliłoby na rezygnację z wymogu
przezroczystości sfery. Takie rozwiązanie stwarza jednak dużą łatwość przypadkowego
wyjścia z pola marszu. Wystarczyłoby być może stabilizować postać użytkownika pasem z
układem sprężyn (czyli czymś w rodzaju chodzika dla dzieci), istnieje jednak obawa, że
takie rozwiązanie będzie psuło wrażenie naturalności chodu.
Możliwe są również rozwiązania nie wykorzystujące sfery [4]. Dwukierunkowy pas
transmisyjny [5, 6], ewentualnie specjalna mata z obracającymi się pierścieniami
„koralików”, czy też ruchome płyty chodnikowe podstawiające się automatycznie pod
stawiane stopy [7] są jednak rozwiązaniami o wiele bardziej skomplikowanymi i w
konsekwencji bardziej zawodnymi. Obawiać się też tu należy wystąpienia dodatkowych
trudności (np. hałas, czy też brak możliwości projekcji obrazu na podłoże). Ciekawym
rozwiązaniem są ponadto wirtualne buty (podobne do dwukierunkowych wrotek) [8] lub
układ sprężyn pozycjonujących stopy na śliskim podłożu [9]. Naturalność marszu wydaje
się tu jednak wątpliwa. Co więcej urządzenia te wymagają dość niewygodnych zabiegów
przed i po udziale w symulacji (założenie urządzenia na nogi i zdjęcie go z nóg).
2. BRYŁA LABORTORIUM
Technologie bazujące na sferze z człowiekiem wewnątrz wymagają dużej kubatury.
Sfera taka powinna mieć minimalną średnicę równą wysokości człowieka z wyciągniętymi
do góry rękoma czyli około 2,5 m. W przypadku dookolnej projekcji średnica ta powinna
wynosić dwie wysokości człowieka (licząc do poziomu wzroku) czyli około 3,2 m, tak by
jego oczy znajdowały się w środku sfery, dzięki czemu zagwarantowana jest prostopadłość
kierunku obserwacji do brzegów sfery. Zapewnia to minimalizację zniekształceń obrazu
zarówno w przypadku projekcji bezpośrednio na sferę (powierzchnia obrazu jest wówczas
Projekt Laboratorium Zanurzonej Wizualizacji Przestrzennej
3
zawsze prostopadła do kierunku obserwacji), jak i w przypadku projekcji na dodatkowe
ekrany (na brzegach przezroczystej sfery nie występuje załamanie promieni świetlnych).
Rozmiary sfery są ponadto uwarunkowane jej krzywizną. Przy średnicy wynoszącej
2,5 m krok długości 1 m (osiągany przez przeciętnego człowieka w szybkim marszu lub
podczas biegu) odpowiada różnicy nachyleń obu stóp równej około 47° (ponad połowa kąta
prostego), co może wpływać na uczucie nienaturalności chodu (rys. 2). Przy średnicy 3,2 m
różnica ta zmniejsza się do około 36° i choć nadal nie można wykluczyć jej wyczuwalności
przez człowieka, to wydaje się, że średnica taka może już być akceptowalna. Jest to
dodatkowy powód, dla którego średnicę 3,2 m należy uznać za właściwą.
d
1m
α
Rys.2. Różnica nachyleń α obu stóp osoby kroczącej metrowym krokiem wewnątrz kuli o średnicy d
(d = 2,5 m => α ≈ 47°, d = 3,2 m => α ≈ 36°, α = 2·arcsind-1).
Za wymiarem średnicy 3,2 m przemawia dodatkowo większa objętość powietrza
zamknięta powierzchnią sfery. Nie wiadomo, czy ze względów optycznych akceptowalne
będą jakieś maleńkie otwory w sferze. Należy więc założyć, że uczestnik symulacji może
być skazany jedynie na powietrze zamknięte wraz z nim w sferze. Sfera o średnicy 3,2 m
zawiera 17,16 m³ powietrza czyli ponad dwukrotnie więcej niż sfera o średnicy 2,5 m (8,18
m³), więc też tylekrotnie wydłuży możliwy maksymalny czas przebywania wewnątrz sfery.
