Virtuální realita

Stejně jako například film, kniha, hudba, tanec nebo obraz je i virtuální realita médiem. Toto médium je stejně jako každé jiné vhodné pro přenos myšlenek a nápadů. Virtuální realita je definována pomocí snahy o vnoření (tzv. imerzi) uživatele do virtuálního světa. Nicméně právě díky poněkud spornému slůvku „snaha“ existuje několik různých přístupů k pojetí virtuální reality.

Virtuální realitu je možné vnímat pomocí umělého prostoru vytvořeného elektronickým zařízením, typicky počítačem. Do takové definice spadá vše, co děláme od okamžiku zapnutí počítače až po okamžik jeho vypnutí. Pak můžeme připustit, že virtuální realitou je dokonce třeba i prostor, v němž na ulici kupujeme jízdenky na tramvaj. Na virtuální realitu však můžeme nahlížet také z hlediska úrovně vtažení a obklopení jejího uživatele. Někteří autoři tvrdí, že ta „pravá“ virtuální realita vzniká až v okamžiku, kdy si uživatel může objekty osahat. Virtuální realita je tedy potom umělý prostor, který obklopuje uživatele, v němž lze interaktivně manipulovat s virtuálními objekty.

Využití CAVE a HMD

V podnikové praxi využívá mnoho podniků laboratoř virtuální reality čili computer aided virtual environment (zkráceně CAVE, česky také jeskyně). Konstrukčně mohou být takové laboratoře realizovány různě. Prakticky se většinou jedná o stereoskopickou projekci (tzv. opravdickou neboli true 3D) pozorovanou pomocí 3D brýlí. Pokud se jedná o projekci na jediné plátno, jedná se o tzv. powerwall. Často se však používá i projekce ze stran, na podlahu i na strop. Každá z těchto dílčích projekcí je řízena vlastním procesorem. Všechny řídicí počítače jsou pak propojeny do multiclusteru a řízeny buď síťově, nebo v případě „extrémních“ projekcí, například v rozlišení 4K, jsou na každou projekční stěnu přímo propojeny grafické karty. Doplňkově se může využít namísto pláten i soustavy zrcadel nebo speciálních čoček. Tímto je naplněn aspekt vizualizační. Aby byl naplněn i aspekt interakční, je v rámci těchto laboratoří připojováno i tzv. trackovací zařízení. Jedná se o haptickou pomůcku, pomocí které má uživatel možnost se volně pohybovat ve virtuálním prostoru. Senzor bývá umístěn na hlavě uživatele, díky čemuž dochází k úpravě perspektivy projekce dle pozice a úhlu náklonu hlavy, a to ve všech směrech. Laboratoř virtuální reality na katedře průmyslového inženýrství a managementu na Západočeské univerzitě v Plzni (dále ZČU/KPV), která disponuje výše popsaným, je možné vidět na obrázku 1.

Obr. 1: Laboratoř virtuální reality na katedře průmyslového inženýrství a managementu v Plzni

Jako alternativa k projekcím v laboratořích se jeví zobrazení pomocí náhlavních displejů (tzv. HMD – head mounted displays). Uživatel si na hlavu nasadí speciální helmu s dvojicí displejů umožňující vnímání hloubky obdobně jako u klasické stereoskopické projekce. Výhodou tohoto řešení je snadná manipulovatelnost, a tedy například možnost ověřování přímo na dílně. Pokud je odhlédnuto od softwarového obsahu, jedná se o řešení s přibližně desetinovými pořizovacími náklady v komparaci s řešením CAVE. Stále se však nákladově pohybujeme okolo částky deset tisíc eur.

Praxe naznačuje, že i s ohledem na pořizovací cenu generují poptávku po takovém vybavení zpravidla větší společnosti působící převážně v oblastech automobilového, lodního a leteckého průmyslu. V posledních letech lze na trhu zaznamenat rapidní zlevňování speciálních hardwarových prostředků a příliv nových zařízení. V souvislosti s tím dochází k růstu zájmu o takováto řešení také ze strany menších společností. 3D projektor stojí řádově dvacet tisíc korun a náhlavní displej Oculus Rift se v červnu začne prodávat za osm tisíc korun. Na obrázku 2 je možné vidět levné plně imerzní řešení, které bude k dispozici koncem letošního roku.

