O estado da #RealidadeVirtual: por que o equipamento é mais importante que a publicidade
Lembra do início dos anos 1990? Ao fazer isso, você provavelmente pensa em fones de ouvido e luvas elétricas volumosas. Revistas, lojas de brinquedos e filmes vendem versões de alta tecnologia, mas desajeitadas, de realidade virtual (VR). É uma fantasia de um futuro que parece distante.
Agora o entusiasmo inicial diminuiu. Outras áreas da tecnologia também estão progredindo. Os dispositivos VR são bastante semelhantes. Mas não se deixe enganar. O campo está se movendo. Simplesmente não se move rapidamente. O progresso geralmente vem de fora. Projetos militares levaram a alguns dos progressos. O entretenimento pode motivar outras pessoas. É improvável que os investidores invistam em realidade virtual, a menos que esta atenda primeiro a outro setor.
O que exatamente a VR precisa para funcionar? Depende de como você define “realidade virtual”. Se você não tiver certeza sobre essa definição, um computador padrão com monitor e mouse também conta. A maioria dos pesquisadores discorda. A verdadeira VR requer imersão. Telas planas podem distrair. Isso quebra a ilusão. Portanto o sistema precisa de uma tela melhor. Também requer um alimentador. Teclado e mouse são comuns. Joysticks são frequentemente vistos. Joysticks se tornaram o padrão de interação.
Este artigo descreve detalhadamente os dispositivos VR. Vejamos os tipos. Vamos comparar os prós e os contras. Vamos começar com o hardware mais óbvio.
Vitrine montada na cabeça
Head-mounted display (HMD) é um representante da VR. Eles colocaram a tela diretamente na frente deles. Isso impede o mundo real. Isso força as pessoas a se concentrarem. Isso cria uma sensação de presença. Mas eles não são perfeitos. Vamos ver por que eles são importantes e onde estão faltando.
Um head-mounted display (HMD) é exatamente o que o nome sugere. Tenho uma tela de computador colada ao meu rosto. Localizado dentro do capacete ou óculos de proteção. O objetivo é simples. Não importa para onde você vire a cabeça, a tela permanece na sua linha de visão.
A maioria das unidades compartilha visões. Uma tela para cada olho. Essa separação cria a ilusão de profundidade. Isso engana o cérebro fazendo-o pensar que as imagens têm dimensões.
Batalha entre LCD e CRT
A tela dentro desses fones de ouvido geralmente é uma tela de cristal líquido (LCD). Você pode encontrar modelos mais antigos que usam tecnologia de tubo de raios catódicos (CRT). A indústria mudou com os LCDs vencendo em quase todas as métricas. É leve. Ocupa menos espaço. Também consome menos energia. Os custos de fabricação são mais baixos.
O CRT possui duas cartas que podem ser jogadas. Resolução melhorada. Maior brilho. é isso.
Mas a física do CRT não funciona bem com o cérebro humano. É grande. É muito pesado. Se estiver tentando usar um HMD CRT, você precisará de uma suspensão para evitar quebrar o pescoço. O dispositivo restringe o movimento. Restringir os movimentos quebra a imersão. Você perde a sensação de estar no mundo e começa a sentir que tem um tijolo com você.
Tecnologia de exibição difusa
Alguns engenheiros experimentaram outros tipos de display. Eles são raros por um bom motivo. A lista inclui:
- Display de eletroluminescência
- Display eletroforético (EP)
- display de fibra óptica
- Exibição de emissão de campo (FED)
- Visor de diodo emissor de luz (LED)
- tela de plasma
- Visor fluorescente a vácuo (VFD)
- Tela de retina virtual (VRD)
Por que eles não acompanham? A maioria das pessoas sofre de baixa resolução. Muitas vezes o brilho não é suficiente. Alguns só podem renderizar imagens monocromáticas. Usar apenas um LED vermelho não proporciona uma experiência completa e de alta qualidade.
Algum plasma ou VRD poderiam teoricamente funcionar. No entanto, os custos são proibitivos. Quando um LCD faz 95% do trabalho por uma fração do custo, não vale o preço.
Fixação e histerese
Um bom fone de ouvido também suporta som. Alto-falantes ou fones de ouvido integrados. Vídeo e áudio devem estar sincronizados.
