Hogyan biztosítható a megfelelő képkocka sebesség és a részletesség egy VR környezetben?

A modern VR technológiák alkalmazása során a látvány minősége és a rendszer teljesítménye közötti egyensúly megtartása kulcsfontosságú. A részletgazdag megjelenítés biztosítása mellett ugyanis az optimális frissítési sebesség fenntartása is elengedhetetlen, különösen, ha a felhasználó szemmozgásait követjük, és adaptív szintű részletességet alkalmazunk. Az LOD (Level of Detail) kezelési módszerek, mint az adaptív LOD, olyan technológiák, amelyek segítenek a virtuális környezetek számítási igényének csökkentésében, miközben biztosítják a kívánt felbontást.

Például egy nagy épület belépője a legnagyobb felbontásban jelenhet meg, míg a környező területek, mint az épület szárnyai, már közepes felbontásban, a távolabbi fák pedig alacsonyabb felbontásban. Ez a különböző szintek a látványélményben egyfajta homályos, "elmosódott" hatást kelthetnek, ami az objektumok szintjén észlelhető. Ha a felhasználó hirtelen a hang irányába fordítja a tekintetét, mondjuk egy fán éneklő madárra, a Quest 2 esetén a madár nehezen észlelhető, mivel a felbontás a foveált renderelés miatt alacsony. A fej mozdulata nélküli tekintetváltás nem vezet az adott jelenet frissítéséhez, tehát a virtuális környezet nem reagál az ilyen típusú interakcióra.

A ray tracing, vagyis a sugárkövetés, egyre nagyobb szerepet kap a grafikus renderelési eljárások között. Ez a technika a fények és árnyékok valósághű ábrázolását célozza, de rendkívül számításigényes, így a hagyományos rendszerek esetében nem biztosítható magas frissítési sebesség. A kutatók, például a Sogang Egyetemen, olyan technikákat dolgoztak ki, amelyek lehetővé teszik a ray tracing alkalmazását közönséges hardvereken is, optimalizálva a számításokat a foveált zónákra. Az ilyen megoldások különösen a középponti, szemfókuszált területek részletességét javítják, míg a perifériás látás területei alacsonyabb mintavételi pontokkal jelennek meg.

A VR rendszerek esetében, amikor a jelenet összetettsége jelentősen változhat a felhasználó által vezérelt virtuális kamera pozíciója alapján, az adaptív LOD kezelési algoritmusok kulcsfontosságúak a folyamatosság biztosításában. Ezek az algoritmusok nemcsak a modellek részletességét, hanem az egyes objektumok rendereléséhez szükséges időt is figyelembe veszik, hogy biztosítani tudják a kívánt képkocka sebességet. Egy ilyen megoldás során az objektumokat egy értékelési és költség-haszon arány alapján renderelik, prioritást adva azoknak az elemeknek, amelyek a legnagyobb hatást gyakorolják a látványra.

A foveált renderelés és az adaptív LOD menedzsment továbbra is kulcsszerepet játszik a VR rendszerek jövőjében, ahol a felhasználói élmény, az interaktivitás és a vizuális realizmus folyamatosan fejlődik. A különböző szintű részletesség és a dinamikusan változó renderelési technikák révén elérhetjük a valósághű, ám mégis technológiai korlátokkal rendelkező virtuális világokat, amelyek valós időben reagálnak a felhasználói interakciókra.

Mi a virtuális környezetek és a haptikus interakciók jövője a fejlesztési eszközök tükrében?

A virtuális valóság (VR) és a virtuális környezetek fejlesztése az elmúlt évtizedekben egyre fontosabbá vált, ahogy a digitális technológia fejlődése új lehetőségeket nyújtott a különböző alkalmazások, szimulációk és játékok számára. A virtuális környezetek alkalmazásai egyre komplexebbé váltak, és a különböző fejlesztési eszközök lehetővé tették a dinamikus, interaktív virtuális világok kialakítását. Az ilyen típusú fejlesztések során a látás és a hallás mellett az érintés érzékelését is biztosítani kell, ezért a haptikus technológiák integrálása kulcsfontosságú szerepet kapott.

