Stavíme virtuální realitu

Na vysokých školách v České republice postupně vznikají pracoviště, která lze označit za laboratoře virtuální reality. Smyslem tohoto článku je podělit se o zkušenosti, které jsme v této oblasti získali výstavbou našeho pracoviště. Úvodní část článku popisuje průběh výstavby a postupného dovybavování Laboratoře virtuální reality na PEF MZLU v Brně. Jsou diskutovány technologie, které byly uvažovány a důvody, proč byla pro realizaci stereoskopické projekce zvolena technologie Infitec, elektromagnetické snímání pohybu a zakoupen popsaný software. Následující část diskutuje důsledky této volby a problémy, na které jsme při provozu laboratoře narazili. Poslední část článku se věnuje využití laboratoře ve výuce - v předmětech týkajících se geografických informačních systémů, počítačové grafiky a specializovaných předmětech zaměřených na uživatelská rozhraní. Opět jsou diskutovány přínosy této laboratoře i problémy, které její integraci do výuky komplikují. Úvod (Kde se poradit?)

V posledních letech je možné sledovat rostoucí trend výstavby specializovaných pracovišť zaměřených na pokročilou vizualizaci. Mnohé by šlo označit za laboratoře "virtuální reality". Pokud se univerzita nebo firma rozhodne do takového zařízení investovat, čeká ji nelehký úkol zjistit, co vlastně potřebuje.

Prvním logickým krokem při hledání optimálního řešení je samozřejmě Internet. A zde narazíme hned na první problém: Zjistíme, že drtivá většina stránek zabývající se virtuální nebo rozšířenou realitou, a to včetně mnoha stránek výrobců těchto zařízení, má design odpovídající boomu virtuální reality před necelými dvěma desítkami let. O poznání lépe jsou na tom stránky různých reselerů těchto technologií. Ty však bohužel také zpravidla postrádají konkrétní technické informace o nabízených produktech. V tomto okamžiku je nutné smířit se s faktem, že prakticky není možné zjistit on-line, jaká zařízení se aktuálně dodávají a jejich přesné specifikace. Je zřejmé, že bude nezbytné jednat s lidmi.

V zásadě jsou dvě skupiny lidí, kteří jsou schopni podat informace o těchto výrobcích. Do první skupiny patří prodejci těchto technologií. Z principu věci je zřejmé, že nezávislost tohoto zdroje je částečně diskutabilní. Druhou skupinou jsou pracovníci již existujících laboratoří. I zde však situace není právě jednoduchá. Tito lidé často nemají zájem se o zkušenosti dělit. Důvodů je celá řada: zaneprázdněnost, obava z konkurence, aj.

Tento článek popisuje problémy, se kterými jsme se setkali při výstavě a provozu takové laboratoře. Jeho smyslem je umožnit se vyvarovat některým chybám, které mohou vést k nenaplnění očekávání z takovéto laboratoře.

Virtuality

Na úvod by bylo vhodné popsat naši laboratoř nazývanou Virtuality. Hlavním nástrojem je stereografická projekce o velikosti přibližně 3 x 2 metry s rozlišením 1400 x 1024 pixelů. Stereografická technologie je Infitec. Projekce je ovládána mimo jiné elektromagnetickým snímáním pohybu, které se skládá se snímače pohybů hlavy v brýlích a 3D myši Wanda. Laboratoř dále obsahuje pracoviště s přepínanými brýlemi NuVision a další pomocné stanice.

Softwarové vybavení zahrnuje knihovny CaveLib a TrackD pro zajištění práce se snímači pohybu, pro pokročilé vizualizace geografických dat používáme program vGeo, resp. Conduit pro Google Earth Pro a samozřejmě řadu aplikací, které stereografickou projekci podporují nativně: Rhinoceros 3D, ArcScene z balíku 3D Analyst a další.