Aqui está a dura verdade sobre os sistemas sem fio. O tempo de resposta não é suficiente. Quando o sinal está atrasado, o cérebro percebe isso. Pode causar náusea. Isso quebra a ilusão. Como resultado, os head-mounted displays complexos permanecem conectados. Conecte o fone de ouvido ao processador com um ou mais cabos. Isso é muito chato. Existem limitações. No entanto, a latência é eliminada.
O acompanhamento não é negociável. O dispositivo precisa saber para onde a cabeça está apontando. Se você olhar para a esquerda, a tela muda imediatamente. Dispositivos de rastreamento tornam isso possível. Falaremos mais sobre como esses sensores funcionam mais tarde.
Caverna e Show Final
Algumas configurações são completamente independentes dos fones de ouvido. Utiliza óculos especiais combinados com um projetor externo. Isso leva ao próximo conceito.
Em 1965, Ivan Sutherland descreveu algo chamado “Manifestação Suprema”. ele é um cientista. Muitos o consideram o pai da realidade virtual.
Ele imaginou o quarto. Os computadores podem controlar o que está dentro deles. Os objetos virtuais são fisicamente visíveis para todos na sala. Os escritores de Star Trek: The Next Generation roubaram essa ideia. Eles chamam isso de holodeck.
Ainda não chegamos lá. A ficção científica ainda é a coisa mais próxima disso.
Realidade virtual e cavernas
A Universidade de Illinois em Chicago não construiu apenas outra sala de RV. Eles descobriram o que os especialistas consideram o padrão ouro da imersão. Isso é chamado de sistema CAVE. O nome vem das palavras Cave Automatic Virtual Environment e, embora pareça algo saído da ficção científica, é baseado em física óptica rígida.
A maioria dos monitores VR usa head-mounted displays (HMDs). Anexe a caixa ao seu rosto. O campo de visão é limitado. Você não pode se mover sem tropeçar na corda. A CAVE inverte esse script.
O poder das paredes de projeção
Uma caverna é basicamente uma pequena sala. Ou uma grande sala privada. Pelo menos três paredes funcionam como telas gigantes. Em alguns casos, às vezes o piso e o teto, mas isso é menos comum. O resultado é um amplo campo de visão que não pode ser replicado com um HMD. Você não está preso a um PC. Você pode caminhar.
Mas você não consegue ver claramente sem ajuda. Devem ser usados óculos com obturador ativo. Parecem óculos 3D desajeitados do final dos anos 90. Dentro da lente há um obturador que abre e fecha rapidamente. O computador projeta uma imagem estéreo na projeção traseira. O padrão muda tão rapidamente que o cérebro não o compreende. O Goggles irá sincronizar com este modo. O olho esquerdo vê um quadro. O olho direito vê o próximo. Seu cérebro os conecta. A profundidade será exibida.
Caminhe sem restrições
O dispositivo de rastreamento nos seus óculos informa ao computador onde você está. Conforme você se move, a projeção se ajusta em tempo real. Você carrega uma varinha. Você pode usá-lo para recuperar objetos virtuais e navegar em menus. Parece natural.
Há um problema para grupos. Várias pessoas podem ficar na caverna. No entanto, apenas a pessoa que usa os óculos de rastreamento pode controlar o ângulo de visão. E os outros? Eles são observadores passivos. Eles estão olhando para a mesma imagem, mas não conseguem mudar sua perspectiva. Esta é uma limitação de hardware, não intencional.
Caminhada de redirecionamento
A caverna ainda é um espaço fechado. A maioria tem 3 metros quadrados ou menos. Esta é uma limitação. Pesquisadores da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill descobriram uma maneira de enganar a física. Eles desenvolveram uma caminhada redirecionada.
O objetivo é simples. Ele faz o usuário pensar que está andando em linha reta, quando na realidade está andando em uma sala pequena. O sistema gira… imperceptivelmente o ambiente virtual. Você se sente desequilibrado. Corrija-o fazendo pequenas alterações no caminho. O sistema aplica essa correção. Transforme sua caminhada reta em um loop.