Obr. 2: Řešení pomocí Oculus Rift, Omni VR a zařízení KINECT

Zaměříme-li se na možnosti aplikace v rámci výrobních společností, jedná se například o využití v následujících oblastech:

• Rychlá validace konstrukce – pomocí vizualizace v CAVE nebo HMD jsou k dispozici aktuální data, není třeba čekat na výrobu nákladného prototypu.
• Kontrola designu – efektivně a rychle lze měnit barvy, textury, osvícení scény atp.
• Simulace a kontrola obtížně opakovatelných situací – několikrát lze replikovat stejnou scénu (např. jízda vozu na dané ulici při určitých podmínkách počasí) bez bezpečnostních rizik (např. test řízení pod vlivem alkoholu či omamných látek).
• Ověřování ergonomičnosti konstrukce – virtuální prototypy mohou být kombinovány se skutečnými modely, které je možné rychle přestavit tak, aby se uživatel „dotýkal“ skutečného i virtuálního prostoru zároveň. Lze tedy například rychle ověřit intuitivnost ovládání produktu, provádět různé ergonomické analýzy při využívání produktu atp. Figurant může mít na různých částech těla senzory, které snímají jeho pohyb v reálném čase (motion capture), tyto pak lze analyzovat.
• Ověřování ergonomičnosti pracoviště – pokud jsou k dispozici 3D modely komponent pracoviště, je možné v CAVE (popř. HMD) ověřit ergonomičnost fyzicky neexistujícího pracoviště.
• Virtuální trénink – v CAVE (popř. HMD) je možno vycvičit nové zaměstnance bez rizika ztráty drahého vybavení či materiálu.

Každá společnost využívající dané technologie rozšiřuje tyto možnosti o další aplikace, jako je například vizualizace analýzy smontovatelnosti dílů nebo vizualizace analýzy odrazů a mrtvých úhlů. Mnoho předních společností díky obdobným novým řešením téměř eliminovalo nutnost stavby fyzických prototypů a zefektivnilo ověřování konstrukce nových produktů či rozložení pracovišť. Další přidaná hodnota je marketingová, kdy například společnost Ford založila celoplošnou reklamní kampaň na sloganu ve smyslu „používáme tyto technologie, tedy děláme to lépe“ (viz obrázek 3).

Obr. 3: Ověřování jízdních vlastností – společnost Ford

Tvorba virtuálního obsahu

Každý větší výrobce konstrukčního softwaru nabízí pro prohlížení a validaci konstrukčních 3D modelů individuální, často poměrně nákladné řešení. Tak například rozšířená licence na software TeamCenter VisMockUp umožňuje prohlížení modelů ve formátu JT s možností plnohodnotné virtuální prohlídky. Za speciální profesionální řešení pak jmenujme například software IC.IDO, který umožňuje import mnoha formátů a tvorbu vlastních scénářů.

Vytvoření individuálního virtuálního obsahu vhodného pro využití popisovaných speciálních hardwarových prostředků často zahrnuje složitou tvorbu softwaru na úrovni softwarového projektu vyžadující intenzivní kooperaci programátorů a grafiků. Naštěstí již existují „stavebnicová“ softwarová řešení, která pomáhají vytvořit virtuální obsah. Za pionýra těchto tzv. sandbox systémů lze považovat SW Virtools, v němž byla vytvořena například simulace stavby pyramid. Moderněji lze vytvářet a skriptovat interakce ve virtuálním prostředí například pomocí vývojových prostředí Unreal Development Kit nebo Unity3D, která jsou navíc levná i pro komerční využití. Unikátní softwarová architektura na míru, která slouží uživateli pro tvorbu vlastních virtuálních prostředí výrobních podniků, vznikla na ZČU/KPV pod názvem Digitov. Zde bylo využito Source Enginu známého například z počítačových her Half-Life2 nebo CounterStrike, který byl doplněn o nové 3D modely, textury, logiku a řízení interakcí. Díky tomu mohlo vzniknout mnoho interaktivních simulací výrobních podniků (ukázka na obrázku 4), které je možné využívat pro laboratoř virtuální reality.

Obr. 4: Ukázka virtuálního prostředí vytvořeného pomocí architektury Digitov

V rámci tohoto unikátního prostředí je možné vytvářet vlastní vizualizace kompletních výrobních podniků za účelem plně interaktivních virtuálních prohlídek a virtuálních tréninků. Layout lze buď ručně namodelovat, nebo je možné využít vytvořeného nástroje pro import layoutů ze softwaru VisTable.

Virtuální trénink a návodka pomocí rozšířené reality

Pojem rozšířená realita (augmented reality) není natolik známý jako pojem virtuální realita. Jedná se o techniku doplňování reálného obrazu o virtuální prvky. Zatímco jedna z definic připouští i doplnění o dvojrozměrnou překryvnou informaci, jako je například aktuální stav hokejového zápasu, druhá definice připouští pouze doplnění scény o trojrozměrné modely. Dnes není problém doplňovat 3D objekty do skutečné scény často snímané kamerou nebo webkamerou přímo v reálném čase. Takto je například možné promítat na displej mobilního telefonu okolní krajinu doplněnou o pozice blízkých památek [4], letadel na obloze nebo souhvězdí. Některé navigační systémy umožňují vizualizaci pomocí rozšířené reality.