Najważniejszym elementem wpływającym na rozmiary instalacji jest jednak system
projekcji wstecznej (zewnętrznej). Wymaga on znacznie większej kubatury niż sama sfera,
choć jego rozmiary zależą od jej wielkości. Projekcja z sześciu stron (co odpowiada
projekcji sześciennej stosowanej w zdecydowanej większości instalacji CAVE) przy
rozmiarach ekranu zgodnych z rozmiarem sfery (a właściwie nieco większych, gdyż ekrany
nie powinny dotykać sfery) i standardowym kącie projekcji wymaga po około 3,5 m
dystansu między projektorem a ekranem z każdej strony. Do tego należy doliczyć rozmiary
projektora szacowane na około 0,8 m. Przy tego typu rachunkach warto też uwzględnić
pewien zapas rzędu około 5% sumarycznej długości. Minimalne rozmiary pomieszczenia,
w którym znajdowałoby się planowane urządzenie, należy zatem szacować na 12,5 m ×
12,5 m × 12,5 m. Rozmiary te odpowiadają sześcianowi o wysokości czterech kondygnacji.
Co prawda możliwa jest pewna redukcja rozmiarów pomieszczenia poprzez
zastosowanie układów luster w systemie projekcji pozwalających na zbliżenie projektorów
do ekranów, ale należy przyjąć, że koszt takiego systemu przekroczyłby oszczędności
uzyskane dzięki budowie mniejszego pomieszczenia. Układ luster mógłby ponadto
przyczynić się do pogorszenia jakości obrazu.
4
Jacek Lebiedź, Jacek Łubiński, Adam Mazikowski
3. BRYŁY ALTERNATYWNE
Redukcję rozmiarów pomieszczenia można także osiągnąć rezygnując z ustawienia
projektorów w środkach jego ścian. Środki ścian sześcianu stanowią wierzchołki
ośmiościanu foremnego (rys. 3a) i taki kształt mogłoby przyjąć pomieszczenie. Jego
kubatura byłaby wówczas sześciokrotnie mniejsza od objętości pierwotnie założonej
sześciennej hali (długość krawędzi takiego ośmiościanu wyniosłaby ½·√2 długości boku
wyjściowego sześcianu), ale ośmiościan stojący na jednym swoim wierzchołku byłby nie
lada wyzwaniem architektonicznym. Prostszym pod względem budowlanym byłoby
niewątpliwie zastąpienie dolnej połowy ośmiościanu prostopadłościanem (rys. 3b), ale
kubatura w porównaniu z ośmiościanem wzrosłaby dwukrotnie i byłaby już jedynie
trzykrotnie mniejsza od objętości pierwotnego sześcianu.
Zwróćmy jednak uwagę, że pionowość i poziomość ścian pierwotnego sześcianu
wynikała głównie z konstrukcyjnej naturalności takiego rozwiązania (zwykle budynki mają
pionowe ściany i poziome stropy). Takiemu rozwiązaniu sprzyja ponadto minimalizacja
błędów wizualizacji wynikająca z tego, że na poziomie wzroku uczestnika symulacji
(najczęściej patrzymy przed siebie lub w bok) znajduje się możliwie maksymalna (4) liczba
centralnych części obrazów pochodzących z różnych projektorów oraz możliwie minimalna
(4) liczba łączeń obrazów (i to w środkach ich krawędzi).
Zakładając jednak, że degradacja obrazu na łączeniach nie będzie specjalnie
zauważalna można zaakceptować ewentualny obrót ośmiościennego układu projektorów.
Rozważany przez nas ośmiościan można by zatem ustawić w dowolnej pozycji, z których
najbardziej naturalną dla potrzeb budowlanych wydaje się pozycja z dwiema ścianami
poziomymi (rys. 3c) stanowiącymi odpowiednio podłogę i sufit. Kubatura ośmiościanu
oczywiście się nie zmienia w wyniku obrotu i wciąż jest sześciokrotnie mniejsza od
pierwotnego sześcianu. Jeżeli ze względów architektonicznych należałoby utrzymać
pionowo-poziomą pozycję ścian, to przy powyższym ustawieniu projektorów
wystarczyłoby pomieszczenie w kształcie prostopadłościanu opisanego na obróconym
ośmiościanie (rys. 3d). Miałoby ono wymiary a·½·√2 × a·⅓·√6 × a·⅓·√3 (wysokość) i w
konsekwencji kubaturę trzy razy mniejszą od pierwotnego sześcianu (a oznacza długość
jego boku). Podstawiając a = 12,5 m otrzymujemy wymiary 8,84 m (szerokość równa
długości boku ośmiościanu) × 10,21 m (długość) × 7,22 m (wysokość).
a
b
c
d
Rys.3. Różne formy brył, w których objętości zmieści się zakładany system projektorów:
a) sześciokąt z wpisanym ośmiościanem foremnym ukazującym rozmieszczenie projektorów,
b) prostopadłościan i ostrosłup zawierające ośmiościan foremny,
c) ośmiościan foremny położony na jednej ze swoich ścian,
d) prostopadłościan opisany na leżącym na swojej ścianie ośmiościanie foremnym.
