هر آنچه باید در مورد واقعیت مجازی بدانید (بخش اول)

واقعیت مجازی یکی از مهیج‌ترین پدیده‌های عصر شکوفایی فناوری اطلاعات است. در گزارشی مفصل به طرز کار و شالوده‌ی اصلی و تاریخچه‌ای از واقعیت مجازی خواهیم پرداخت.

وقتی لفظ واقعیت مجازی (VR) را می‌شنوید چه فکری به ذهنتان خطور می‌کند؟ آیا کسی را تصور می‌کنید که کلاهی روی سرش گذاشته و با کابل به کامپیوتر وصل شده است؟ آیا تصاویری از ایده‌های مختلف به ذهن شما خطور می‌کند؟ آیا ممکن است شما به راه رفتن در فضای مجازی نئو و مورفیوس در فیلم ماتریکس فکر کنید؟ و شاید هم  از فکر کردن به واقعیت مجازی زیاد خوشتان نمی‌آید و ترجیح می‌دهید به موضوع دیگری فکر کنید؟

اگر شما از واقعیت مجازی خوشتان نمی‌آید، احتمالا یک دانشمند یا مهندس کامپیوتر هستید، چراکه بسیاری از این افراد با اینکه ممکن است روی همین موضوع یعنی واقعیت مجازی کار کنند، ولی از کلمه‌ی واقعیت مجازی خوششان نمی‌آید و از آن لفظ استفاده نمی‌کنند. امروزه ممکن است شما کسی را ببینید که در مورد محیط مجازی (VE) صحبت کند، در حالی‌که منظورش همان واقعیت مجازی است. ما در این مقاله دو کلمه را به جای هم استفاده می‌کنیم.

اگر تفاوت‌های این دو مفهوم را کنار بگذاریم، ایده‌ی اصلی پشت آنها یکسان است. آنها از فناوری کامپیوتری برای خلق یک دنیای سه‌بعدی شبیه‌سازی شده استفاده می‌کنند. در این دنیای مجازی، این حس به کاربر منتقل می‌شود که گویی واقعا در آن دنیا قرار دارد. دانشمندان، نظریه‌پردازان، و مهندسان ده‌ها دستگاه و برنامه‌ی کاربردی را برای تحقق این موضوع طراحی کرده‌اند. نظرات در مورد اینکه یک تجربه‌ی واقعی از واقعیت مجازی چیست، متفاوت است، ولی کلیات امر به صورت زیر است:

• تصاویری سه‌بعدی که کاربر آنها را به همان اندازه که در دنیای واقعی هستند می‌بیند.
• توانایی دنبال کردن حرکات کاربر، مخصوصا حرکت سر و چشمان او و تغییر کردن محیط مجازی بر اساس همین حرکات.

ما در این مقاله قصد داریم ویژگی‌های واقعیت مجازی، چندین فناوری که در سیستم‌های واقعیت مجازی استفاده می‌شود، و چندین برنامه‌ی کاربردی واقعیت مجازی را تعریف و معرفی کنیم، همچنین در تاریخچه مختصری از آن را ارائه دهیم.

غرق شدن در واقعیت مجازی

کاربر در محیط واقعیت مجازی به‌گونه‌ای غوطه‌ورمی‌شود تا جایی که حس می‌کند بخشی از آن دنیا شده است. او قادر است با محیط اطرافش در دنیای مجازی ارتباط برقرار کند. به این دو ویژگی واقعیت مجازی، دو حضوری یا حضور از دور گفته می‌شود. جاناتان استور، در این مورد می‌گوید:

فرد حس می‌کند در محیطی واسط قرار دارد تا محیطی فیزیکی.