Které komponenty jsou nezbytné

První věcí, kterou je možné se od standardního reselera těchto technologií dozvědět je, že bude potřeba ,,speciální vybavení". To znamená, že standardní pracovní stanice nebo projektor jsou mimo diskuzi. Důvod tohoto tvrzení je zřejmý a pochopitelný - dodavatel nemá zájem řešit problémy s konfigurací PC  neznámého výrobce nebo vysvětlovat, že stereografický vjem je nekvalitní kvůli špatné optice projektorů. Nicméně vždy není nutné investovat statisíce do specializovaných grafických stanic nebo nejdražších modelů projektorů.

Grafické stanice

Firma dodávající řešení naší laboratoře doporučila použití kombinace pracovní stanice HP xw6400 (Intel Xeon 5140 2.33 GHz, 2 GB RAM, NVIDA Quadro FX 3500) a běžné stanice LYNX (Intel Pentium 4 3 GHz, 1GB RAM, graf. karta ATI). Stanice HP byla používána pro realizaci stereografické projekce a stanice LYNX pro sběr dat z trackerů pohybu a jejich distribuci po síti. Právě tato konfigurace se časem ukázala, jako nejzásadnější slabina řešení. V okamžiku, kdy se laboratoř rozšířila o další software, který vyžadoval renderování na jiné stanici, než probíhalo zobrazování (Conduit for Google Earth Pro), bylo nutné doplnit řešení o stanici s prakticky stejnou grafickou kartou, jako je stanice zobrazovací.

Naše řešení nakonec spočívalo ve výměně obou stanic za běžné stanice DELL OptiPlex 755 (Intel Core 2 Duo (3 GHz), 4 GB DDR2 RAM, 250 GB SATA disk) rozšířené o grafickou kartu nVidia Quadro FX 570 a zapojené pomocí převodníku Reiser Card. Cena řešení byla přibližně třetinová. Samozřejmě je nutné brát ohled na drobné ústupky, jako například absence RAID pole. Přínosy tohoto řešení jsou nárůst výkonu při provozu námi používaných aplikací (viz dále), nízká hlučnost, rozměry a také cenově výhodná rozšiřitelnost o další renderovací stroje.

Projekce

Řešení stereografické projekce je poměrně triviální. Pokud software nativně podporuje projekci, stačí de facto grafická karta podporující Quad buffering, tj. např. řada nVidia Quadro, dva klasické projektory doplněné o filtry realizující prolnutí obrazů.

Projekce je v našem případě tvořena projektory SXGA+ Projection Design doplněnými o filtry Infitec. Pro práci s CAD/GIS systémy se rozlišení 1400×1050 pixelů při velikosti plátna přibližně 2x3 metry ukázalo jako optimální. Pro experimentování se stereoskopickou projekcí je možné i rozlišení nižší, ale pro kvalitní vizualizaci doporučujeme alespoň zmíněné SXGA+. S rostoucím rozlišením samozřejmě rostou i nároky na kvalitu optiky. Zatímco při rozlišení XGA je možné použít běžné projektory, při vyšších rozlišeních je vhodné klást větší důraz na kvalitu.

Druhá otázka, kterou je nutné vyřešit je, zda bude použita čelní nebo zpětná projekce. Zde, pokud to místnost, alespoň částečně umožňuje, zásadně doporučujeme zpětnou projekci.  Pokud je promítáno čelně, je nutné umístit plátno do větší výšky, což může ovlivnit stereografický vjem nebo řešit problém s vrháním stínů operátorem. Toto řešení je tudíž vhodné spíše do přednáškových místností, kde jsou uživatelé od plátna více vzdáleni a pasivně projekci sledují. V našem případě nebylo možné promítat ze zadní části na plátno přímo, proto bylo použito zrcadlo, které potřebnou vzdálenost snížilo prakticky na polovinu. 