Acredite que você está explorando uma vasta paisagem. Na realidade, você está andando dentro de uma caixa de 3 metros. A ilusão se mantém. O espaço é ampliado artificialmente. A imersão continua a mesma.
Bancada de Realidade Virtual
A tela da bancada tem um lugar estranho na história da RV. Alguns pesquisadores acreditam que simplesmente não se relaciona com o ambiente virtual real. Isto não é uma caverna. Não é um fone de ouvido. Isso é algo completamente diferente.
No início da década de 1990, Larry Rosenbaum liderou uma equipe no Office of Naval Research. Eles construíram um grande monitor. Serve como espaço de trabalho. Os usuários podem visualizar verticalmente. Também pode ser inclinado horizontalmente para funcionar como mesa ou banco. Esta configuração permite que várias pessoas visualizem a mesma tela ao mesmo tempo.
Por que o Workbench não é um ambiente virtual real
A imersão é uma discussão importante aqui. A utilização de vidros especiais na frente da tela não garante uma vedação perfeita. A tela não preenche seu campo de visão. Você ainda está ciente do espaço físico ao seu redor. Graças às projeções estereoscópicas e às lentes do obturador, os objetos virtuais podem ser vistos em três dimensões. Mas quando você tira os olhos do banco, você vê o mundo real. Não há ambiente para explorar. Você está interagindo com um objeto digital sobreposto à realidade.
“Não há ambiente virtual para explorar. Quando o usuário desvia o olhar da tela, vê uma sala física normal.”
Para alguns, a falta de imersão total é um erro. Para outros, é um recurso.
Treinamento médico e estratégia militar
A praticidade do display da bancada brilha através da cooperação. Considere o treinamento médico. Os cirurgiões podem praticar operações em pacientes virtuais 3D. Eles estão cercados por uma equipe médica de verdade. Ao usar o HMD padrão, a equipe se torna um personagem gerado por computador ou um avatar digital. O Workbench torna a interação com os colegas natural. É completamente real.
Os táticos militares também se beneficiam. Os programadores criam representações realistas do campo de batalha em 3D. O pessoal obtém uma visão precisa da situação da batalha. Um bom modelo pode revelar possíveis gargalos. Mostra acampamentos inimigos ocultos.
Esses usos vão além da guerra e da medicina. Essas exibições podem ser vistas em visualizações de pesquisas científicas. Eles também são visíveis no desenvolvimento de produtos. Eles formam uma ponte entre os dados e a intuição humana.
Controlador Wii: interface de gestos barata
A história passa da observação passiva ao controle ativo. Vá para a próxima seção sobre dispositivos interativos. Especificamente, o Wii da Nintendo.
O controlador de varinha sem fio oferece uma lição para engenheiros de VR. Tem um preço razoável. É fácil de usar. Este dispositivo contém giroscópios e acelerômetros. Esses sensores detectam movimento. Eles detectam inclinação e rotação.
Comparado ao hardware de interface VR dedicado, o Wii Remote é barato. Alguns pesquisadores estão atualmente aplicando isso a sistemas VR. Alguns vêem isso como o primeiro passo na tendência. Esta tendência aponta para o desenvolvimento de interfaces de usuário de baixo custo.
Roupa de realidade virtual
As conversas passam para o próximo nível de imersão. Nós olhamos para os monitores. Já falamos sobre controladores. O próximo passo lógico é o que você veste fora dos olhos e das mãos. A conversa voltou-se para roupas de realidade virtual.
Busque a sensação fácil e envolvente da VR
Os gráficos recebem todo o crédito. Por ser fácil de medir, buscamos taxas de quadros mais altas e texturas realistas. Mas os pesquisadores sabem que o verdadeiro gargalo não é o que vemos. É assim que você toca.
Os controles básicos quebram a imersão. Parece que o teclado está atrapalhando. O joystick atua como intermediário. Você nunca está realmente “neste mundo”. Sente-se na cadeira e pressione o plástico. É ideal? Não há nenhum dispositivo. Quero esquecer que estou usando alguma coisa.
O progresso aqui é lento.
Por que? Porque não há muita pressão das grandes empresas de tecnologia. O dinheiro flui para o mecanismo gráfico. As interfaces homem-máquina (HMI) não são urgentes para a empresa. Este não é um campo de batalha de gigantes. É uma colcha de retalhos de estúdios de entretenimento, instituições de pesquisa acadêmica e pequenas empresas de VR competindo por tração.
