Zametke navideznih svetov predstavljajo fizikalne simulacije. Med drugo svetovno vojno sta se matematika John Von Neumann in Stanislaw Ulam ubadala z zapletenim problemom obnašanja nevtronov. Testiranje z izvajanjem naključnih poskusov je bilo predrago, problem pa je bil tudi prezapleten za analizo. Zato sta izvajala računske simulacije posameznih dogodkov na osnovi njihove verjetnosti, iz rezultatov pa sta izračunala rezultat celotnega poskusa.
Po drugi stani lahko zametke navideznih svetov iščemo tudi v simulatorjih letenja, ki so jih začeli razvijati že med prvo svetovno vojno. To so bile preproste električno-mehanske naprave, ki so simulirale delovanje letalskih instrumentov z mehaniko, ki je posnemala nagibanje letala. Uporabljali so jih za vadbo nočnega instrumentalnega letenja. Simulatorje letenja so z računalniško grafiko, ki je prinesla neprimerno večji realizem, opremili šele v sedemdesetih in osemdesetih letih. Grafika je omogočila posnemanje vidnih zaznav pilota. A pomembneje je, da se je s tem na računalniškem zaslonu odprlo okno v navidezni svet, katerega kompleksnost je naraščala z zmogljivostjo računalnikov. Skoraj hkrati smo dobili tudi simulatorje vožnje in razne arkadne igre, v katerih smo najprej »preganjali« preproste dvorazsežne figure, pozneje pa so figure oziroma glavni junaki postali trirazsežni in niso mogli v polnosti funkcionirati brez trirazsežnih svetov. Zato smo kmalu dobili tudi te. Naslednji korak je bila potopitev v navidezni svet. Glavni junak računalniške igre ni bil več viden na zaslonu, ampak smo navidezni svet opazovali skozi njegov pogled.
TRIRAZSEŽNA GRAFIKA
Realni svet je trirazsežen, zato je osnova za posnemanje vidnih zaznav trirazsežna grafika, ki temelji na geometrijskih modelih predmetov. Pojem predmeta ima v navideznem svetu najširši pomen. Kot predmete opišemo tako glavnega junaka računalniške igre, druge like, kot tudi stvari: sonce, oblake, drevesa, zgradbe, avtomobile, ceste … Podrobnost opisa posameznih predmetov je odvisna od njihove pomembnosti za opazovalca. Bližnji predmeti morajo biti natančneje opisani, bolj oddaljeni pa so poenostavljeni ali pa so združeni v en predmet, ki ga vidimo kot ozadje, tla, steno … To je podobno kot kulise, ki jih uporabljajo v filmih.
Kompleksnost trirazsežne grafike je prilagojena zmogljivosti računalniškega sistema. Osnovni elementi so žični modeli predmetov, na katere so napete razne teksture oziroma slike površin iz realnega sveta. Večja gostota žičnega modela pa tudi teksture pomeni večjo kakovost njegove predstavitve v navideznem prostoru, vendar zahteva tudi večjo zmogljivost grafičnega sistema.
V navideznem svetu se tako neprestano odvija igra svetlobe, ki zahteva od grafičnega sistema, da v realnem času posnema lom in odboj navidezne svetlobe oziroma izvaja algoritem sledenja žarkom. Zaradi zahtevnosti tega problema dizajnerji navideznih svetov še danes uporabljajo številne poenostavitve in bližnjice, kot je uporaba razmeroma grobega žičnega modela in glajenja robov, s čemer poenostavijo in pohitrijo izračun poti žarkov navidezne svetlobe.
Za realističen pogled v navidezni svet je treba zagotoviti tudi dovolj veliko število sprememb slik na sekundo. Večje število izrisov pomeni za grafični sistem večjo obremenitev, premajhno pa povzroči opazovalcu simulatorsko bolezen. Za normalen pogled v navidezni svet mora biti grafični sistem sposoben izrisati vsaj 25 slik na sekundo.
POSNEMANJE FIZIKALNIH ZAKONOV
Gibanje in obnašanje predmetov v navideznem svetu mora biti čimbolj realistično. To dosežemo s posnemanjem fizikalnih zakonov. Vsakemu predmetu oziroma njegovemu žičnemu modelu priredimo fizikalne lastnosti, ki ustrezajo lastnostim podobnega predmeta v naravi. Posnemanje je večinoma omejeno na osnovne svetlobne lastnosti, kot so viri svetlobe (npr. luči pri avtomobilu), količina odbite svetlobe, transparentnost, tekstura in barva, ter na enostavne dinamične lastnosti (teža, trenje in vzgon pri simulacijah letenja), ki določajo način premikanja predmeta v navideznem prostoru.
