Ponořte se do dat!

Michal Černý  |  Věda
Ponořte se do dat

Virtuální realita umožňuje zažít to, co by jinak bylo nedostupné – třeba řídit pohyb sondy Pathfinder na Marsu, pilotovat letoun F-15 nebo se ponořit do nanosvěta atomů a molekul. V posledních několika letech zažívá tato technologie nebývalý vzestup. Představte si, že jste ve firmě Škoda Auto v Mladé Boleslavi a stojíte před podivuhodnou konstrukcí kvadratického tvaru, složenou ze čtyř stěn. Máte tak trochu strach do instalace vkročit, protože tušíte, že tohle technologiemi nabité zařízení může být do značné míry nebezpečné.

Jde o takzvaný CAVE (Computer Aided Virtual Environment), vybavený digitálními projektory a spoustou dalších technologií, které vás dokážou zcela odstřihnout od této reality a stáhnout vás do virtuálního světa digitálních obrazů. Nasadíte si speciální stereoskopické brýle a s roztřesenýma nohama vkročíte dovnitř. V tu chvíli vám před očima exploduje virtuální 3D prostor. Spatříte modely automobilů, tak realistické a vyvedené v jasných barvách, že si na ně chcete sáhnout – ruka jimi však projede a mávne do prázdna. Jedna z octavií se zastaví před vámi, přední dveře se otevřou a vy se tak můžete podívat do interiéru. Zkusíte upravovat třeba vzdálenost volantu od sedadla řidiče, posunovat řadicí páku nebo dát celému interiéru jiné barevné varianty. Je to úžasná iluze! Na mysli vám vytanou scény popisované v románu Virtuální světlo od Williama Gibsona.

Totální pohlcení

CAVE je jednou z instalací, která je v současnosti používaná pro takzvanou imerzivní virtuální realitu. Slůvko „imerzivní“ pochází z anglického „immersion“ a znamená ponoření. Vstup do takové instalace krychlového, sférického nebo elipsoidního tvaru bezpochyby znamená totální pohlcení uměle vyprodukovaným světem. High-tech jeskyně disponuje promyšleným zvukovým systémem, kromě toho může být vybavena trackingem, kdy vás sledují kamery, takže digitální prostředí reaguje i na to, jak se pohybujete. Všude kolem vás jsou na stěny promítány 3D stereoskopické obrazy, máte-li tedy nasazeny speciální brýle, vidíte vše trojrozměrně, podobně jako to známe z digitálních kin. Všechny tyto technologie dokážou dokonale „oblafnout“ vaše smysly a nalhat vám, že se ocitáte třeba kdesi v hlubinách oceánu v Mariánském příkopu, na vrcholku Mount Everestu nebo v centru naší Galaxie.

Projekce umožňují spolupráci

Není bez zajímavosti, že v současnosti zažíváme druhé období velkého boomu virtuální reality. Ten první nastal v nadšených pionýrských dobách let 1997–98, kdy se zdálo, že veškerý vývoj směřuje k využití virtuálních přileb – uživatel si zkrátka na hlavu nasadil helmu, před oběma očima se mu tak ocitly dva malé displeje, takže se tímto způsobem přenesl do 3D prostředí. Postupem času se však ukázalo, že přilby přinášejí řadu nevýhod. Helma je totiž velká a těžká, takže se její uživatel stával poněkud nemotorným, vedou z ní kabely, a když si ji lidé nasadili, dost často se jim dělalo špatně od žaludku z důvodu zpoždění renderingu virtuálního obrazu za pohybem hlavy. Kromě toho u přileb nebylo možné zajistit dokonalé periferní vidění.

„Přilby si dnes našly uplatnění u velmi specifických záležitostí,“ uvádí Jan Buriánek, expert na virtuální realitu z firmy AV Media, „například v případech, kdy je potřeba použít přenosnou projekci, nebo třeba ve hrách.“ Na začátku třetího tisíciletí, kdy prožíváme období druhého boomu virtuální reality, jednoznačně zvítězila technika projekcí. Její hlavní předností je skutečnost, že umožňuje sdílenou spolupráci více lidí, zatímco přilby vlastně uživatele odřezávaly od sebe, byly určeny pouze pro jednotlivé uživatele. Účastníků, kteří mají nasazené stereoskopické brýle, se do virtuální projekční instalace typu CAVE vejde samozřejmě víc, a mohou tak spolupracovat například na vývoji digitálního prototypu auta nebo třeba na hledání nových léků či genovém inženýrství.