Hardwarové prostředky pro využití rozšířené reality jsou poměrně levné, postačí chytrý mobilní telefon, tablet nebo PC s webkamerou. V rámci sofistikovanějších řešení je pak využíváno poloprůhledných brýlí. Pomocí takových brýlí společnost BMW umožňuje servis svých vozidel (obr. 5). Opravář si nasadí poloprůhledné brýle, v nichž je možné vidět jednak okolní svět, ale také 3D modely, které představují kroky dílčího servisního zásahu. Hlasem jsou pak ovládány funkce, jako je přechod na další krok pracovního postupu nebo informace o nástroji, jehož použití je aktuálně nezbytné.

Obr. 5: Interaktivní oprava pomocí poloprůhledných brýlí

Pro běžné podniky je ovšem pořízení takových brýlí poměrně nákladné. První komerční alternativou jsou brýle Google Glass, u nichž se pořizovací cena pohybuje okolo patnácti set dolarů. Plná funkčnost těchto brýlí je však zatím zajištěna pouze v USA a podléhá pravidelným měsíčním poplatkům. Nicméně vzhledem k představení alternativních řešení ze strany dalších společností v roce 2014 lze reálně očekávat možný budoucí pokles ceny Google Glass.

Za účelem zaškolování nových zaměstnanců a posuzování ergonomičnosti pracoviště bylo na ZČU/KPV vytvořeno vlastní obdobné řešení bez využití brýlí (obr. 6). Pracoviště je snímáno z boku webkamerou s funkcí autofokus. Na viditelném místě pracoviště je umístěna značka, kam je promítán 3D model a slovní popis aktuálního montážního kroku. V další verzi se předpokládá u každého zásobníku přidání 3D šipek značících, kam pro každý díl sáhnout.

Obdobná řešení jsou využívána pro montáže, údržbu a servis. V případě servisu speciálních produktů může toto řešení znamenat zaslání dat namísto montážní skupiny. V současné době vznikají obdobná řešení umožňující navigaci po dílně a interaktivní vyskladňování.

Obr. 6: Interaktivní návodka – řešení ZČU/KPV

Zhodnocení

Využití prostředků virtuální a rozšířené reality zcela zásadně mění, v pozitivním slova smyslu, dílčí podnikové procesy. Tyto prostředky je vhodné využít zejména jako podporu pro fázi tvorby prototypu, ověřování ergonomie a tréninku zaměstnanců. Obecným problémem při zavádění novinek je rozšířená obava ze změn, neochota zaměstnanců učit se novým věcem a nutná potřeba podniku disponovat specialisty schopnými spravovat tato zařízení.

Zdroje a zajímavé odkazy

• [1] Oculus Rift, Omni VR a Kinect – http://www.extremetech.com/gaming/174661-valve-announces-steamvr-an-oculus-rift-mode-for-steam (dostupné v březnu 2014)
• [2] Virtuální realita ve společnosti Ford – http://www.istartedsomething.com/20120829/ford-australia-launches-virtual-reality-centre/
• [3] Horejsi, P., Polcar, J.: An Unconventional Software Environment for Fctory Layout Design and Automated Converter, MM Science Journal, December 2013 – http://www.mmscience.eu/content/www_mmscience_cz_201316.pdf (dostupné v březnu 2014)
• [4] Aplikace pro rozšířenou realitu – http://www.wikitude.com/ (dostupné v březnu 2014)
• [5] Google Glass na české Wikipedii – http://cs.wikipedia.org/wiki/Google_Glass (dostupné v březnu 2014)
• [6] Oprava vozu BMW pomocí rozšířené reality – http://www.designboom.com/cars/bmw-augmented-reality-to-help-with-car-repairs/ (dostupné v březnu 2014)

Ing. Petr Hořejší, Ph.D. Autor působí na katedře průmyslového inženýrství a managementu na Západočeské univerzitě v Plzni. Od roku 2010, kdy došlo k vybudování laboratoře virtuální reality na domovském pracovišti, se zabývá praktickým využitím virtuální reality v podnicích, intenzivně spolupracuje s praxí a pedagogicky působí nejen na domácí univerzitě, ale také v zahraničí. Od roku 2011 garantuje a přednáší specializovaný předmět Digitální podnik a virtuální realita.