Virtuaalreaalsuse peaseade

Virtuaalreaalsuse peaseade on pähe paigaldatav seade, mis pakub virtuaalreaalsuse kogemust. VR-peaseadmeid kasutatakse laialdaselt arvutimängude mängimiseks, kuid nende jaoks leidub ka teisi rakendusi, sealhulgas simulaatorid ja treeningud. Peaseade sisaldab stereoskoopilist ekraani (kuvab kummagi silma jaoks eraldi pilti), stereoheli ja pea liikumist jälgivaid andureid [1] (mis võivad sisaldada güroskoope, kiirendusandureid, struktureeritud valgussüsteeme [2] jms). Mõnedel peaseadmetel on ka pilgujälgimise andurid [3] ja mängukontrollerid.

Ajalugu

1991. aastal välja kuulutatud ja 1993. aasta alguses Winter CES-il ilmunud Sega VR-i kunagi ei avaldatud. Varasem peaseade, Forte VFX1, oli välja kuulutatud CES-il aastal 1994. VFX1-l on stereoskoopilised ekraanid, kolmeteljeline peapositsiooni jälgimine ja stereo kõrvaklapid. [4] Sony, olles üks esimeste seas, lasi välja Glasstron'i aastal 1997, millel on valikuline positsiooniandur, mis võimaldab vaadata ümbrust, muutes perspektiivi koos pea liikumisega ning andes sügava süüvumise. Need VR-peaseadmed andsid MechWarrior 2 mängijatele uue visuaalse vaatenurga, et näha lahinguvälja juhikabiinist. Kuid varasemad peaseadmed ebaõnnestusid, kuna nende tehnoloogia oli piiratud.[5][6] John Carmack kirjeldas seda nagu "vaatamine läbi tualettpaberi rullide".[7]

Aastal 2012 algas VR-peaseadmete rahastuskampaania Oculus Rift. Projekti juhtisid mitmed videomängude arendajad, sealhulgas John Carmack,[8] kellest sai hiljem kampaania IT-juht.[9] 2014. aasta märtsis ostis Facebook projekti emafirma Oculus VR 2 miljardi dollari eest.[10] Lõpptarbijatele suunatud Oculus Rifti väljaanne algas 28. märtsil 2016.[11]

2014. märtsis demonstreeris Sony PlayStation 4 peaseadme prototüübi,[12] mille nimeks sai hiljem PlayStation VR.[13] Samal aastal demonstreeris Valve Corporation mõnede peaseadmete prototüüpe,[14] mis viis partnerluseni HTC-ga Vive'i tootmiseks. Vive keskendub ruumilisusele VR-keskkonnas, et kasutaja saaks seal loomulikult navigeerida ja suhelda.[15] Vive kuulutati välja 2016. aasta aprillis[16] ja PlayStation VR sama aasta oktoobris.[17]

Virtuaalreaalsuse peaseadmeid ja veetlejaid on loodud ka nutitelefonide jaoks. Erinevalt peaseadmetest integreeritud kuvaritega, need seadmed on sisuliselt lisad, millesse saab sisestada nutitelefoni. VR-i sisu on vaadeldav seadme ekraanilt läätsede abil, mis toimivad nagu stereoskoop, mitte spetsiaalsete sisemiste kuvarite abil. Google kuulutas välja rea spetsifikatsioone ja nendega seotud kokkupandava komplekti virtuaalreaalsuse kuvamiseks, mis on tuntud Google Cardboardi nime all. Need kuvarid on konstrueeritavad odavate materjalidega, näiteks nagu papp (siit ka nimi).