به عبارت دیگر، واقعیت مجازی باعث می‌شود شما از دنیای واقعی اطراف خود غافل شوید و تنها بر محیط واقعیت مجازی تمرکز کنید. از نظر جاناتان غرق شدن در محیط از دو بخش تشکیل شده است: عمق اطلاعات و وسعت اطلاعات. عمق اطلاعات، مقدار و کیفیت سیگنال‌هایی است که کاربر هنگام تعامل با محیط مجازی دریافت می‌کند. این سیگنال‌ها عبارتند از وضوح تصویر، گرافیک محیط، کیفیت صدا و برخی موارد دیگر. وسعت اطلاعات مجموعه‌ی احساساتی است که همزمان به کاربر القا می‌شود. وقتی شما درمحیط مجازی قرار می‌گیرید تمامی حس‌های شما تحت تاثیر محیط مجازی قرار می‌گیرند. البته اکثر محیط‌های مجازی، حس دیداری و شنیداری را جزو ارکان اصلی قرار می‌دهند. دانشمندان و مهندسان دنبال راهی می‌گردند تا حس لامسه را نیز وارد عمل کنند. سیستم‌هایی که حس لامسه را مثلا با لرزش یا هر روش دیگری به کاربر القا می‌کنند، سیستم لمسی نام دارند.

سیستم برای اینکه کاربر را در محیط غرق کند، باید محیط را بر اساس اندازه‌های دنیای واقعی ساخته باشد و بتواند با تغییر وضع کاربر، محیط را نیز تغییر دهد. اگر در محیط مجازی ستونی در وسط یک اتاق قرار داشته باشد، محیط باید طوری تنظیم شود که کاربر از هر زاویه‌ای که به ستون نگاه می‌کند، ستون طبیعی به نظر برسد. دکتر فردریک بروک، یکی از پیشگامان در نظریه و فناوری واقعیت مجازی، معتقد است که نرخ فریم (frame rate) صفحه‌‌ی نمایش باید حداقل ۲۰ تا ۳۰ فریم‌برثانیه باشد تا کاربر را راضی نگه دارد.

محیط واقعیت مجازی

سایر خروجی‌های سیستم محیط مجازی باید مطابق دنیای واقعی باشد. اگر محیط به گونه‌ای است که صدا به‌صورت سه‌بعدی در آن پخش می‌شود، این حس باید به کاربر دست دهد که صدا از جاهای مختلفی به گوش او می‌رسد و اگر مکانش را تغییر دهد، مکان و منشا صدا نیز تغییر کند. شبیه‌سازی حسی باید قوی و مداوم باشد. مثلا وقتی شما در صحنه‌ای آرام قرار دارید، نباید صدای باد شدید به گوش شما برسد و برعکس وقتی در وسط طوفان بودید، نباید این حس به شما القا شود که نسیم آرامی می‌آید و شما در حال استشمام بوی گل رز هستید.

لگ یا وقفه‌ی زمانی، بین حرکات کاربر و واکنش محیط نسبت به این حرکت، تاخیر (latency) نامیده می‌شود. تاخیر وقتی اتفاق می‌افتد که مثلا کاربر چشم یا سرش را تکان دهد، ولی واکنش و تغییر محیط نسبت به این حرکات کمی کند باشد. بررسی‌ها نشان داده است که انسان می‌تواند وقفه‌ی ۵۰ میلی‌ثانیه‌ای را تشخیص دهد. اگر محیط مجازی تاخیر داشته باشد، کاربر حس می‌کند که در دنیایی مصنوعی قرار دارد و دیگر در محیط غرق نمی‌شود.

اگر کاربر از دنیای واقعی اطراف خودش اطلاع پیدا کند، حس غرق شدن او در محیط از بین می‌رود. محیط مجازی باید به‌گونه‌ای طراحی شود که کاربر دنیای واقعی اطرافش را فراموش کند. سازندگان واقعیت مجازی برای القای حس غرق شدن در محیط، از روش‌هایی استفاده می‌کنند که فکر می‌کنند برای کاربر طبیعی‌تر است. تا زمانی که کاربر نسبت به محیط واقعی، آگاهی داشته باشد، نمی‌تواند غرق در دنیای مجازی شود.

تعامل در واقعیت مجازی

غرق شدن در محیط مجازی یک چیز است و تعامل با آن محیط چیز دیگری است. برای اینکه کاربر کاملا درگیر دنیای مجازی شود، باید بتواند با محیط مجازی تعامل داشته باشد. برنامه‌های کاربردی که از فناوری رایج در سیستم‌های محیط مجازی استفاده می‌کنند، تجربه‌ای گذرا برای کاربران فراهم می‌کنند. کاربران می‌توانند با پوشیدن یک نمایشگر سربند (HMD)، یک فیلم از قبل ضبط شده را تماشا کنند. آنها می‌توانند روی صندلی متحرک بشینند و در معرض محرک‌هایی مثل باد قرار بگیرند. در این حالت با اینکه کاربران تا حدودی در محیط غرق می‌شوند، ولی تعاملشان با محیط کم است و تنها می‌توانند به اطراف نگاه کنند.

