wpływ pola widzenia na odbiór symulacji szkoleniowej w

MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
Dr hab. inż. Andrzej GRABOWSKI, profesor CIOP-PIB
Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy,
Pracownia Technik Rzeczywistości Wirtualnej
WPŁYW POLA WIDZENIA NA ODBIÓR SYMULACJI
SZKOLENIOWEJ W ŚRODOWISKU WIRTUALNYM
Streszczenie: Jednym z najważniejszych parametrów opisujących wysoce
immersyjne wirtualne środowiska szkoleniowe jest pole widzenia oferowane
przez okulary rzeczywistości wirtualnej. W pracy przedstawione są wyniki
badań dotyczące wpływu pola widzenia m.in. na ogólną ocenę symulacji
oraz zagregowane wskaźniki jakości symulacji. Badania przeprowadzono
w oparciu o aplikację szkoleniową dotyczącą wykonywania prac
strzałowych w podziemnej kopani węgla kamiennego i dwa rodzaje
okularów rzeczywistości wirtualnej, o wąskim (45°) oraz szerokim (110°)
polu widzenia.
THE INFLUENCE OF FIELD OF VIEW ON TRAINING IN VIRTUAL
ENVIRONMENT
Abstract: One of the most important parameters describing a highly
immersive virtual training environment is the field of view offered by head
mounted display. In the paper research results concerning the influence of
field of view on the overall assessment of simulation and aggregate
indicators of quality of the simulation are presented. The study was
conducted on the basis of virtual reality-based training application for
blasting works in underground coal mines and two head mounted displays,
with a narrow (45°) and wide (110°) field of view.
Słowa kluczowe: rzeczywistość wirtualna, aplikacje szkoleniowe, obecność
przestrzenna, realizm symulacji
Keywords: virtual reality, training application, spatial presence, immerse
simulations
1. WPROWADZENIE
Rzeczywistość wirtualna (VR – Virtual Reality) jest coraz częściej stosowana w celach
szkoleniowych. Za pomocą środowisk wirtualnych można z łatwością symulować dowolne
warunki, wspierając w ten sposób proces zapamiętywania informacji. Ponadto techniki VR są
niezwykle skuteczne w zakresie pozyskiwania i transferu wiedzy ukrytej (tacit knowledge),
czyli wiedzy wynikającej z doświadczenia [1, 2]. Wykorzystanie symulacji jest szczególnie
przydatne w przypadku wykonywania prac szczególnie niebezpiecznych i wymagających
dużego doświadczenia [3], z tego względu takie szkolenia stosuje się np. w medycynie (np.
w celu bezpiecznego przećwiczenia operacji chirurgicznych) [4], w zagadnieniach
dotyczących elektrowni nuklearnych lub górnictwa, zwłaszcza w odniesieniu do podziemnych
kopalń węgla kamiennego. Przegląd prac opisujących wykorzystanie technik VR o różnym
stopniu immersyjności przedstawiono w [5]. Rozważając proces szkolenia, ważne jest
195
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
zidentyfikowanie kluczowych czynników wpływających na skuteczność tego procesu, jak np.
stan poznawczo-afektywny osób uczących się [6] lub pole widzenia (FoV – Field of View)
[7]. Zastosowanie nowych, bardziej skutecznych technik szkoleniowych powinno być
wykorzystywane przede wszystkim w szkoleniu nowych, niedoświadczonych pracowników.
Dane statystyczne dotyczące wypadków przy pracy w polskich kopalniach węgla kamiennego
pokazują, że osoby młode, ze stażem pracy nie dłuższym niż trzy lata, powodują 18%
wszystkich wypadków przy pracy, stanowią zaś zaledwie 6% załogi [8].
W przypadku wysoce immersyjnych środowisk wirtualnych obraz wygenerowanego za
pomocą komputera świata przedstawiany jest najczęściej z wykorzystaniem okularów
rzeczywistości wirtualnej HMD (Head Mounted Display). Urządzenia te wyświetlają
poprawny obraz stereoskopowy niezależnie od położenia i orientacji głowy, co obecnie nie
jest możliwe z wykorzystaniem innych technik. Najważniejszym parametrem opisującym
tego typu urządzenia jest pole widzenia FoV. Szerokie pole widzenia sprzyja zapamiętywaniu
abstrakcyjnych informacji o położeniu obiektów (różnych brył geometrycznych) [7], brakuje
jednak doniesień, jak FoV wpływa na przebieg i odbiór symulacji szkoleniowej w środowisku
wirtualnym w oparciu o scenariusz szkoleniowy bazujący na rzeczywistych, a nie
abstrakcyjnych procedurach wykonywania zadań.