Posnemanje vidnih zaznav z zmogljivim grafičnim sistemom smo že omenili. Vendar pa je tudi pri posnemanju nesvetlobnih lastnosti predmeta je treba preračunavati veliko fizikalnih formul. Nemalokrat je treba upoštevati tudi njihovo dinamično spreminjanje pri interakciji predmeta z drugimi predmeti, ko lahko predmet celo razpade. Zanimiva primera sta vaza, ki pade na tla in se razbije na veliko koščkov, in žoga, ki se namesto tega odbije od tal. Pri današnjih navideznih svetovih tu brez poenostavljanja ne gre. Pozoren opazovalec bo odkril, da se vaza vsakokrat razbije na enak način, podobno velja tudi za odboj žoge. Ne nazadnje si je pogosto treba modelirati pretakanje tekočin ali njihovo valovanje, kot so slap in valovi na vodni gladini. Želja po čim večji realističnosti je tu omejena le z zmogljivostjo stroja za navidezno resničnost.
Kompleksnejši modeli, s katerimi bi zajeli še več dinamičnih lastnosti predmetov in njihovo notranjo zgradbo, so zaenkrat še prihodnost, kljub temu pa lahko že razmišljamo o njih. Namesto žičnega modela bi lahko vsak predmet opredelili s trirazsežnim točkovnim modelom snovi. Vsaka točka bi bila predstavljena z določenimi fizikalnimi lastnostmi in hkrati pa bi bile opredeljene povezave med točkami. Tu ponovno pridemo do vprašanja, koliko točk potrebujemo za realistično predstavitev predmeta. Namesto da bi opisali zgolj površino predmeta, ga moramo opisati v celoti. A to je šele začetek, če pomislimo, koliko fizikalnih formul moramo preračunati pri vsakem premiku predmeta. Preveč, da bi na tak način lahko z današnjo računalniško tehnologijo izdelali navidezne svetove.
MEJA PODROBNOSTI
Predstavljajmo si navidezni svet, ki je tako natančen, da v njem podrobno opisana vsaka točka prostora, ki jo lahko opazovalec zazna. Zrnavost navideznega sveta bo opazil le, če bo imel možnost, da si izdela pripomočke za opazovanje, kot so daljnogled, mikroskop ali teleskop. Moramo potem navidezni svet izdelati še podrobneje? Vse točke navideznega prostora za opazovalca niso enako pomembne, pomembnejše so tiste, ki jih trenutno zaznava. Bolj oddaljene točke lahko stroj za navidezno resničnost obravnava v skupinah. Če bo opazovalec izdelal na primer mikroskop, se bo stroj za navidezno resničnost temu prilagodil in se izognil neobvladljivemu številu kalkulacij, ki bi bile potrebne, če bi celoten navidezni svet obravnaval enako natančno. To pomeni, da navidezni prostor ni povsod enak, ampak se prilagaja dejavnostim njegovih opazovalcev.
Drugo vprašanje je, kako prikazovati podrobnosti in ali morajo biti vse vnaprej definirane. Jasno je, da mora biti vnaprej definirana osnovna metrika navideznega prostora, oziroma tiste točke, ki jih opazi večina opazovalcev. Podrobnosti, ki opazovalec opazi le s pripomočki, lahko stroj za navidezno resničnost izdela šele, ko opazovalec pripomoček dejansko uporabi, in samo za tisti del prostora, ki ga opazuje. To lahko doseže z uporabo fraktalov, ki jih poznamo v matematiki. S tem sproti nastane natanko tako podroben navidezni prostor, kot je potrebno. Seveda pa mora stroj za navidezno resničnost shraniti podrobnosti, če bo opazovalec s pripomočkom ponovno opazoval isti del navideznega prostora.
STIK Z REALNOSTJO
Realni svet je nekaj, kar nas popolnoma obdaja in nam zapolnjuje vse naše čute. V njem bivamo, ustvarjamo, komuniciramo in smo prisotni z vsem svojim bitjem. Druge realnosti za nas ni. Z navideznimi svetovi je drugače, saj smo v njih prisotni večinoma kot opazovalci, ki prek monitorja in tipkovnice ter druge specializirane opreme za navidezno resničnost vstopamo v navidezni prostor. Navidezni svet se nam zdi toliko stvarnejši, kolikor bolj so naša čutila z njim povezana. Tu ima veliko vlogo posebna oprema, kot so na primer očala za navidezno resničnost, ki omogočajo stereoskopski pogled v navidezni svet, ali rokavice, ki omogočajo premikanje in prijemanje predmetov.
Nove tehnologije so čedalje prepričljivejše, zato se tehnologiji za navidezno resničnost obeta še zelo pestra prihodnost. Zanimivo je, da se danes s pojmom navidezne resničnosti ukvarjajo tudi filozofi, ki so gredo v svojih razmišljanjih celo tako daleč, da si predstavljajo stroje za navidezno resničnost, velike kot planete in poskušajo z oceno količine računskih operacij, ki bi jih lahko taki stroji izvedli v eni sami sekundi, ugotoviti, ali tudi mi morda ne prebivamo v stroju za navidezno resničnost in ali ni tudi naša realnost v resnici navidezna.
Moj mikro, Junij 2008 | dr. Simon Vavpotič