Samsung Electronics sai partneriks Oculus VR-ga, et koos arendada Samsung Gear VR (mis ühildub ainult hiljutiste Samsung Galaxy seadmetega), samas kui LG Electronics arendas oma LG G5 nutitelefoni jaoks, mis on tuntud kui LG 360 VR, spetsiaalse kuvariga peakomplekti.[18][19][20][21]

Aasia riistvaratootjad nagu Xion ja Kolke on välja töötanud odavad virtuaalreaalsuse peaseadmed. 2017. aasta aprilli lõpus, kuulutas Hiina ettevõte Tencent välja, et valmistub selle virtuaalreaalsuse peakomplekti käiku lasta see aasta.[22]

Piirangud

Piirangud latentsile

Võrreldes tavaliste videomängudega, on virtuaalreaalsuse peakomplektidel palju kõrgemad nõuded latentsile ehk ajale, mis kulub sisendi muutusele ekraanile kuvamiseks.[23] Kui süsteem on liiga aeglane reageerimaks pealiigutustele, siis võib kasutaja kogeda küberiiveldust.[24] Valve inseneri kohaselt on ideaalne latents 7-15 milliseknudit.[25] Suur määraja latentsi puhul on displeipaneeli värskendussagedus,[26] mis on toonud endaga kaasa displeide kasutuse, mille värskendussagedus on 90hz (Htc Vive, Oculus rift) kuni 120 Hz (Playstation VR).[27]

Graafikakaart peab olema samuti võimekas, et arvutada kaadreid tihedamalt. Oculus viitas Xbox One ja PlayStation 4 väiksele arvutuslikule võimekusele kui põhjusele, miks nad sihivad arvutimängude turule enda esimeste seadmetega.[28]

Kuvar ja selle omadused, sh eraldusvõime

Optika ja paneeli visuaalsed omadused mõjutavad seda, kuidas kasutaja näeb kuvatavat pilti ning virtuaalset maailma. Pildi selgus sõltub displei resolutsioonist, optika kvaliteedist, displei värskendussagedusest ning vaateväljast.[29]

Kuna virtuaalreaalsusseadmed venitavad ühe displei üle laia vaatevälja, siis läätsedest tuleneva suurendusefekti tagajärjel tulevad displeitehnoloogia puudused palju rohkem esile. Üks probleemidest on näiteks “võreukse efekt”, kus pikslitevaheline ala on nähtav ning meenutab võrekardinast läbivaatamist.[30] Nimetatud fenomen oli eriti tajutav varasematel prototüüpidel,[31] millel oli madalam resolutsioon kui jaemüügis kättesaadavatel seadmetel.

Läätsed

Kuvarprillide läätsed vastutavad silmadele lähedal asuva displei vaatevälja suurendamise eest,[32][33] pakkudes samal ajal ka mugavamat fookuspunkti kasutaja silmade jaoks. Üks väljakutsetest on tagada fookuse pidevus, hoolimata sellest, kuhu kasutaja parajasti silmadega ei vaata. See aitab ära hoida silmade väsimist.

Erinevad tootjad on kasutanud erinevaid läätsesid, kuigi populaarseimad on Frensel'i läätsed.[34] Nimetatud läätsed ei kasuta mitut materjaliosa, nagu teised läätsed, seevastu on lääts jagatud sektsioonideks, võimaldades laiemat vaatevälja. Frensel'i läätsede puuduseks võib pidada asjaolu, et kui kuvarprillid pole pähe pandud korrektselt, võivad läätsede piirjooned olla nähtavad.[35]

Läätsed põhjustavad ise ka moonutusi ning kromaatilist aberratsiooni, mida korrigeeritakse tavaliselt tarkvaraliselt.[36]

Läätsesid saab korrigeerida dünaamiliselt, et arvesse võtta lühi- või kaugnägemist, võimaldades kanda peakomplekti ilma prillideta.[37]