A haptikus visszajelzésekkel rendelkező rendszerek egyre elterjedtebbek, és olyan alkalmazásokban is használatosak, mint a szimulátorok, a virtuális játékok, valamint az orvosi és ipari szimulációk. A haptikus érzékelők és visszajelzések képesek növelni a felhasználói élményt, miközben javítják a felhasználó és a virtuális környezet közötti interakciót. Az OpenHaptics Toolkit, amely a 3D navigáció és haptikus érzékelés hozzáadását célozza grafikákhoz és alkalmazásokhoz, egyike azoknak az eszközöknek, amelyek lehetővé teszik a virtuális környezetek új típusú interakcióit. Az ilyen fejlesztési eszközök egyre inkább a mesterséges intelligenciával (AI) és a gépi tanulással (ML) való integrációt célozzák, hogy a virtuális világok még inkább személyre szabott élményeket nyújtsanak.

A legújabb fejlesztési platformok, mint a Unity és Unreal Engine, amelyek szintén erőteljes eszközöket kínálnak a VR környezetek és haptikus interakciók terén, tovább növelik a lehetőségek tárházát. Az Unity VR Template Quick Start Guide például egy átfogó útmutatót ad a VR projektek gyors elindításához, miközben lehetővé teszi a haptikus visszajelzések integrálását a felhasználói élménybe. Az OpenSceneGraph és a Vizard munkakörnyezetek szintén széleskörű lehetőségeket kínálnak a 3D-s grafikai alkalmazások és a szimulációk számára, különös figyelmet fordítva a felhasználói interakciók finomhangolására.

A virtuális környezetek növekvő népszerűsége és a hozzájuk kapcsolódó eszközök folyamatos fejlődése lehetővé tette, hogy a VR szimulációk és a haptikus interakciók ne csak szórakoztató eszközként, hanem fontos ipari és orvosi alkalmazásokban is megjelenjenek. A játékfejlesztés példáján keresztül is jól látható, hogy a fejlesztők az ilyen típusú eszközökkel képesek megteremteni olyan dinamikus és valósághű virtuális világokat, amelyek nem csupán látványra, hanem érzékelésre is alapozva kínálnak új élményeket.

Az OpenSimulator és hasonló platformok, amelyek az OpenGL és más grafikai eszközöket használják, az egyik legfontosabb szereplővé váltak a virtuális valóság fejlesztésében, és számos területen alkalmazhatók, a játékfejlesztéstől kezdve a szimulációkig, az oktatásig, a gyártásig és a művészetekig. Mindezek az alkalmazások és eszközök széleskörű fejlődése hozzájárult ahhoz, hogy a virtuális valóságok ne csupán szórakoztató platformok, hanem komoly tudományos és ipari fejlesztések motorjai is legyenek.

Milyen hatásokkal járhatnak a virtuális környezetek a felhasználók számára?

A virtuális környezetek (VE) különböző hatásokkal lehetnek a felhasználók számára, amelyek közvetlen és közvetett formákban jelentkezhetnek. A közvetlen hatások a felhasználó érzékszervi rendszereit érinthetik, míg a közvetett hatások inkább a neurológiai és pszichológiai szintet érintik. Ezen hatások megértése kulcsfontosságú ahhoz, hogy a virtuális valóságot biztonságosan és hatékonyan használjuk, különösen hosszú távú használat esetén.