Projekt Laboratorium Zanurzonej Wizualizacji Przestrzennej
5
Sześcian o boku 12,5 m wydaje się jednak najbardziej właściwym rozwiązaniem.
Zapewnia on najlepszą precyzję wizualizacji (cztery zestawy projektorów na poziomie
wzroku) i pozwala na ewentualne eksperymenty z rozmieszczeniem czy też większą liczbą
zestawów projekcyjnych przy zachowaniu założonego dystansu między projektorem a
ekranem. Ewentualny wzrost (oczywiście w pewnym tylko zakresie) wymagań odnośnie
tego dystansu pozwala ponadto znaleźć rozwiązanie w obrębie pomieszczenia poprzez
ustawienie projektorów w pozycjach niecentralnych względem ścian. Rozwiązania
bazujące na ośmiościanie uwzględniają tylko jedno możliwe rozstawienie projektorów,
uniemożliwiają więc jakiekolwiek eksperymenty z rozmieszczeniem czy też powiększeniem liczby zestawów projekcyjnych przy zachowaniu założonego dystansu między
projektorem a ekranem i nie pozwalają na żaden wzrost wymagań odnośnie tego dystansu.
4. WYPOSAŻENIE LABORATORIUM
Zanurzenie wizualne użytkownika w przestrzeni wirtualnej uzyskane zostanie za
pomocą dookolnej projekcji wstecznej 3D. Analogicznie jak we współczesnych kinowych
pokazach trójwymiarowych wykorzystana będzie wizualizacja stereoskopowa z separacją
widma (poprzez odpowiednie okulary) obrazu tworzonego przez dwa projektory (osobny
dla lewego i prawego oka). Sześć takich zestawów projektorów będzie wyświetlać obrazy
na płaskich ekranach stanowiących sześcian opisany na sferze. Rozwiązanie takie wydaje
się gwarantować lepszą jakość wizualizacji niż bezpośrednia projekcja na sferę, gdzie
pojawiłyby się zniekształcenia obrazu wynikające z krzywizny.
Konfiguracja sześciu zestawów projektorów przy rozdzielczości HD zapewni
rozmiary pikseli równe około 2 mm × 3 mm, podczas gdy zdrowe oko będzie w stanie
rozróżnić z odległości 1,6 m (= ½·3,2 m) punkty odległe od siebie już o 0,5 mm. Innymi
słowy w celu ukrycia pikselowej struktury obrazu należałoby w miejsce 1 piksela użyć ich
przynajmniej 24. Na pewnym etapie rozwoju instalacji będzie zatem nieodzowne
zwiększenie rozdzielczości wyświetlanej sceny, co może być uzyskane przez wzrost liczby
projektorów lub przyrost ich rozdzielczości.
W celu wyeliminowania niepożądanych efektów świetlnych otoczenia projektowane
pomieszczenie powinno być pozbawione okien, zaś ściany, drzwi i wyposażenie (np.
stelaże sfery i projektorów) powinny być pokryte czarną farbą matową (super czernią
optyczną). Pomieszczenie będzie wymagać stałej temperatury i wilgotności – niezbędna
będzie więc dla niego odpowiednia klimatyzacja. Konstrukcja pomieszczenia powinna być
ponadto zdolna do utrzymywania pewnego nadciśnienia, dzięki czemu możliwe będzie
osadzenie sfery na poduszce powietrznej (choć nie należy wykluczać innego zawieszenia).
Ściany, sufit i podłoga będą odpowiednio przystosowane do montażu całej instalacji
oraz do jej zasilania i sterowania. Pod sufitem planowany jest wciągnik przeznaczony do
podnoszenia sfery obrotowej (instalacja, konserwacja, demontaż). Przewidziano także dwie
galerie (w połowie wysokości pomieszczenia i pod sufitem) pozwalające monterom i
konserwatorom na względnie łatwe i bezpieczne dotarcie do miejsc, gdzie będą
zainstalowane projektory oraz nagłośnienie.