Mas algo está começando a surgir.
O desenvolvimento mais promissor são os dispositivos vestíveis. Não são fones de ouvido. luvas. traje corporal.
DataGloves: Padrão de fibra óptica
As luvas fazem parte das conversas sobre VR desde o primeiro dia. Não por design. São achados acidentais. Os primeiros criadores não os projetaram. Mas eles funcionaram.
As pessoas ainda usam comumente os termos “DataGlove” ou “Power Glove”. Isso está errado. Estas são marcas específicas. Estes não são sinônimos de “rastreador de mão VR”.
Cada luva tem um propósito. Interaja com objetos digitais usando gestos naturais. Os métodos são diferentes.
Considere uma abordagem de fibra óptica.
A luz é transmitida do transmissor para o sensor através de um cabo. Flexione os dedos. O cabo está dobrado. O fluxo de luz muda. Quando você fecha o punho, menos luz atinge o sensor. A CPU lê isso. Converte a perda de luz em movimento virtual.
Estes são precisos. A DataGlove oficial utiliza esta tecnologia.
Mas há um problema. calibração.
Cada mão é diferente. comprimento do dedo. Flexibilidade. Tensão da pele. As luvas devem ser ajustadas de acordo com cada usuário. Sem ele, os dados são lixo. Este é o ponto crítico. Barreiras à entrada.
Tinta condutora: uma opção mais barata
Nem todo mundo quer calibrar um sistema de fibra óptica. Alguns querem quantidade. Algumas pessoas procuram acessibilidade.
Adicione tinta condutora.
Estas luvas utilizam uma tira de material flexível revestida com um material condutor. Flexione os dedos. A fita estica. mudanças de resistência. A CPU lê a mudança na resistência. Atualize a posição da mão virtual.
Torne isso mais simples.
Também não é muito preciso.
A nuance está perdida. Um leve aperto pode ser visto como um punho cerrado. Ou vice-versa. No entanto, a diferença de custo é enorme.
Luvas de fibra óptica são dispositivos caros. Luvas condutoras são semelhantes aos produtos eletrônicos de consumo.
O que é mais importante: precisão ou acessibilidade?
A indústria está dividida. A simulação de última geração requer precisão. A adoção no mercado de massa tem seu preço.
Estamos presos no meio. As luvas que você usa são muito complicadas ou muito estúpidas.
Até que o hardware desapareça completamente.
Os macacões. Mas diferente camada de pele. e vários comentários.
Agora nossas mãos estão envoltas em linha e tinta. Tente sentir o digital.
Se você precisa de precisão, o mestre da mão hábil. Esses dispositivos utilizam sensores em cada articulação do dedo. Está conectado à pele por uma conexão mecânica. O resultado é um ajuste estilo exoesqueleto. O rastreamento é muito mais preciso do que luvas de fibra óptica. Ele também supera os sensores de materiais condutores. Mas também existem compromissos. Esses dispositivos são pesados. Eles são desajeitados de usar. Você sacrifica seu conforto pelos dados.
O legado inesperado da Power Glove
A Power Glove foi criada por um criador terceirizado para o Nintendo Entertainment System. Este é um brinquedo de consumo. Pesquisadores de VR veem potencial no hardware. Eles perceberam que poderiam reutilizar a tecnologia. Não tem a versatilidade da DataGlove. No entanto, os custos são muito mais baixos. O dispositivo possui uma placa de controle no antebraço. Este método de entrada adicionado provou ser útil. Desde então, muitas outras técnicas foram introduzidas pelos projetistas de sistemas.
Por que esse hardware é importante hoje
Você deve estar se perguntando por que os dispositivos de entrada antigos são relevantes agora. Eles formam a base para o rastreamento de movimento. A transição de almofadas condutoras para sensores articulares está mudando a forma como interagimos com o espaço virtual. Os controladores modernos ainda dependem desses princípios iniciais. O design do exoesqueleto influenciou posteriormente os sistemas de feedback tátil.
Comparar métodos de entrada
Quais luvas você deve escolher?