Interakcja z środowiskiem wirtualnym odbywa się z wykorzystaniem odpowiednich rękawic
rejestrujących ruch palców, dzięki czemu możliwe jest przedstawienie w rzeczywistości
wirtualnej awatara dłoni oraz manipulacja wirtualnymi przedmiotami (przyrządami,
dźwigniami, przyciskami itp.). W pewnych przypadkach korzystne jest stosowanie
rzeczywistych atrap wirtualnych obiektów w celu zaangażowania zmysłu dotyku [9].
Warto nadmienić, że techniki rzeczywistości wirtualnej stosowane są również często
w zakresie wspomagania rehabilitacji kończyn górnych [10], wspomagania projektowania
stanowisk pracy do potrzeb osób niepełnosprawnych [11], PB_SAMOCHODY [12] oraz
w zagadnieniach związanych z teleobecnością i teleoperacją, np. do zdalnego sterowania
mobilnymi robotami inspekcyjnymi [13].
2. APARATURA ZASTOSOWANA W BADANIACH
W badaniach wykorzystano dwa rodzaje okularów rzeczywistości wirtualnej HMD (Head
Mounted Display) o różnym polu widzenia FoV (Field of View):
 Sony HMZ-T1 wyświetlający obraz stereoskopowy w rozdzielczości 1280x720 punktów
oraz o polu widzenia równym 45 stopni;
 Oculus Rift wyświetlający obraz stereoskopowy, rozdzielczość ekranu to 1280 x 800
punktów, natomiast pole widzenia wynosiło 110 stopni.
Obraz do HMD przesyłany był drogą bezprzewodową, z tego względu osoby biorące udział
w symulacji nosiły na sobie pas z zamocowaną m.in. anteną i baterią (rys. 1). Do poprawnego
funkcjonowania symulacji w wysoce immersyjnym środowisku rzeczywistości wirtualnej
konieczne jest zastosowanie również odpowiednich rękawic oraz systemu śledzenia. Do
badań wykorzystano opracowany w CIOP-PIB hybrydowy system śledzenia. Składa się on z
dwunastu kamer rejestrujących obraz z częstotliwością 100 Hz, co pozwala na rejestrację
nawet szybkich ruchów śledzonych obiektów [14]. Każda z kamer wyposażona jest
w oświetlacz złożony z diod świecących w bliskiej podczerwieni oraz filtr typu IR-PASS
przepuszczający tylko promieniowanie podczerwone. Część wizyjna systemu śledzenia
odpowiedzialna jest za wyznaczanie w przestrzeni trójwymiarowej położenia znaczników
196
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
w postaci kulek dobrze odbijających promieniowanie podczerwone. W celu wyznaczenia
orientacji wybranego obiektu zastosowano układ elektroniczny typu AHRS składający się
z magnetometru, akcelerometru oraz żyroskopu elektronicznego. Układ ten przesyła do
jednostki centralnej dane z częstotliwością 250 Hz za pośrednictwem interfejsu Bluetooth.
Układ tego typu został zainstalowany na HMD oraz rękawicach.
Rys. 1. Schemat ukazujący sposób wykorzystania aparatury umożliwiającej stworzenie
stanowiska zanurzeniowej rzeczywistości wirtualnej. Na głównym zdjęciu widoczny jest
HMD (Head Mounted Display – okulary rzeczywistości wirtualnej) o polu widzenia
110 stopni (FOV 110), natomiast w lewym dolnym rogu przedstawiony jest HMD o polu
widzenia 45 stopni (FOV 45)
Opracowana w CIOP-PIB rękawica składa się z układu elektronicznego (zawierającego m.in.
moduł AHRS oraz moduł Bluetooth), baterii, znacznika systemu wizyjnego oraz trzech
sensorów ugięcia (na kciuku, palcu wskazującym i środkowym). Dane rejestrowane przez
rękawice są przesyłane drogą bezprzewodową.