Poza pomieszczeniem przeznaczonym dla urządzenia symulującego autonomiczne
przemieszczanie się wewnątrz sceny generowanej komputerowo (hala główna) przewiduje
się pomieszczenia pomocnicze (o standardowej wysokości). Są nimi: serwerownia
(przeznaczona dla komputerów sterujących urządzeniem i generujących obraz),
maszynownia (obsługująca ewentualne napęd i powietrzne zawieszenie sfery), sterownia
Jacek Lebiedź, Jacek Łubiński, Adam Mazikowski
6
(dla obsługi technicznej) ze śluzą dostępową, galeria obserwacyjna (z szerokim lustrem
weneckim) i sala seminaryjno-laboratoryjna (do zajęć projektowo-laboratoryjnych).
Swoboda marszu będzie w pełni odczuwana pod warunkiem odpowiedniej synchronizacji wizualizacji i dźwięku z marszem uczestnika symulacji. Generacja realistycznego
obrazu 3D modyfikowanego wraz z ruchem użytkownika w czasie rzeczywistym (ang.
hard real-time generation) jest niezbędna do uzyskania wiarygodnego wrażenia marszu w
terenie wirtualnym. Efekt ten można uzyskać stosując odpowiednie oprogramowanie m.in.
graficzne (począwszy od popularnego 3DSMax, a skończywszy na specjalistycznym
CityEngine). Nie należy też wykluczać konieczności stworzenia własnego software’u.
5. ZAKOŃCZENIE
Zakres wykorzystania projektowanego laboratorium wydaje się nieograniczony. Z
jednej strony ma ono służyć szkoleniu programistów tego typu instalacji, z drugiej strony
może ono być używane w różnej działalności usługowej: ćwiczenie służb publicznych (np.
wirtualne pole walki, treningi dla straży pożarnej) w ramach zadań bezpieczeństwa
narodowego, szkolenie specjalistów przemysłowych (np. wirtualna inspekcja okrętów i
budowli), wizualizacja naukowa (np. wirtualna manipulacja złożonymi cząsteczkami
chemicznymi), wirtualna turystyka (zarówno w przestrzeni, jak i w czasie), wirtualne
muzea (zwiedzanie wirtualnych ekspozycji), wizytowanie projektowanych budynków,
urządzeń (np. prezentacja dla nabywcy projektu), edukacja (np. wędrówka w mikroświecie
lub kosmosie), terapia w leczeniu fobii (np. metoda wygaszania reakcji na bodźce poprzez
zanurzenie), rehabilitacja schorzeń ruchu i sport (np. analiza wysiłku podczas marszu) a
także rozrywka (np. trójwymiarowe instalacje artystyczne, gry komputerowe).
BIBLIOGRAFIA
[1] Kiran J. Fernandes, Vinesh Raja, and Julian Eyre: Cybersphere: The Fully Immersive Spherical
Projection System. W: Comm. of the ACM, September 2003/Vol. 46, No. 9, pp. 141-146.
[2] Virtusphere, Inc.: Virtusphere, http://www.virtusphere.com/.
[3] Lebiedź J.: Koncepcja Lab. Zanurzonej Wizualizacji Przestrz., Raport Bad. WETI PG Nr 7/2009.
[4] Sébastien "Cb" Kuntz: A VR Geek Blog. http://cb.nowan.net/blog/state-of-vr/state-of-vr-devices/.
[5] Virtual Space Devices Inc.: ODT – omni-directional treadmill. http://www.vsd.bz/present.htm.
[6] EU Project FP6-511092: CyberWalk. http://www.cyberwalk-project.org.
[7] VRlab. Tsukuba: CirculaFloor. http://intron.kz.tsukuba.ac.jp/CirculaFloor/CirculaFloor_j.htm.
[8] VRlab. Tsukuba: Powered Shoes. http://intron.kz.tsukuba.ac.jp/poweredshoes/powerdshoes.html.
[9] VRlab. Tsukuba: String Walker. http://intron.kz.tsukuba.ac.jp/stringwalker/stringwalker.html.
PROJECT OF LABORATORY OF IMMERSED 3D VISUALIZATION
Summary
In the paper is described an advanced concept for a virtual reality cave installation which would allow
for a human immersion in a spatially unlimited virtually generated world. The unit will simulate an
autonomous movement of a human inside a computer generated scenery. The person immersed in VR
space will be placed in a large diameter transparent sphere supported on rollers and equipped with a
motion tracking system. The walking motion of the person will inflict the revolution of the ball and
trigger changes in the computer generated images on screens surrounding the sphere thus creating the
illusion of motion. The projection system will be equipped with a 3D simulation capability.