Zasada działania - wiki Wirtualna Rzeczywistość - kompendium

Wszystkie gogle wirtualnej rzeczywistości, choć różnią się pod względem działania, mają jedną zasadniczą funkcję. Muszą sprawić, aby ich użytkownik poczuł się uczestnikiem tego, co generuje komputer, tudzież inne urządzenie odpowiedzialne za przygotowanie obrazu i dźwięku.

Do niedawna sprzęt wirtualnej rzeczywistości sprawiał wiele problemów. Był przyczyną zawrotów głowy, mdłości, a nawet problemów z widzeniem. Ostatnie kilka lat branża VR przeżywa jednak renesans, rozpoczęty m.in. przez firmę Oculus VR oraz ich debiutanckie przedsięwzięcie, Oculus Rift.

Urządzenie nie było łatwe do opracowania, a zanim przygotowano jego finalną, sklepową wersję, inżynierowie i projektanci przebrnęli przez 5 (z tego, co nam wiadomo) niebywale skomplikowanych i znacząco różniących się między sobą prototypów. Zaczęto od pojedynczego ekranu o stosunkowo niskiej rozdzielczości, obudowy posklejanej taśmą oraz pojedynczego sensora, nie potrafiącego wykrywać ruchów głowy w przestrzeni. W dniu 28 marca 2016 roku w sklepach wylądowała wersja finalna, znacznie bogatsza i potrafiąca oszukać mózg, by myślał iż rzeczywiście wkroczył do alternatywnego świata.

Obraz i dźwięk

Konsumencki Oculus Rift korzysta z dwóch paneli OLED, wyświetlających obraz dla każdego oka z osobna. Co istotne, obraz jest generowany jako walec, a następnie, za sprawą specjalnych soczewek (wymienialnych, pozwalających korygować ostrość), przetwarzany w taki sposób, aby uzyskać coś w rodzaju kuli, idealnie dopasowanej do kształtu źrenicy ludzkiego oka. Zakrzywienie obrazu w ten sposób było konieczne, aby użytkownik mógł skupiać wzrok na różnych elementach. Nie mogło być bowiem tak, aby jedna część była ostra, podczas gdy pozostałe permanentnie rozmazane.

Zakrzywienie jest najważniejszą różnicą w stosunku do 3D oferowanego np. w kinach albo w telewizji stereoskopowej. Tam bowiem obraz jest oddalony od oglądającego i niezależnie od tego, gdzie siedzimy, zawsze mniej więcej obserwujemy te same sceny. Nie oznacza to jednak, że nie ma przekłamań. Najmniej jest ich w centralnej części pokoju (kina). Gogle VR eliminują całkowicie ten problem. Projektantom udało się też uniknąć przeciążania wzroku, albowiem soczewka skupia obraz na źrenicy tak, jakby docierał on z daleka. Nie widzimy go bezpośrednio przed nami.

Idąc dalej, wyświetlacz OLED zastosowany w Oculus Rift przypomina te, wykorzystywane w nowoczesnych smartphonach (czwarty z kolei prototyp gogli, tzw. DK2, miał w środku ekran z Samsung Galaxy Note 3. Po rozłożeniu ich na części dało się nawet dostrzec obudowę aparatu - fotki poniżej). Ekran został jednak odpowiednio zmodyfikowany, dzięki czemu jest w stanie wyświetlać obraz z częstotliwością 90 Hz. Pozwala to na uzyskanie takiej samej liczby klatek, zapewniając płynność oraz odpowiednio szybką reakcję oprogramowania na ruchy użytkownika. Przygotowanie i wyświetlenie pojedynczej ramki pochłania tylko 11 milisekund. W przypadku klasycznych gier działających z płynnością 30 fpsów na komputerach lub konsolach, każda klatka to 33 milisekundy.

Sposób wyświetlania obrazu w goglach niesie ze sobą jeszcze jeden problem. Każda ramka jest poprawna tylko przez naprawdę niewielki ułamek sekundy, a następnie musi pojawić się kolejna. Czas (zwany żywotnością) pomiędzy obiema jest tak niewielki, że występował dość znaczny efekt smużenia, uniemożliwiający np. czytanie tekstu na ekranie. Aby się go pozbyć zastosowano coś w rodzaju efektu stroboskopowego. Każda ramka wyświetlana jest - w założeniu - przez ułamek sekundy, po czym następuje całkowite wygaszenie ekranu i pojawienie się następnej. Co ciekawe, odświeżanie na poziomie 60 Hz nie zapewniało satysfakcjonującej jakości obrazu i w trakcie szybkich ruchów głową zauważalny był efekt stroboskopu. Dopiero przy częstotliwości 90 Hz stawał się on niezauważalny dla ludzkiego oka, pozwalając na eliminację problemu.