Kontrollerid

Nintendo Wii mängude konsool kasutas virtuaalreaalsust läbi selle, et mängija kasutas kontrollerit oma valitud mänguga suhtlemiseks. Varsti peale Nintendo Wii väljakuulutamist avaldas XBox süsteemi nimega Kinec, mis loeb tervet keha. PlayStation avaldas sarnase virtuaalreaalsuse seadme nimega PlayStation Move. Need seadmed kasutavad virtuaalreaalsust selleks, et kontrollida avatari mängu sees, kus avatar kopeerib mängija liikumist. See tähendab, et mängija ei ole päriselt virtuaalreaalses maailmas.[Bates-Brkljac, Nada (2012). Virtual Reality. New York: Nova Science Publishers, Inc. p. 53. ISBN 9781614702467]

Kasutusalad

Meditsiiniline õpe

VR-peaseadmeid kasutatakse meditsiinis õppevahendina kirurgiaõppes. See võimaldab arstitudengitel sooritada olulisi protseduure virtuaalses, kontrollitud keskkonnas. Õpilased sooritavad operatsioone virtuaalse patsiendi peal, mis võimaldab tudengitel omandada vajalikud oskused, et sama edukalt sooritada kirurgilisi operatsioone ka päris patsiendi peal.[38] Operatsioone saab uuesti vaadata erinevatest vaatenurkadest, nagu peakirurgi vaatepildist.[39]

Varem on tudengid osalenud operatsioonidel, kuid tihtipeale jäävad neil olulised nüansid märkamata. VR-peaseadmeid kasutades saab tähtsad kohad eraldi välja tuua ja üle vaadata – selleks saab näiteks protseduure peatada, tagasi või edasi kerida. Kasutatakse ka reaalaja simulatsioone, kus saab riskivabalt harjutada erinevaid tehnikaid operatsioonideks.[40]

VR-peakomplektid aitavad teraapias. Vaimse tervise probleemide puhul on VR teraapiast olnud kasu sümptomite leevendamisel. VR on aidanud patsientidel üle saada hirmust, ärevusest, paanikast ning akrofoobiast. Näiteks näidati ühele patsiendile virtuaalset ämblikut iga päev 50 minutit 12 nädala vältel. Virtuaalreaalsust on samuti kasutatud treeningutes. Paljud treeningprogrammid ja sportmängud olid juba loodud. Teraapia läbimine aitas patsiendil saavutada kontrolli oma hirmude üle. Hirmudega kokkupuute vältel jälgiti patsientide mõtteid, tundeid, lihaspingeid ja südame löögisagedust. Virtuaalreaalsus omab psüholoogilisi printsiipe kognitiiv-käitumislikust teraapiast, neurobioloogiast, neurofüsioloogiast, eksistentsialismist ja psühhodünaamilisest kontseptualiseerimisest ning teadmisi käitumuslikust neuroteadusest. VR-peaseade aitas patsientidel saada emotsionaalset leevendust nende igapäevastest ravimitest.

Sõjandusõpe

USA maaväe-, õhujõu- ja mereväeüksused on kasutanud virtuaalreaalsuse peakomplekte sõjaliseks väljaõppeks,[41] mis on eriti kasulik, kuna sõdureid ei panda reaalsesse ohtu.[42]

Virtuaalreaalsuse peaseade võimaldab sõjaväe personalil suhelda sealses keskkonnas, et olukorrad oleks võimalikult reaalsed. Virtuaalreaalsuse keskkond võimaldab suhelda omavahel ja sooritada erinevaid tegevusi, et situatsioonid oleksid võimalikult reaalsed. VR-komplekti kasutamise positiivseks omaduseks sõjaväes on see, et saab läbi mängida erinevaid situatsioone mitmeid kordi, kasutamata sõjaväe varustust – odavam. VR-komplekti puudusteks on asjaolu, et see on kasutatav ainult sisetingimustes, rahulikus keskkonnas – see ei ole sõdurite jaoks tavaline treening kuna nad ei oma militaarset varustust. VR-peakomplekti omamise eelisteks on situatsioonide mitmekordne läbimängimine ja kulude vähenemine, sest sõjavarustust ei ole tarvis.[43]