واقعیت مجازی (VR) چگونه کار می کند؟

VR چگونه کار می کند؟ چگونه یک هدست واقعیت مجازی باعث می شود که شما تصور کنید داخل یک سفینه فضایی در یک کهکشان دورافتاده نشسته اید، در حالی‌که درواقع پشت میز آشپزخانه تان در حال تکان خوردن هستید؟ ما در آی تی ویکی توضیح خواهیم داد که با ارتقا و گسترش دستگاه های VR چگونه این اتفاق خواهد افتاد؟

در حالی که دستگاه ها به طور کلی به شکل مشابهی طراحی می شوند اما روند تصویربرداری مقابل چشمان ما بسیار متفاوت است.

عملکرد دستگاه هایی مانند HTC Vive و  Oculus Rift مبتنی بر کامپیوترهاست اما شرکت هایی مانند Google و Samsung هدست های ارزان قیمت‌تری که با گوشی‌های هوشمند کار می کنند را پیشنهاد داده‌اند. شرکت سونی همچنین با کنسول پلی استیشن VR خود سر و صدا کرده است.

واقعیت مجازی مستقل، مقوله‌ای است که بیشتر راجع به آن خواهید شنید. در سال ۲۰۱۸ شرکت Oculus، اقدام به راه اندازی Oculus Go خواهد کرد. همچنین انتظار می‌رود هدست مستقل Daydream شرکت Lenovo نیز عرضه شود.

هنگامی که هدست و منبع انرژی فراهم شود، نوعی از ورودی نیز برای اتصال شما لازم است. این ورودی می تواند ردیابی حرکات سر، کنترلرها، ردیابی انگشتان دست، صدا، دگمه های روی دستگاه و یا ترک پد باشد.

غوطه وری در واقعیت مجازی به این معناست که کسی که یک هدست واقعیت مجازی را می سازد و بازی یا اپلیکیشنی را در آن مدنظر قرار می‌دهد، تجربه ی واقعیت مجازی را به گونه‌ای برایمان خلق کند که کامپیوتر، کلاهی که روی سر قرار می‌دهیم و کلیه ی لوازم جانبی را به فراموشی بسپاریم و طوری عمل کنیم که گویی در دنیای واقعی هستیم. اما چگونه باید به این احساس برسیم؟

اصول اولیه

هدست های VR مانند Oculus Rift و VR پلی استیشن اغلب به صورت HMD ارائه می شوند که نمایشگر آن ها به شکل سربند است (head-mounted display).

تنها با نگه داشتن گوگل کاردبورد به منظور گرفتن صفحه نمایش گوشی هوشمند مقابل چهره تان و بدون هیچ گونه ردیابی صوتی و حرکات دست، کافی است تا در دنیای مجازی غرق شوید. هدف این است که آنچه برای ما نمایش داده می‌شود با همان اندازه‌ای که در دنیای واقعی می‌بینیم، در یک محیط مجازی سه بعدی و بدون مرزهایی که معمولا صفحه نمایش تلویزیون یا کامپیوتر برایمان ایجاد می کنند، نشان داده شود.

از این رو هر چیزی را که می‌بینید از طریق صفحه نمایشی که روی چهره‌تان قرار می‌گیرد درک می‌کنید. این عملکرد واقعیت مجازی برخلاف عملکرد واقعیت افزوده است که گرافیک‌ها را به عناصری که در دنیای واقعی می‌بینید اضافه می‌کند.

در مورد هدست‌هایی مثل HTC Vive و Rift، ویدیو از طریق یک کابل HDMI، از یک کنسول یا کامپیوتر به هدست فرستاده می شود. اما در هدست Google’s Daydream و واقعیت مجازی Samsung Gear ویدیو از طریق گوشی هوشمند به هدست ارسال می‌شود.

هدست‌های VR از دو فید که به یک صفحه نمایش‌ ارسال می‌شوند و یا دو نمایشگر LCD برای هر چشم استفاده می‌کنند.

همچنین لنزهایی وجود دارند که بین شما و پیکسل‌ها قرار می‌گیرند که به همین خاطر goggle (نوعی عینک) نامیده می‌شوند. در برخی موارد تنظیمات می‌تواند به گونه‌ای باشد که با فاصله‌ی چشم‌ها از فردی به فرد دیگر مطابقت داشته باشد.

این لنزها فوکوس می‌کنند و وضعیت تصویر را برای هر چشم تغییر داده و با استفاده از تصاویر دو بعدی یک تصویر سه بعدی برجسته ایجاد می کنند تا چشم‌های ما پیرامون را به صورت واضح ببینند. سعی کنید یکی از چشم ها را ببندید و سپس اشیای اطراف را جوری ببینید که گویی شناورند، بدین ترتیب شما می‌توانید ایده‌ای را که برای ساخت این تصاویر استفاده می‌شود را درک کنید.