Pravděpodobně nejzásadnější volbou v kontextu laboratoře se jeví výběr vhodné technologie pro stereografii. Je zřejmé, že pro práci více lidí je vhodné využít některou z "pasivních" technologií, která není omezena cenou za přepínané brýle a dalšími neduhy "aktivní" technologie (viz Burdea et all, 2003). Volba tedy bude spočívat v rozhodování mezi polarizační technologií a Infitec. Srovnat objektivně prostorový vjem těchto technologií je poměrně obtížné. Zcela subjektivně můžu konstatovat, že pokud je projekce dobře nastavená, produkuje kruhová polarizace Infitec prakticky stejný prostorový vjem. Infitec je podobně jako červeno-modré anaglyfy založen na posunu barevného spektra, takže je trochu méně komfortní obsluhovat různá zařízení s nasazenými brýlemi, nicméně nejsou zdaleka tak rušivé, jako výše zmíněné červeno-modré brýle. Jako zdaleka klíčovější považuji problém, že v současné době je výhradním dodavatelem Infitecu do ČR jediná firma. V našem případě to způsobilo nemalé komplikace při zajištění dalšího servisu, protože pružnost firmy byla v tomto ohledu velmi špatná. Při posledním nákupu firma např. nebyla schopna ani po několika měsících dodat kvalitnější variantu brýlí. 

Snímání pohybu

Snímání pohybu je v porovnání s projekcí poměrně komplikované. Je nezbytné poměrně specializované hardwarové vybavení a ve většině případů i řídící software. Dnes se běžně dodávají řešení na bázi vizuálního snímání pohybu nebo elektromagnetického. Vizuální snímání považuji za poměrně komfortní. Snímače jsou nahrazeny velmi lehkými plastovými míčky, což samozřejmě citelně zvyšuje komfort při dlouhodobé práci.

V naší laboratoři je k dispozici elektromagnetické snímání pohybu založené na prvcích firmy Ascension doplněné o 3D myš Wanda. Wanda obsahuje jak snímač pohybu, tak čidlo pro snímání náklonu. Druhý snímač pohybu je umístěn na brýlích. Každý snímač je napojen na samostatnou řídící jednotku, ze kterých se data přenáší přes sériový port do stanice s kontrolním softwarem TrackD. TrackD je schopen data distribuovat na libovolnou stanici v síti. K TrackD byl dodán i developement kit, který umožňuje integrovat snímače pohybu do libovolné aplikace napsané v C++.  Jediná nevýhoda plynoucí z naší volby je, že snímače nejsou bezdrátové, což do určité míry snižuje komfort práce. To však byla daň za cenu řešení.

V současné době však mají tyto specializované polohovací zařízení  konkurenci v podobě levných a kvalitních zařízení typu Space Navigator Personal Edition a různých herních ovladačů. Lze je pořídit za malý zlomek ceny klasických trackerů pohybu a přitom např. komfortnost práce se Space Navigatorem v prostředí Google Earth je subjektivně vyšší, než v případě Wandy. Je však nutné smířit se s absencí snímání pohybů hlavy. 

Software

Velmi diskutabilní je také softwarové vybavení laboratoře. Na výběr je mezi dvěma typy aplikací: běžné aplikace nativně podporující stereografickou projekci a specializované aplikace pro virtuální realitu. Velmi zásadní rozdíl mezi těmito dvěma skupinami je samozřejmě v ceně. Zatímco např. geografický informační systém ESRI ArcGIS s nadstavbou 3D Analyst nebo Rhinoceros 3D vyjdou řádově na tisíce korun (licence pro výuku, komerční licence jsou řádově desetitisícové), specializované aplikace typu vGeo stojí statisíce. Je tedy nezbytné velmi pečlivě zvážit, které aplikace budou nezbytně potřeba a zda neexistuje běžně dostupná alternativa.

Z první kategorie aplikací velmi úspěšně používáme převážně aplikaci ArcView s nadstavbou 3D Analyst. Program ArcScene, který je součástí 3D Analystu nativně podporuje generování dvou signálů pro graf. karty s Quad bufferingem. Pro ovládání projekce je nutné používat klasická polohovací zařízení (klávesnice, myš, Space Navigator). Velkou výhodou této nativní podpory je, že uživatel má k dispozici plnohodnotný GIS, se kterým se pracuje stejně jako na klasické stanici. Dříve byl ArcScene používán i k vizualizaci modelů vytvořených v různých 3D studiích. Od nové verze má však podporu sterea zabudován i Rhinoceros 3D, takže je možné ji aktivovat pro různé módy (drátěný model, stínovaný model, atp.). Pro práci s 3D filmy se pak osvědčily nástroje 3dtv. Prakticky veškeré tyto nástroje mají společné nevýhody: nejsou schopny pracovat s více projekčními plátny (CAVE) a nejsou schopny přijímat data ze snímačů pohybu.