A fények és a hangok intenzitása, valamint az alacsony képkockasebesség együttes hatása különböző egészségügyi problémákat okozhat, különösen migrént és szédülést. Egyes kutatások szerint az ilyen típusú környezetek a migrénre hajlamos felhasználóknál (akiknek egy része nő és férfi) különösen károsak lehetnek. A kutatás szerint ezek a hatások gyakoriak lehetnek, ha a felhasználó hosszú ideig van kitéve egy ilyen környezetnek, ahol fények és hangok intenzíven kombinálódnak, így a szimulatív élmény fárasztóvá válik. Az ilyen hatások elkerülése érdekében a migrénre hajlamos felhasználóknak érdemes elkerülniük az ilyen típusú virtuális valóságot, hogy megakadályozzák a fejfájást vagy egyéb egészségügyi problémákat.

A hangoknak szintén fontos szerepük van. A túl hangos szimulációk halláskárosodáshoz vezethetnek. Az Egyesült Államok Munkahelyi Biztonsági és Egészségvédelmi Hatósága (OSHA) előírásai szerint a 115 dB-es zajszintet csak napi 15 percig szabad hallgatni, míg a 105 dB-es zajszint napi egy órán keresztül még biztonságos. Ha ezek a határokat túllépik, az maradandó halláskárosodáshoz vezethet. A virtuális környezetekben a hang forrásának 3D pozicionálása azt is eredményezheti, hogy a felhasználó egy olyan hangforráshoz közelít, amely meghaladja a biztonságos zajszintet, és ez káros hatásokat okozhat.

A virtuális környezetekben való interakciók másik kockázata a muszkuloszkeletális problémák, amelyek a haptikus visszajelző rendszerek használatából eredhetnek. A túlzott erő alkalmazása vagy az anatómiai határok túllépése sérüléseket, például ínhüvelygyulladást, izomfájdalmakat és egyéb ortopédiai problémákat okozhat. Az ilyen típusú problémák gyakran akkor fordulnak elő, amikor a felhasználó hosszú ideig ismétlődő mozdulatokat végez, például videojátékokat játszik konzolokkal, mint a Wii vagy a PlayStation, ahol az ujjak folyamatos mozgására van szükség.

A közvetett hatások közé tartozik a cybersickness, vagyis a virtuális környezetekkel kapcsolatos szimulációs betegség. A cybersickness általában szédülést, émelygést, szemfáradtságot és bizonyos esetekben hányingert okoz. Az ilyen típusú tünetek a felhasználók körében széleskörűen előfordulnak, különösen azoknál, akik hosszabb ideig használnak VR rendszereket. A cybersickness legfőbb oka a különböző érzékszervi rendszerek közötti konfliktusban rejlik, ami gyakran akkor fordul elő, amikor a látási és egyéb érzékszervi visszajelzések nem egyeznek meg. A belső fül és a vizuális rendszer közötti konfliktus vagy az érzékelési adatok hiánya, például ha egy repülés szimulációjában nincs mozgásplatform, hozzájárulhat a cybersickness kialakulásához.

Ez a jelenség különösen akkor válik nyilvánvalóvá, amikor a virtuális környezetben való navigálás során a felhasználó agyát ellentmondásos jelek érik. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a felhasználó érzékelheti a mozgást, miközben a teste fizikailag nem mozog, vagy éppen fordítva: a látott mozgás nem egyezik meg a test mozgásával, ami diszorientációt, fáradtságot és egyéb negatív hatásokat eredményezhet. Ennek oka lehet a VR rendszerek technológiai korlátai, vagy a szimuláció tartalma.

A cybersickness csökkentése érdekében fontos, hogy a fejlesztők figyeljenek a különböző érzékszervi visszajelzések közötti összhangra, hogy a felhasználói élmény a lehető legkellemesebb legyen. A legújabb technológiai fejlesztések, mint a nagyobb felbontású képernyők, szélesebb látómező, gyorsabb szenzorok és magasabb frissítési gyakoriságok mind hozzájárulhatnak a cybersickness csökkentéséhez, de az nem szűnt meg teljesen, és továbbra is problémát jelenthet egyes felhasználók számára.

Hogyan javítható a hajózási és tűzoltási tréningek hatékonysága virtuális valóság (VR) és kevert valóság (MR) szimulátorokkal?