Zastosowana aparatura pozwala na swobodne przemieszczanie się po środowisku wirtualnym
oraz łatwą i naturalną interakcję z elementami tego środowiska, tzn. że osoba zanurzona w
środowisku wirtualnym wykonuje dokładnie te same ruchy co w odpowiadającym mu
środowisku rzeczywistym.
3. WYNIKI BADAŃ PRZEPROWADZONYCH Z UDZIAŁEM OCHOTNIKÓW
Podstawową metodą oceny wirtualnego środowiska wzbogaconego o możliwość
zaangażowania zmysłu dotyku była metoda User Testing [15] polegająca na przeprowadzeniu
197
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
serii badań z udziałem ochotników, którzy nie są ekspertami w dziedzinie rzeczywistości
wirtualnej (efektywność tej metody jest znacznie wyższa niż wykorzystanie oceny ekspertów
[15]). Z tego względu w ramach drugiego etapu zadania badawczego przeprowadzone zostały
badania z udziałem 21 ochotników. Ponieważ czynności wykonywane w środowisku
wirtualnym dotyczyły prac strzałowych, czyli przygotowania przodka i detonacji ładunków
wybuchowych w podziemnej kopalni węgla kamiennego, ochotnikami byli pracownicy
mający doświadczenie w pracy na dole kopalni. Średni wiek osób biorących udział w badaniu
to 45,7 lat (SD = 6,7), natomiast średnie doświadczenie zawodowe w pracy w górnictwie
wyniosło 22,8 lat (SD = 5,8).
Ochotnicy zostali podzieleni na dwie grupy, pierwsza z nich (dziesięć osób) brała udział
w symulacji z wykorzystaniem HMD o wąskim polu widzenia (FOV 45), natomiast druga
grupa (pozostałe jedenaście osób) korzystała z HMD o szerokim polu widzenia (FOV 110).
Po zakończeniu badań w środowisku wirtualnym wszyscy ochotnicy wypełnili tę samą
ankietę w celu oceny jakości symulacji i przebiegu szkolenia. Wykorzystana ankieta
pozwoliła na ogólną ocenę symulacji szkoleniowej (rys. 2) oraz wyznaczenie zagregowanych
wskaźników jakości symulacji (rys. 3) ze szczególnym uwzględnieniem immersyjności
i obecności przestrzennej (rys. 4). Pytania, dla których wpływ pola widzenia HMD był
istotny, statystycznie zostały przedstawione w tabeli 1.
Uzyskane wyniki pokazują, że szersze pole widzenia najsilniej wpływa na subiektywnie
postrzegany realizm symulacji (rys. 2) oraz możliwości manipulowania wirtualnymi
przedmiotami (rys. 3). Możliwość obserwacji większego fragmentu wirtualnego środowiska
pozytywnie wpływa na orientację w przestrzeni symulacji i przemieszczanie się po tym
środowisku (rys. 3), czego należało się spodziewać. W tym przypadku różnice są
zdecydowanie mniejsze. Niewielkie różnice, na korzyść HMD o szerokim FoV,
zaobserwowano dla prawie wszystkich wskaźników opisujących jakość symulacji w zakresie
immersyjności i obecności przestrzennej (rys. 4). Wyjątek stanowi samopoczucie w trakcie
symulacji. Wynik ten powiązany jest z oceną czasu trwania symulacji, w przypadku FOV 110
ochotnicy uznawali, że symulacja jest za długa częściej niż w przypadku FOV 45 (rys. 2).