یکی از مهمترین روش‌هایی که هدست‌های VR می‌توانند غوطه‌وری در واقعیت مجازی را افزایش دهند، میدان دید است به این معنی که تصویر چقدر وسیع باشد؛ صفحه نمایش ۳۶۰ درجه بسیار گران و غیر ضروری است.

بیشتر هدست‌های با کیفیت بالا میدان دید ۱۰۰ یا ۱۱۰ درجه دارند که به اندازه کافی گسترده هستند تا انتظارات ما را برآورده کنند.

برای اینکه تصاویر تحت هر شرایطی قابل استفاده باشند نرخ فریم حداقل ۶۰فریم بر ثانیه مورد نیاز است تا بتواند در درمان لکنت زبان و بیماری کاربران مورد استفاده قرار گیرد. محصولات فعلی هدست های VR به مراتب فراترند مثلا Oculus، فریم ریتی برابر با ۹۰fps دارد در حالی که پلی استیشن VR سونی، فریم ریت برابر با ۱۲۰fps را مدیریت می‌کند.

ردیابی حرکات سر

ردیابی حرکات سر به این ترتیب است که زمانی که شما یک هدست VR را روی سرتان قرار می‌دهید و سرتان را به سمت بالا، پایین، طرفین و با هر زاویه‌ای حرکت می‌دهید، تصویر مقابلتان متناسب با آن حرکت کند.

یک سیستم با شش درجه آزادی تعریف می‌شود که موقعیت سرتان در راستای محورهای X، Y و Z را تعیین می‌کند تا میزان حرکات سرتان به سمت جلو، عقب و طرفین را اندازه‌گیری کند.

اجزای داخلی به کار رفته در سیستم ردیابی حرکات سر می‌تواند متفاوت باشد. به عنوان مثال از ژیروسکوپ، شتاب سنج و مغناطیس سنج استفاده می‌کنند. همچنین PS VR سونی با استفاده از ۹ لامپ LED در اطراف هدفون، و با یک دوربین خارجی که سیگنال را نظارت می‌کند، حرکات سر را تا ۳۶۰ درجه ردیابی می‌کند، در حالی که Oculus دارای لامپ نورانی نیست.

تکنولوژی ردیابی حرکات سر برای اینکه موثر باشد نیاز دارد که زمان پاسخ کوتاهی داشته باشد. منظور ما زمانی در حدود ۵۰ میلی ثانیه است و یا زمانی که وقتی موقعیت سرمان را عوض می‌کنیم یا محیط VR تغییر کند توانایی تشخیص داشته باشد.

Oculus Rift زمان پاسخ قابل توجهی در حدود ۳۰ میلی ثانیه دارد. زمان پاسخ همچنین می‌تواند یک مسئله‌ی قابل طرح برای هرگونه سیستم ردیابی حرکتی دیگر مانند کنترلرهای حرکتی PS که حرکات دست و انگشتان ما را اندازه‌گیری می‌کنند نیز باشد.

در نهایت می توان برای افزایش حس غوطه وری در واقعیت مجازی از هدفون ها استفاده کرد. توسعه دهندگان بازی‌ها و اپلیکیشن‌ها می توانند از صدای دوبعدی یا سه بعدی برای تکنولوژی هدست‌های ردیابی‌کننده‌ حرکات سر استفاده کنند تا فردی که این هدست‌ها را روی سر خود قرار می‌دهد صداهایی را که از پشت سر یا اطراف و یا از فاصله‌ی دور می‌آید را احساس کند.

ردیابی حرکات

ردیابی حرکات سر امتیاز ویژه ای است که هدست‌های مدل پرمیوم نسبت به انواع دیگر مثل کارت بردهای هدست‌های موبایل‌ها دارند اما دست اندرکاران VR هنوز در حال کار کردن روی ردیابی حرکات هستند. هنگامی که با یک هدست VR به پایین نگاه می‌کنید، اولین چیزی که می خواهید ببینید این است که دستان خود را در یک فضای مجازی مشاهده کنید.

برای مدت‌ها، ما شاهد یک ابزار جانبی به نام Leap Motion که جلوی کیت‌های دستگاه Oculus نصب می‌شد بوده ایم که از حسگر مادون قرمز برای ردیابی حرکات دست استفاده می کرد. همچنین چندین بار دوربین‌های Kinect 2 را که نوسانات و حرکات بدن ما را ردیابی می‌کرد امتحان کردیم. اما اکنون گزینه های ورودی شگفت انگیزی از Oculus، Valve و سونی وجود دارد.