–Mestres de Mãos Destros : Excelente precisão. Devido ao peso, não é adequado para sessões longas.
– Luvas Condutivas : baratas. Não é muito preciso. A instalação agora é mais fácil.
– Luva de fibra óptica : Precisão média. A fiação é volumosa.
Adaptações Power Glove : Acessível. Bom para reconhecer gestos básicos.
Os designers de VR continuam a iterar nesses conceitos. O objetivo continua o mesmo. Capture o movimento humano sem sacrificar a imersão.
“Esta luva não é tão versátil quanto a DataGlove, mas é muito mais barata e vem com trackpad no antebraço.”
Aqui está uma olhada em outros dispositivos de entrada de VR que seguiram esses esforços iniciais.
Se você quiser se movimentar em VR, ignore o CAVE e o caro DataSuit. Não há necessidade de joystick ou stick. Os pesquisadores acreditam que o movimento natural pode melhorar a imersão. Os engenheiros construíram vários sistemas para atingir esse objetivo.
Esteira e treino de corpo inteiro
Uma esteira permite que você se sinta como se estivesse andando em um ambiente virtual enquanto permanece parado no mundo real. Conectar a esteira ao computador é fácil. As etapas ajustam o gráfico. Há um problema. Em uma esteira normal, você só pode avançar ou retroceder.
Várias empresas fabricam esteiras omnidirecionais. Eles permitem que você se mova em qualquer direção. Uma esteira padrão usa um motor. Empurre para frente ou para trás. Os modelos omnidirecionais possuem dois motores. Pode ser empurrado em quatro direções: para frente, para trás, para a esquerda e para a direita. Ambos os motores funcionam juntos. Você anda sobre uma superfície enrolada em cintos e cabos.
Almofada de pressão e sistema de bola
Uma almofada de pressão também é uma opção. Você deve conhecê-los de “Dance Dance Revolution”. A maioria usa sensores de pressão eletromecânicos. Esses relés são ativados quando pressurizados. O circuito está fechado. A corrente elétrica flui. A CPU altera os gráficos.
VirtuSphere, Inc. oferece uma abordagem diferente. Parece uma bola de hamster de tamanho humano. Você entra e anda. A bola é colocada sobre uma base estável com rodas. As rodas pressionam a esfera. Dessa forma, você pode rolar em qualquer direção enquanto permanece imóvel. Os sensores nas rodas informam à CPU em que direção você está andando. A visualização do fone de ouvido muda de acordo.
Háptica passiva imersiva
Os pesquisadores do CAVE estão testando o toque passivo. Háptico refere-se à sensação do tato. Os sistemas hápticos fornecem feedback físico. Um joystick de feedback de força é um exemplo ativo. O toque passivo não aplica força. Use objetos reais para representar elementos virtuais. Uma verdadeira mesa dobrável funciona como um balcão de cozinha virtual. Tocar a coisa real aumenta a sensação de imersão. Ajuda a navegar na simulação.
Na próxima seção apresentamos os sistemas de rastreamento HMD e DataGloves. Primeiro olhe para o andador de cordas.
Dispositivo String Walker
StringWalker foi desenvolvido por uma empresa japonesa. É uma esteira multidirecional exclusiva. O dispositivo tem formato de anel. Oito fios cruzam o diâmetro. Você anda nas cordas. Esta conferência se concentra em computação gráfica e dispositivos interativos.
Sistema de rastreamento de realidade virtual
Dispositivos de rastreamento são a espinha dorsal de qualquer sistema de VR em funcionamento. Eles não ficam apenas sentados lá. Eles se comunicam com a unidade de processamento e informam exatamente onde sua cabeça está no espaço. Se você puder andar pela sala em VR, o rastreador saberá sua localização, direção e velocidade. Sem eles, a ilusão desmorona rapidamente.
A maioria dos sistemas concentra-se em um padrão: seis graus de liberdade (6-DOF). Este é o Santo Graal da imersão. Rastreie a posição nos eixos X, Y e Z. Ele também rastreia a direção, dividida em guinada, inclinação e rotação.