Smużenie to nie jedyna komplikacja, z jaką walczyć musieli inżynierowie. Inną, równie dokuczliwą, jest opóźnienie. Aby użytkownik gogli VR nie odczuwał lagu pomiędzy ruchem głowy, a wyświetlanym na ekranie obrazem, musi się ono mieścić w granicach 20 milisekund. Jeśli przyjmiemy, że przygotowanie jednej klatki animacji wymaga 11 milisekund, to zostaje nam jedynie 9 milisekund na wszystkie pozostałe jej elementy. Ekrany OLED tu pomogły, bo są bardzo szybkie, a czas przełączenia poszczególnych pikseli wynosi tylko 1 ms. Łącznie mamy zatem 12 milisekund. Zostaje 8 ms. Co dzieje się w tym czasie? Najpierw komputer zbiera informacje z sensorów. Wysyła je do oprogramowania, a ono ustawia wirtualną kamerę w grze lub programie w taki sposób, aby odzwierciedlała położenie głowy użytkownika. Obraz jest następnie zniekształcany i wysyłany z powrotem do gogli. Proces ten powtarzany jest 1000 razy w ciągu sekundy, taka jest bowiem częstotliwość próbowania sensorów, zastosowanych w Oculus Rift.

Tutaj pojawia się jednak jeszcze jeden problem. Sensory dostępne dla inżynierów okazały się niewystarczające. Są one bowiem albo bardzo precyzyjne albo bardzo szybkie. Z tego względu w Oculus VR wykorzystano połączenie dwóch: szybkiego i precyzyjnego, opracowując przy okazji własne IMU (układ zawierający żyroskop, akcelerometr oraz magnetometr). Rolę pierwszego sensora przejął akcelerometr, przypominający te stosowane w smartphonach. Potrafi on wykryć ruch oraz rotację z niebywale dużą precyzją i częstotliwością. Jest jednak bardzo nieprecyzyjny, a wyniki pomiarów są dalekie od ideału. Drugim, dokładniejszym sensorem jest w tym przypadku kamera, którą deweloperzy zaczęli stosować w prototypie Crystal Cove. Na obudowie Oculus Rift pojawiły się wówczas specjalne diody, emitujące mrugające światło w paśmie podczerwieni. Trafia ono do kamery, a ta przetwarza obraz, dokładnie wiedząc jak zmieniła się pozycja głowy użytkownika. Chociaż przechwytywanie sygnału z kamery jest stosunkowo wolne, zastosowanie możliwie jak najmniejszych pakietów danych sprawiło, że przebiega ono na tyle sprawnie, by oprogramowanie Oculus Rift mogło  połączyć dane z obu źródeł w jedną całość i odpowiednio korygować ustawienie kamery pozwalającej nam spoglądać na wirtualny świat.

Ciekawostka: Diody emitujące podczerwień, umieszczone na obudowie Oculus Rift, wysyłają unikatową sygnaturę impulsów. Dzięki temu obserwująca je kamera wie z jaką diodą ma do czynienia i jest w stanie dokładnie określić jej pozycję. Wyjątkowy wzór diod być może służy też do tego, aby zidentyfikować konkretne gogle lub kontrolery Oculus Touch.

Dotyk

Oculus Rift dostępny jest w sprzedaży z kontrolerem dołączanym do konsoli Xbox One. Gamepad to bardzo popularne urządzenie do prowadzenia interakcji pomiędzy grającym, a grą dlatego zdecydowano się na to właśnie akcesorium. Nie oznacza to jednak, że projektanci oraz inżynierowie firmy Oculus VR nie mają pomysłów jak usprawnić sterowanie w wirtualnym świecie.

Po około 300 prototypach korporacja opracowała swój własny kontroler - Oculus Touch, stanowiący opcję dla każdego posiadacza Rifta. To niewielkich rodzajów sterownik, niejako obejmujący dłoń użytkownika, bezustannie śledzony przez zewnętrzną kamerę. Dzięki temu mamy do czynienia z wysoką precyzją oraz niskim opóźnieniem. Co istotne, urządzenie wykrywa wszystkie możliwe ruchy nadgarstka, jednocześnie śledząc kciuk, indeksowy oraz środkowy palec, co znacząco poprawia imersję oraz pozwala np. na chwytanie obiektów w trójwymiarowym środowisku. Dysponuje ono również kilkoma przyciskami, joystickiem i triggerem.

Co warte podkreślenia, Oculus Touch jest kontrolerem przygotowanym przez Oculus VR. Inne firmy także pracują nad akcesoriami, pozwalającymi zwiększać immersję oraz możliwości gogli.