در Oculus Touch مجموعه‌ای از کنترلرهای بی‌سیم طراحی شده است که به شما این امکان را می‌دهد تا از دستتان در VR استفاده کنید. شما هر کنترلر را در دستتان می‌گیرید و از دکمه‌ها، انگشتان شست خود و یا ماشه در طول بازی‌های VR استفاده می‌کنید.

به عنوان مثال، برای شلیک یک اسلحه شما باید با دست روی ماشه فشار وارد کنید. همچنین برای تشخیص حرکاتی مانند اشاره و تکان دادن، در هر کنترلر یک حسگر وجود دارد.

این تنظیم بسیار شبیه به سیستم ردیاب موقعیت Valve و کنترلرهای HTC برای هدست Vive است. این سیستم شامل دو نقطه ی مکانی مشخص در اتاق است که با کمک لیزر، میدان دید را تغییر می‌دهد. این سیستم می تواند موقعیت دقیق سر و دست‌ها را بر اساس زمانی که به هر سنسور فتوسل روی هر هدست و اطراف هر کنترلر دستی ضربه می زنند، شناسایی کنند.

همانند Oculus Touch، این سیستم نیز دکمه های فیزیکی استفاده می کند و به طرز باور نکردنی می توانید دو سیستم Lighthouse را در همان فضا برای ردیابی چندین کاربر داشته باشید.

سایر روش ها می تواند شامل موارد زیر باشد: کنترلرهای ایکس باکس یا جوی استیک متصل به کامپیوترتان، کنترل های صوتی، دستکش های هوشمند و تردمیل هایی مانند Virtuix Omni، که به شما امکان شبیه سازی قدم زدن در محیط VR بازی را با تغییر حرکت به صورت هوشمندانه می دهد.

زمانی که ردیابی موقعیت فیزیکی شما در محدوده ی یک اتاق انجام می‌شد، Oculus تجربه ای را برای مطابقت با  HTC Vive که نمی توانست ردیابی را در خارج از فضای اتاق انجام دهد پیشنهاد می‌دهد. صاحبان Rift اکنون گزینه ای برای خرید یک سنسور سوم به ارزش ۷۹ دلار و اضافه کردن پوشش بیشتری به منطقه VR خود دارند.

با این وجود همچنان مشکل عدم تطابق با HTC وجود دارد. در حالی که دو سنسور SteamVR، فضایی که می‌تواند برای HTC Vive ردیابی شود را تا ۲۲۵ فوت مربع پوشش می‌دهند.

دو دوربین سنسور Constellation از Oculus تنها ۲۵ فوت مربع را پشتیبانی می‌کند و دوربین سوم این فضا را تا ۶۴ فوت مربع افزایش می‌دهد. این مقادیر ممکن است با هدست مستقل با کیفیت شرکت Oculus Santa Cruz تغییر کند.

سونی هم به دنبال پتنت های جدید در این حوزه است. ضبط جزئیات سیستم ردیابی VR بر اساس نور و آینه است که از یک پرتو برای تعیین موقعیت شخص استفاده می‌کند. هرچند که مشخص نیست آیا این ویژگی در دستگاه فعلی ظاهر می شود یا در نمونه های بعدی PSVR (و یا شاید هرگز)، اما در این مرحله استدلال به این صورت است.

ردیابی حرکات چشم

ردیابی چشم احتمالا آخرین قطعه از پازل واقعیت مجازی است. این امکان درحال حاضر برای Rift، Vive یا PS VR وجود ندارد اما در هدست VR مربوط به FOVE بسیار محتمل است. ما همچنین تکنولوژی ردیابی حرکات چشم شرکت Tobii را در HTC Vive دیدیم. اما این روش به چه صورتی کار می‌کند؟

یک حسگر مادون قرمز درون هدست قرار دارد بنابراین FOVE حس می‌کند که شما به واقعیت مجازی نگاه می‌کنید. مزیت اصلی آن این است که علاوه بر اینکه شخصیت های درون بازی به چیزی که با چشم دنبال می‌کنید به طور دقیق واکنش نشان می‌دهند، عمق میدان دید واقعی‌تر است.

در هدست‌های استاندارد VR، همه چیز به صورت دقیق اتفاق می‌افتد و به صورتی نیست که ما در جهان واقعی تجربه می‌کنیم. برای مثال، اگر چشم ما به یک شی که از ما فاصله دارد نگاه کند، پیش زمینه تار می شود و بالعکس.

به وسیله ی ردیابی حرکات چشم‌های ما، موتور گرافیکی FOVE می تواند این نوع تصاویر را در یک فضای سه بعدی در VR شبیه سازی کند. هدست ها هنوز هم به نمایشگرهای با رزولوشن بالا نیاز دارند تا جلوی شطرنجی دیدن تصاویر را بگیرند. همچنین چشم ما نیاز دارد تا در حد امکان همه چیز را به صورت واقعی که در جهان وجود دارد ببیند.