A Wang (2023) kutatásában összehasonlították a VR és MR környezetekben végzett tréningek hatékonyságát, különös figyelmet fordítva arra, hogy a kevert valóság kevesebb hibát és gyorsabb feladatvégrehajtást eredményezett, mint a tisztán virtuális környezet. A vizsgálat szerint az MR szimulátorok intuitívabbak voltak a résztvevők számára, mivel azok jobban tükrözték a valódi világot, és segítettek a koncentráció fenntartásában. Bár a kutatás eredményei ígéretesek, a kis minta és az általánosíthatóság hiánya továbbra is kérdéses marad.

Egy másik jelentős alkalmazás a haditengerészetben található. A VR szimulátorokat a kiképzés során már hosszú évek óta alkalmazzák, például a kikötői navigáció, a mentési eljárások és a közeli tengerészeti tüzérségi kiképzés területén (Hays et al., 1998; Dufie, 2016). A szimulátorok jelentős előnyöket kínálnak a hagyományos, gyakorlati kiképzéssel szemben, különösen a több hajóval való kooperatív kiképzés során. A szimulátorok használata csökkenti az üzemanyag-fogyasztást és a balesetek kockázatát a kikötői navigációban, valamint csökkenti a környezeti károkat, mivel nem szükséges valós lövedékeket kilőni a tengerbe.

A haditengerészeti hajók és hidak VR szimulátorai is egyre elterjedtebbek. A hagyományos szimulátorok méretesek és technikailag bonyolultak, mivel valós kormányt, műszereket és egyéb berendezéseket használnak, valamint nagyméretű kijelzőkön mutatják a környező tengeri tájat. Ezzel szemben az új generációs VR szimulátorok, mint a „Morild Navigator”, kisebbek, megbízhatóbbak és olcsóbbak, mivel mesterséges intelligenciát (AI) és fejlesztett head-mounted display (HMD) rendszereket használnak. Az ilyen típusú szimulátorok lehetővé teszik a többfelhasználós kiképzést is, ahol különböző szereplők (pl. pilóta, helmsman) együtt dolgozhatnak a virtuális térben, anélkül hogy valódi hajóra lenne szükség.

A Morild Navigator rendszer különösen hasznos a norvég part menti navigációs kiképzésben, ahol a szűk és bonyolult vizek miatt elengedhetetlen a tapasztalt pilóták képzése. A Norvég Kormányzati Hajózási Igazgatóság (Kystverket) egy belső vizsgálatot végzett a rendszer hatékonyságáról, és az eredmények azt mutatták, hogy a tanulók magasra értékelték a VR szimulátor grafikáját, valamint a szimulátor szórakoztató és vonzó jellegét. A VR tréningekben való részvétel azonban nemcsak szórakoztató, hanem hasznos is, mivel hozzájárul a pilotok navigációs készségeinek fejlesztéséhez.

A hajózási tűzoltás szimulátora szintén kiemelt szerepet kapott a haditengerészeti tréningek során. A hadihajókon és kereskedelmi hajókon kialakuló tűz rendkívül veszélyes és hosszú ideig elhúzódó esemény lehet, mivel a hajók belső területei szűkek, és nehezen hozzáférhetőek. A hagyományos tűzoltási gyakorlatok mellett a VR szimulátorok lehetőséget biztosítanak arra, hogy a tengerészek gyakorolják a tűzoltás folyamatát, anélkül hogy valódi tűzveszélyt kellene kezelniük. A tűzoltás gyakorlatok VR környezetben való végzése segíthet a reakcióidő csökkentésében, miközben a tengerészek gyorsabban alkalmazkodhatnak a valódi vészhelyzetekhez.

A következő lépés a VR és MR szimulátorok továbbfejlesztése, hogy még nagyobb hatékonyságot érjenek el a katonai és civil hajózási kiképzésben, különös figyelmet fordítva a valósághűségről, az interaktivitásról és a tanulói élményről. Az ilyen típusú technológia fejlődése a jövőben még szélesebb körben alkalmazható lehet a hajózási iparban, nemcsak a katonai, hanem a kereskedelmi flották számára is.