امروزه ترن‌های هوایی وجود دارند که از همین فناوری استفاده می‌کنند. دیزنی‌کوست در اورلندوی فلوریدا مکانی به نامCyberSpace Mountain تعبیه کرده است که افراد می‌توانند با توجه به سلیقه‌ی خود، یک ترن هوایی طراحی کنند و آن را در دنیای مجازی سوار شوند. این سیستم افراد را بسیار خوب در خود غرق می‌کند؛ ولی به جز در مرحله اول که کاربر ترن را طراحی‌ می‌کند، تعامل دیگری بین کاربر و محیط مجازی وجود ندارد. بنابراین این نوع سیستم، یک محیط مجازی کامل نیست.

تعامل به عوامل زیادی بستگی دارد. جاناتان سه عامل را به ما معرفی می‌کند: سرعت، دامنه و برد، و نقشه‌کشی. سرعت همان‌طور که از نامش برمی‌آید، میزان سرعتی است که فعالیت‌های کاربر وارد سیستم کامپیوتری می‌شود و به او باز می‌گردد؛ به‌گونه‌ای که کاربر کاملا آن را حس کند. برد و دامنه، تعداد خروجی‌هایی است که با توجه به حرکات مختلف و احتمالی کاربر به وجود می‌آید. نقشه‌کشی، توانایی سیستم در تولید نتایج طبیعی در پاسخ به حرکات کاربر است.

تعامل واقعی وقتی رخ می‌دهد که کاربر بتواند محیط را تغییر دهد

مسیریابی در محیط مجازی نیز نوعی تعامل است. اگر کاربر خودش مسیرش را در محیط تعیین کند، نوعی تعامل با محیط داشته است. از‌‌‌ آنجایی که کاربر پس از چند دقیقه گشت‌و‌گذار ممکن است از محیط مجازی خسته شود، باید راه‌های تعاملی جدیدی به کار گرفته شود. ماری ویتون، دانشمند علوم کامپیوتر، معتقد است محیطی که از نظر تعامل ضعیف باشد، حس غرق شدن در محیط را نیز به‌طور چشمگیری کاهش خواهد داد. وقتی محیط مجازی جذاب و درگیرکننده باشد، کاربران بیشتر در محیط غرق خواهند شد.

همچنین تعامل واقعی وقتی رخ می‌دهد که کاربر بتواند محیط را تغییر دهد. تغییرات به‌وجود آمده باید از منظر کاربر بامعنی باشند و اگر بدون معنا باشند به کاربر حس بیگانگی خواهند داد.

هدست واقعیت مجازی

امروزه اتصال سیستم‌های واقعیت مجازی به کامپیوتر‌های شخصی آسان شده است. کامپیوتر‌های شخصی به‌اندازه‌ی کافی برای اجرای این نوع محیط‌ها قوی هستند و از آنجایی که کارت گرافیکی آنها برای بازی‌های ویدیویی طراحی شده است، می‌توانند از پس پردازش‌های واقعیت مجازی نیز بربیایند. کارت گرافیکی که برای بازی وارکرافت طراحی شده است، می‌تواند محیط‌های مجازی پیشرفته را نیز اجرا کند.

سیستم‌های واقعیت مجازی باید بتوانند تصاویر را به کاربر بدهند. بسیاری از این سیستم‌ها از HMD استفاده می‌کنند. HMD هدستی است که از دو نمایشگر برای دو چشم تشکیل شده است. تصاویر به‌دلیل وجود این دو نمایشگر به‌صورت سه‌بعدی ظاهر می‌شوند. HMDهای اولیه از نمایشگرهای پرتوی کاتدی یا CRT استفاده می‌کردند. این نمایشگرها بزرگ بودند، ولی از وضوح و کیفیت خوبی برخوردار بودند. در ادامه از نمایشگرهای LCD استفاده شد که ارزان‌تر بودند؛ ولی کیفیت نمایشگرهای CRT را نداشتند. نمایشگرهای LCD که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد، بسیار پیشرفت کرده است و وضوح و اشباع رنگ آنها بهبود یافته است.