Związane jest to z tym, że wykorzystywany HMD o szerokim polu widzenia (Oculus Rift)
jest dostępny tylko w wersji deweloperskiej. Charakteryzuje się ona stosunkowo niską
jakością ekranu LCD (ma on zdecydowanie gorszą jakość niż wyświetlacze OLED stosowane
w HMZ-T1 produkcji Sony). HMD Oculus Rift ma zdecydowanie za niską rozdzielczość jak
na tak szerokie pole widzenia, co sprawia, że rozmiary kątowe poszczególnych pikseli są
kilkukrotnie większe niż w przypadku HMZ-T1. Sama niska rozdzielczość ekranu nie byłaby
istotnym problemem, niestety jest ona związana z niskim czasem reakcji oraz dużymi
przerwami pomiędzy pikselami. Te dwa parametry sprawiają, że podczas szybkich ruchów
głowy wyświetlany obraz wydaje się być rozmazany i jest w sposób widoczny opóźniony,
przez co informacje z narządu wzroku nie są zbieżne z informacjami pochodzącymi od
błędnika. Tego typu efekty mogą u niektórych osób prowadzić do pojawienia się objawów
tzw. choroby symulatorowej.
198
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
Rys. 2. Ocena ogólna symulacji szkoleniowej
Rys. 3. Zagregowane wskaźniki jakości symulacji
Rys. 4. Wskaźniki jakości symulacji − immersyjność (obecność przestrzenna)
Poniższa tabela zawiera wyniki testów statystycznych służących wyznaczeniu istotności
statystycznej dla różnicy wartości średnich uzyskiwanych dla poszczególnych pytań ankiety
wypełnianej po badaniu. Przedstawione zostały tylko te pytania, dla których wartość
istotności statystycznej jest odpowiednio mała, tzn. p < 0,05. W większości przypadków
wyniki uzyskiwane w grupie korzystającej z HMD o szerokim polu widzenia są
korzystniejsze (np. manipulowanie przedmiotami było łatwiejsze).
199
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
Tabela 1. Pytania, dla których odpowiedzi są statystycznie istotnie różne dla dwóch grup osób
badanych
PYTANIE
FOV 45 vs. FOV 110
wartość p
FOV
FOV
45
110
wartości średnie
Jako ogólnie ocenia Pan/i symulację szkoleniową?
Uchwycenie/podniesienie przedmiotów potrzebnych
do wykonania zadania było trudne.
0,03
4,4
Szybko wdrożyłem się w przedstawione środowisko. 0,01
5,4
Mogłem skoncentrować się na wykonywanym zadaniu
szkoleniowym, a nie na obsłudze aparatury
szkoleniowej.
0,02
5,0
Reakcja symulacji na moje czynności była
prawidłowa.
0,01
4,8
Moje doświadczenia z symulacji szkoleniowej
pokrywały się z doświadczeniami ze świata
rzeczywistego.
0,01
4,6
Chciałbym często używać tego środowiska
szkoleniowego.
0,001
5,0
Poszczególne części tego środowiska są funkcjonalne. 0,01
5,0
Zadanie szkoleniowe wykonywane w środowisku wirtualnym było według mnie:
łatwe − 1, wymagające − 7
0,02
3,3
krótkie − 1, długie − 7
0,001
5,1
3,0
6,2
6,3
5,9
5,7
6,3
6,2
5,1
3,9
4. WNIOSKI
Wyniki przeprowadzonych badań jednoznacznie wskazują, że pole widzenia okularów
rzeczywistości wirtualnej HMD jest istotnym parametrem wpływającym na jakość, przebieg
i odbiór symulacji szkoleniowej odbywającej się w środowisku wirtualnym. Należy
oczekiwać, że w momencie pojawienia się nowych modeli HMD z zastosowanym ekranem
o lepszych parametrach (przede wszystkim wyższa rozdzielczość, niższy czas reakcji matrycy
LCD, mniejsze przerwy pomiędzy poszczególnymi pikselami), wpływ wysokiego FoV będzie
jeszcze wyraźniejszy i zmniejszą się negatywne efekty korzystania z wersji deweloperskiej
HMD Oculus Rift zaobserwowane w trakcie badania.