Hogyan épül fel egy 3D modell megjelenése a valós idejű rendereléshez játékfejlesztésben?

A valós idejű renderelés szempontjából különösen fontos, hogy a 3D modellek ne csupán esztétikusak legyenek, hanem hatékonyan is működjenek az adott motorban. Az egyik legelterjedtebb megközelítés a modellek – vagy más néven „assetek” – beszerzése a Unity vagy az Epic Unreal Store áruházakból. Ezek az assetek lehetnek önálló objektumok vagy több tucat tárgyat tartalmazó csomagok részei. Fontos, hogy az assetek 3D jelöléssel legyenek ellátva, mivel ugyanitt 2D tartalmak is megtalálhatók.

A modellek részletességük szerint két csoportra oszthatók: alacsony és magas poligonszámú assetekre. Az előbbi kategóriába tartoznak például a Synty Studios által készített „Polygon City – Low Poly 3D Art” csomag humanoid karakterei, míg az utóbbi példái a Ravibio által publikált „Free High Poly Drone” csomag drónjai. Mindegyik modellhez három fájl tartozik: az egyik a csúcspontok helyzetét, a másik azok kapcsolatát, a harmadik pedig a normálvektorokat tartalmazza.

A 3D objektumok megjelenésének modellezése két alapvető fázisból áll: a geometria definiálása és a vizuális megjelenés biztosítása. A felületi megjelenéshez elengedhetetlen a világítási modell kiválasztása, valamint a textúrázás. A világítás alapvetően meghatározza, hogyan érzékeljük az objektumokat a térben. A világítás lehet lokális vagy globális. A lokális világítás csak az adott objektum és egy adott fényforrás kapcsolatát vizsgálja, figyelmen kívül hagyva a környezeti kölcsönhatásokat. A globális világítás ezzel szemben figyelembe veszi az objektumok közötti fényszóródásokat és árnyékhatásokat is, így sokkal realisztikusabb eredményt nyújt.

Több fényforrás esetén a világítási modell többszörösen értelmezett: minden egyes fényforráshoz külön-külön kiszámítódik a reflexiós és szögérték. Ez viszont jelentős számítási terhelést jelent a renderelési pipeline számára. Ha több fényforrás van jelen, az Iλ értékeinek kiszámítása növekvő időt igényel, ami lelassíthatja a képkocka-frissítési sebességet, és akár szűk keresztmetszethez is vezethet a geometriai szakaszban. Ilyen esetekben optimalizálásként csökkenthető a világítási elemek száma a szimulációban, ha az így kapott vizuális minőség még elfogadható.

A renderelés szempontjából kiemelten fontos a választott árnyalási technika is. A legegyszerűbb, és vizuálisan legszegényesebb megközelítés a „Constant Shading”, ahol az objektum minden poligonja ugyanazt a színt kapja, függetlenül annak irányától vagy a fényforrás helyzetétől. Ennél valamivel összetettebb a „Flat Shading”, amelyben minden poligon középpontján kiszámolt értéket alkalmazunk az egész felületre – ez ugyan kevésbé realisztikus, de kisebb számítási igényt jelent. A még magasabb minőségű módszerek – mint a Gouraud- vagy a Phong-shading – egyre részletesebb fényeloszlást tesznek lehetővé, cserébe megnövekedett számítási költséggel.

Fontos még, hogy a valós idejű szimulációhoz használt modellek ne csupán esztétikusak és jól megvilágítottak legyenek, hanem strukturálisan is úgy legyenek felépítve, hogy az animációhoz szükséges riggelés és a renderelési optimalizálás összehangoltan működjön. Egy kiválóan megvilágított, de rosszul riggelt vagy túl nagy poligonszámú modell éppúgy problémát jelenthet, mint egy jól struktúrált, de vizuálisan gyenge megjelenítés.