رشد و توسعه فناوری ردیابی نسبت به بقیه فناوری‌های مربوط به واقعیت مجازی کند است، چراکه بازار این تکنولوژی تنها منحصر به واقعیت مجازی است

سیستم‌هایی از واقعیت مجازی وجود دارند که تصاویر را رویدیوار، کف زمین و یا سقف منتقل می‌کنند. به این سیستم‌ها،CAVE می‌گویند. دانیشگاه ایلیوی شیکاگو اولین نمایشگر CAVE را طراحی کرد. آنها با استفاده از تکنیک rear projection، تصاویر را روی دیوار، کف زمین، و سقف یک اتاق کوچک می‌اندازد. کاربران می‌توانند با گذاشتن عینک مخصوص، جلوی نمایشگر CAVE حرکت کنند و این حرکت آنها در دنیای مجازی نیز اعمال شود. این نمایشگرها زمینه‌ی دید بیشتری برای کاربران فراهم می‌کنند که باعث می‌شوند کاربر بیشتر در محیط غرق شود. این نمایشگرها بسیار گران هستند و به‌فضای زیادی نسبت به بقیه نیاز دارند.  سیستم‌های ردیابی با فناوری نمایشگرها ارتباط نزدیکی دارند. این سیستم‌ها جهت نگاه کاربر را تجزیه‌وتحلیل می‌کنند تا کامپیوتر تصاویر صحیحی از طریق نمایشگر به کاربر بدهد. اکثر سیستم‌ها از طریق کابل به کاربر متصل می‌شوند که این امر دامنه‌ی حرکتی کاربر را کاهش می‌دهد. رشد و توسعه فناوری ردیابی نسبت به بقیه فناوری‌های مربوط به واقعیت مجازی کند است، چراکه بازار این تکنولوژی تنها منحصر به واقعیت مجازی است.

دستگاه‌های ورودی نیز نقش مهمی در سیستم‌های واقعیت مجازی ایفا می‌کنند. در حال حاضر دستگاه‌های ورودی زیادی وجود دارند، از دسته‌هایی با ۲ یا ۳ کلید گرفته تا دستکش‌های الکترونیکی و نرم‌افزار تشخیص صدا. سیستم کنترل استانداردی وجود ندارد. مهندسان و دانشمندان واقعیت مجازی در حال کشف راه‌های جدیدی برای وارد کردن ورودی‌های کاربر به سیستم هستند و هر چه این ورودی‌ها طبیعی‌تر باشند، حس طبیعی‌تری به کاربر القا خواهد شد. برخی از رایج‌ترین شکل‌های دستگاه‌های ورودی عبارت‌اند از:

• دسته بازی (Joysticks)
• توپ‌های ردیابی یا توپک (tracking balls)
• دستگیره‌های کنترل کننده (Controller wands)
• دستکش داده (datagloves)
• تشخیص صدا
• ردیاب حرکتی
• تردمیل

بازی‌های واقعیت مجازی

دانشمندان در تلاشند تا حسگرهایی زیستی برای واقعیت مجازی بسازند. حسگر زیستی می‌تواند فعالیت‌های عصبی وعضله‌ای را شناسایی کند. اگر این حسگر زیستی به‌خوبی طراحی شود، کامپیوتر خواهد توانست با استفاده از آن حرکات کاربر را تشخیص دهد و آنها را در دنیای مجازی پیاده کند. این حسگرهای زیستی ممکن است مستقیما به پوست کاربر وصل شوند یا اینکه در دستکش‌ها یا لباس‌های مخصوص تعبیه شوند. محدودیتی که این حسگرها ممکن است داشته باشند این است که باید برای هر کاربر به‌طور اختصاصی ساخته شوند و ممکن است حسگر‌ها روی هر شکلی از بدن قرار نگیرند.

ادامه دارد...