Zastosowanie wysoce immersyjnych technik rzeczywistości wirtualnej do szkoleń umożliwi
nowym pracownikom uzyskanie wysokiego poziomu kompetencji jeszcze przed
rozpoczęciem pracy w rzeczywistych warunkach, co jest szczególne istotne ze względu na
fakt, że w 2012 roku ok. 20% wypadków w górnictwie dotyczyło młodych pracowników (staż
pracy krótszy niż jeden rok), a w przypadku pracowników ze stażem pracy 4-5 lat liczba
wypadków jest znacznie mniejsza i wynosi 12%. Ulepszony proces szkoleń pozwoli na
zwiększenie świadomości pracowników górnictwa w zakresie zagrożeń występujących w
kopalni. Zdobyta wiedza i poprawa umiejętności pracowników pozwoli na zmniejszenie
liczby wypadków śmiertelnych oraz osób rannych w wypadkach górniczych. Jest to
szczególnie ważne, gdyż warunki pracy w tym sektorze należą do najbardziej
niebezpiecznych, co wyraża się stosunkowo wysokimi wskaźnikami wypadków przy pracy
w porównaniu z innymi sektorami przemysłu lub usług.
200
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
***
Publikacja opracowana na podstawie wyników II etapu programu wieloletniego pt. Poprawa
bezpieczeństwa i warunków pracy w latach 2011-2013 dofinansowywanego w zakresie badań
naukowych i prac rozwojowych ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
Koordynator programu: Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy.
LITERATURA
[1] Podgórski D.: The use of tacit knowledge in occupational safety and health management
systems, JOSE 16 (2010).
[2] Winkler T. et all Knowledge management in the process of safety formation in
underground mining transport, zbiór referatów 33rd Conference of Safety in Mines
Research Institutes, GIG 2009.
[3] Jankowski J., Grabowski A., Projektowanie wirtualnych środowisk w celu szkolenia
pracowników w zakresie prac szczególnie niebezpiecznych, „Mechanik”, 07/2012, 281287 (2012).
[4] Gallagher A., Cates C.: Virtual reality training for the operating room and cardiac
catheterisation laboratory, “The Lancet” 364, 1538-1540 (2004).
[5] Tichon J., Burgess-Limerick R.: A review of virtual reality as a medium for safety related
training in mining, “Journal of Health and Safety, Research and Practice” 3, 33-40
(2011).
[6] Bakera R., D’Mello S., Rodrigo M., Graesser A.: Better to be frustrated than bored: The
incidence, persistence, and impact of learners’ cognitive–affective states during
interactions with three different computer-based learning environments, Int. J. HumanComputer Studies 68, 223-241 (2010).
[7] Ragan E., Sowndararajan A., Kopper R., Bowman D.: The Effects of Higher Levels of
Immersion on Procedure Memorization Performance and Implications for Educational
Virtual Environments, “Presence” 19, 527-543 (2010).
[8] Pakura A.: Wpływ przygotowania zawodowego na bezpieczeństwo pracowników o stażu
pracy poniżej trzech lat, „Wybrane Problemy Inżynierskie” 2, 299-304, (2011).
[9] Grabowski A.: Zwiększenie realizmu symulacji w środowisku wirtualnym dzięki
wykorzystaniu zmysłu dotyku, „Mechanik”, 07/2012, 251-258 (2012).
[10] Budziszewski P.: Wykorzystanie rzeczywistości wirtualnej do rehabilitacji kończyn
górnych, „Mechanik” 07/2011, s. 65-72.
[11] Budziszewski P., Grabowski A., Milanowicz M., Jankowski J., and Dźwiarek M.:
Designing a workplace for workers with motion disability with computer simulation and
virtual reality techniques, Int J Disabil Hum Dev 10(4) (2011), http://www.referenceglobal.com/doi/abs/10.1515/IJDHD.2011.054.
[12] Budziszewski P., Kędzior K.: Reakcja kierowcy w chwili poprzedzającej wypadek –
badania z wykorzystaniem symulatora jazdy samochodem, „Mechanik” [CD-ROM]
2013;7:273-280.
201
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
[13] Jankowski J.: Stanowisko do badań nad możliwością wykorzystania technik
rzeczywistości wirtualnej do teleoperacji robota mobilnego, „Mechanik” [CD-ROM]
2012;7:273-280.
[14] Grabowski A., Jankowski J., Dźwiarek M., Kosiński R.: Stereovision Safety System for
Identifying Workers’ Presence: Results of Tests, “International Journal of Occupational
Safety and Ergonomics” 20, 3-9 (2014).
[15] Bach C., Scapin D.: Comparing Inspections and User Testing for the Evaluation of
Virtual Environments, “Intl. Journal of Human–Computer Interaction”, 26(8), 786-824
(2010).
202