Z druhé kategorie produktů máme k dispozici knihovny CaveLib a TrackD, které tvoří základ pro další aplikace. Tyto aplikace lze nahradit i volně dostupnými knihovnami (VR Juggler), nemáme s nimi však zatím větší zkušenosti. S nimi pracuje řada produktů jako je vGeo, Conduit, aj. Aplikace vGeo je poměrně velmi zajímavý nástroj, který se od poslední verze zásadně zlepšil. Umožňuje vizualizace různých geografických dat v běžně dostupných formátech. Mezi jeho hlavní výhody patří z našeho pohledu i to, že je schopen vytvářet velmi kvalitní modely, resp. animace rozsáhlých jevů, které jsou kontrolovatelné pomocí 3D myši a snímače pohybu v brýlích. V tomto řekněme prezentačním ohledu značně převyšuje možnosti ArcScene, který není stavěn na práci s velkými objemy dat, ale spíše na lokální podrobné modely. 

Třetím typem aplikací, o kterém doposud nebyla řeč, jsou nadstavby realizující stereo obraz z klasických aplikací. Příkladem této aplikace je Conduit for Google Earth Pro. Tyto mezivrstvy jsou schopny přijímat OpenGL kód jdoucí např. z Google Earth a vytvořit k němu druhý kanál. Jedinou zkušenost máme z výše uvedeným Conduitem a lze říci, že prostorový vjem není tak kvalitní jako u aplikací, které stereografický režim podporují nativně. 

Využití laboratoře

V současné době je laboratoř využívána převážně ve dvou oblastech: v počítačové grafice a v geografických informačních systémech. Z pohledu počítačové grafiky představuje laboratoř především zajímavý nástroj, který pomáhá studenty získat pro řešení různých grafických projektů. Vytvořit generátor fraktálů nebo hru typu procházení bludiště řekněme pomocí knihovny OpenGL není nudné, ale rozhodně zajímavější z pohledu studenta je, když daný fraktál generuje ve více dimenzích, resp. prochází bludištěm téměř in natura. Navíc si přirozeně lépe osvojí práci s kamerami, úhly pohledu, atp. Pro realizaci projektů z této oblasti slouží předmět Laboratoř virtuální reality, který je zaměřen na samostatnou řízenou práci studenta na různých projektech počínaje počítačovými hrami, přes vizualizaci geografických dat, konče modelováním kloubních náhrad ve spolupráci s Ústavem matematiky FSI VUT v Brně (Procházková, 2008). Od příštího roku bude také nově otevřen předmět Pokročilá uživatelská rozhraní, který se z velké části bude zabývat aplikací těchto technologií pro řešení reálných problémů. Druhá oblast využití laboratoře spadá, jak již bylo řečeno, pod geografické informační technologie.

V předmětu Sociální a ekonomické aplikace řeší studenti ve skupinkách po dvou až třech studentech konkrétní zadání z praxe. V rámci této činnosti využívají prostorových analýz ve Spatial Analystu. Výsledky pak zobrazují ve 3D Analystu a závěry vyvozují v laboratoři virtuální reality při stereoskopické projekci. V zimním semestru akademického roku 2008/9 například studenti řešili dva úkoly zadané městem Hustopeče - volba vhodné varianty obchvatu města a vyloučení míst území ORP Hustopeče, kde není možné povolit stavbu fotovoltaických elektráren. V předchozím roce se mimo jiné řešilo umístěné větrných elektráren ve Stavěšicích, do laboratoře byli pozváni starostové zainteresovaných obcí, kteří zhodnotili názornost a potvrdili, že jim prezentace přinesla nové informace a zásadně ovlivnila jejich rozhodnutí (více viz Machalová et all, 2008).