Do seu ponto de vista, isso significa que o mundo virtual se move com você. olhar para cima? A visão muda para baixo. Você inclina a cabeça? O horizonte se inclina. Seguir em frente sem olhar para cima? Você se aproxima dos objetos virtuais. O sensor do fone de ouvido informa à CPU onde você está. A CPU renderizará a imagem correta. A tela será atualizada. Acontece tão rápido que você nem percebe a lacuna.
Como o sistema de sinalização se comunica
Cada configuração de rastreamento compartilha três componentes. Um transmissor gera um sinal. O sensor reconhece isso. A unidade de controle processa dados para a CPU. Os arranjos variam.
Às vezes você usa os sensores. O transmissor é fixado em ambientes internos. Outras vezes, você usa os emissores. Sensores instalados nas paredes e no teto registram seus movimentos. O hardware vira. A lógica permanece.
Os próprios sinais são muito diferentes. Estão disponíveis opções eletromagnéticas, acústicas, ópticas e mecânicas. Cada um tem vantagens e desvantagens.
Sistema de rastreamento eletromagnético
Esses sistemas medem campos magnéticos. Funciona direcionando a corrente elétrica através de três bobinas dispostas perpendicularmente. Cada bobina se torna um eletroímã. Os sensores medem como esses campos interagem. Esta interação revela a orientação e orientação do emissor.
“Um bom sistema de rastreamento eletromagnético é muito sensível e tem baixa latência.”
A baixa latência é uma grande vantagem. A desvantagem? Qualquer coisa que gere um campo magnético pode interferir no sinal. Mesas metálicas. Outros eletrônicos. Até a estrutura do edifício pode distorcer os dados.
Sistema de rastreamento acústico
Rastreadores acústicos usam ultrassom. a posição e a orientação são determinadas medindo o tempo que as ondas sonoras levam para atingir o sensor. O sensor geralmente é deixado no lugar. Você usa os emissores.
O cálculo é fácil. Distância é velocidade x tempo. Mas o som é muito lento. As atualizações ficam aquém do movimento real. Isso não é adequado para VR em ritmo acelerado.
O ambiente também mata o rastreamento acústico. Mudanças na temperatura. umidade. Pressão do ar. Tudo isso altera a velocidade com que o som viaja pelo ar. Se seus dados forem inconsistentes, seu rastreamento será instável e não confiável.
Dispositivo de rastreamento óptico
Os sistemas ópticos usam luz. Normalmente, um LED infravermelho é usado como emissor. A câmera funciona como um sensor. Os LEDs piscam em sequência. A câmera registra padrões de luz. A unidade de processamento infere a localização e a direção desses pulsos.
O rastreamento óptico apresenta uma taxa de upload rápida. Os atrasos são mínimos. Por esse motivo, a maioria dos VRs modernos de última geração usam métodos optomecânicos ópticos ou híbridos.
Mas a linha de visão é uma vulnerabilidade. Cubra a câmera com a mão. Coloque uma planta na frente do sensor. Quebras de rastreamento. A luz ambiente e outras fontes infravermelhas também podem prejudicar o sinal. Um ambiente controlado é necessário para obter melhores resultados.
Sistemas de Rastreamento Mecânico
O rastreamento mecânico é um método antiquado. Ele usa uma conexão física. O alvo está amarrado a um ponto fixo.
Pense em um display BOOM. Este é um head-mounted display conectado a um braço robótico com dois pontos de articulação. O braço detecta a posição e a orientação diretamente. Não há sinais sem fio para decodificar. Nenhuma onda sonora no tempo. Nenhuma luz para rastrear.
A taxa de atualização é incrivelmente alta. É preciso. No entanto, limita sua amplitude de movimento. Você está fisicamente ligado à configuração. Você não pode atravessar a sala. Você é uma ilha de aço e dobradiças.
A realidade virtual moderna foi muito além das experiências em nível de sala com sistemas puramente mecânicos. Mas o princípio permanece o mesmo. As restrições físicas garantem a precisão, mas à custa da liberdade.
Estamos caminhando em direção à liberdade sem fio em escala de sala. Mas a compensação permanece. Velocidade versus precisão. Liberdade versus precisão. Conveniência sem fio versus interferência.
As páginas seguintes discutem os dispositivos específicos que habilitam esses sistemas. Até então, pense no que você está disposto a sacrificar pela imersão.