Jako doplněk výuky je laboratoř využívána i v řadě dalších předmětů. Příkladem může být kurz Animace a geoprostor, který propojuje oblasti počítačové grafiky a GIS. Cílem tohoto kurzu je naučit metody modelování a vizualizace reálných oblastí (Andrýsková et all, 2008).

Do budoucna plánujeme řadu dalších projektů: modelování a vizualizace demografických a ekonomických ukazatelů (Procházka et all, 2008) a řada jiných. Problémem při jejich řešení je však omezené množství pracovníků, kteří jsou schopni a ochotni se na projektech podílet.

Vyplatí se to?

Do laboratoře byly v průběhu posledních let investovány přibližně dva miliony korun. Je tedy na místě diskutovat, jaký efekt tyto peníze přinesly. Pokud je za milion korun vybavena standardní kvalitní učebna je její přínos jasně kvantifikovatelný počtem studentů, kteří v ní absolvovali výuku. V tomto případě toto zhodnocení není možné. Kapacita laboratoře umožňuje prezentaci maximálně pro dvě desítky lidí, ale na projektech v drtivé většině případů pracují současně maximálně tři studenti. Kvantita absolventů je tedy v porovnání se dvěma běžnými učebnami mizivá. Virtuality má však zcela jinou výhodu. Umožňuje nám podchytit a nadchnout pro studium určité problematiky velmi kvalitní studenty, kterým otevře prostor pro seberealizaci. Toto je z našeho pohledu zásadní přidaná hodnota. V dnešní době je velmi obtížné poskytnout studentům něco speciálního, co nemají běžně k dispozici a co je motivuje k práci nad rámec jejich povinností. Virtuality právě toto úspěšně naplňuje.

Literatura

Burdea, C. C. Coiffet, P. Virtual Reality Technology, Second Edition, USA: IEEE Press, A Willey-Interscience publication, 2003. ISBN 0-471-36089-9.

Bimber, O. Raskar, R. Spatial Augmented Reality: merging real and virtual worlds. USA: A K Peters, Ltd., 2005. ISBN 1-56881-230-2. 

Procházková, J. Sedlák, J. Procházka, D. Direct B-Spline Interpolation of CNC Path from Cloud of Points. In Proceedings of symposium on computer geometry SCG 2007. Bratislava, SK: Slovenska technická univerzita v Bratislave, 2007, s. 104-110. ISBN 978-80-227-2734-1.

Machalová, J. Kominácký, L. Geoinformační technologie pro potřeby konkrétní obce. In Informační systémy v zemědělství a lesnictví. 1. vyd. Praha: Česká zemědělská univerzita, 2008, s. 146-150. ISBN 978-80-213-1785-7.

Andrýsková, J. Procházka, D. Machalová, J. Výuka předmětu Animace a geoprostor, Informatika XXI. In MOTYČKA, A. Informatika XXI/2008. Brno: Konvoj, 2008, s. 15-16. ISBN 978-80-7302-151-1.

Procházka, D. Procházková, J. Moebius: An interface to web map services. Geoinformatics FCE CTU. Praha: FCE CTU, 2008. sv. 3, č. 1, s. 1-10. ISSN 1802-2669. Kolektiv autorů Stránky ústavu informatiky PEF MZLU v Brně (on-line).

 
 Autoři

Ing. David Procházka, Ph.D., e-mail: prochazka@pef.mendelu.cz, Ústav informatiky, Provozně ekonomická fakulta, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, ČR, tel. +420 545 132 240

Mgr. Jitka Machalová, Ph.D., e-mail: machalov@mendelu.cz, Ústav informatiky, Provozně ekonomická fakulta, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, ČR, tel. +420 545 132 225

Ing. Mgr. Jana Andrýsková, Ph.D., e-mail: andryskova@pef.mendelu.cz, Ústav informatiky, Provozně ekonomická fakulta, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, ČR, tel. +420 545 132 243

tisková zpráva