Ve většině odborných využití virtuální reality zvítězily nad přilbami 3D projekce.

Stoly, stěny a místnosti

Technika projekcí umožňuje sestavit velké množství různých provedení a konfigurací virtuální reality. Ta nemusí znamenat totální imerzi v ďábelské počítačové jeskyni, ale může být odstupňována podle toho, do jaké míry chceme být do umělého prostředí vtaženi. 3D obraz tedy může být promítán například na virtuální stůl (může na něm být zobrazen model lidského těla a sloužit tak například pro vzdělávání lékařů) nebo na jednoduché stěny.

V souvislosti s tím také vyvstává otázka definice virtuální reality, tedy toho, co tato technologie je a co už není. Přestože není zrovna zábavné vymýšlet definice, pro pořádek se o to pokusíme. „Kdybych měl jmenovat tři hlavní pojmy, které s virtuální realitou souvisejí, byly by to především: trojrozměrná scéna, zobrazení v reálném čase a interakce,“ uvádí Jiří Žára z ČVUT. Podle této definice tedy do virtuální reality nemůžeme zahrnovat například 3D digitální kina, protože nesplňují podmínku interaktivity – samozřejmě je třeba dodat, že prozatím.

Nejstarším a nejrozšířenějším způsobem využití virtuální reality jsou letecké simulátory.

Interaktivní kino na dohled

Digitální kina mohou být už dnes také vybavena interaktivním prvkem. Nedávno byl v Děčíně prezentován koncept digitálního interaktivního kina, kdy se součástí 3D scény stala postavička moderátora, která se vznesla nad diváky a uváděla pořad či prezentaci. „Interaktivní kino je dnes už v podstatě realitou, jde jen o to, kdy se začne používat v širším měřítku,“ tvrdí Jan Buriánek. Stereoskopické brýle, které v takovém digitálním kině vyfasujete před projekcí, mohou být buď aktivní, nebo pasivní.

Aktivní brýle jsou technologicky náročnějším a dražším zařízením, mají v sobě zabudovaný snímač infračervených impulzů (ty jsou zezadu vysílané do plátna), podle těchto impulzů v obrovské rychlosti zakrývají pravé a levé oko, čímž je zajištěno, že se do každého oka dostane jiný obraz a vznikne tak 3D vjem. Pasivní brýle jsou levnější, používají se například v pražském kině IMAX. Pasivní brýle separují obraz pomocí principu polarizace (například RealD) nebo barevnou filtrací (například INFITEC, Dolby 3D). Díky speciální filtraci na projektorech je zajištěno, aby se do každého oka dostal mírně posunutý obraz.

Poškozují 3D kina zrak?

Oba tyto principy mají své výhody a nevýhody. Obecně je možné říct, že aktivní brýle se příliš neosvědčily pro projekci filmů v digitálních kinech, zatímco jsou vhodné spíše pro seriózní vědecký výzkum a spolupráci v imerzivních facilitacích typu CAVE. Jaké jsou důvody? Aktivní brýle (například technologie XpanD) jsou dražším a technologicky náročnějším digitálním zařízením, které diváci v kinech mohou snadno poškodit nebo třeba i ukrást. Kromě toho u aktivních brýlí může vyvstávat ještě jeden vážnější problém.

„Je pravda, že zatím nikdo jasně neprokázal žádné velké negativní účinky infračerveného záření na zrak,“ říká Jan Buriánek. „Infračervené impulzy, které spínají aktivní brýle, jsou dost silné, snažíte se, aby tam nedošlo k zákrytům, a v podstatě to divákům záříte do očí. Může to být problém, obzvlášť kdyby lidé chodili do takového 3D kina často. Jasný důkaz pro to zatím chybí, ale rozhodně bych tento fakt u aktivních brýlí do budoucna nepodceňoval.“

Pomocné zařízení Virtusphere umožňuje chůzi v kyberprostoru.

Ocitnout se na Marsu

Jaké je praktické využití virtuálních technologií? Je nasnadě, že pokud se podaří zkonstruovat alternativní digitální prostředí, které je – řečeno slovy teoretiků kyberprostoru – tak říkajíc „tekuté“ a umožňuje nejrůznější experimenty, pole možných aplikací bude velmi široké. V současnosti sahá využití od léčby psychických poruch a fobií, třeba arachnofobie, přes vojenské simulátory letadla JAS-39 Gripen až po plánování náročných operací čelisti nebo nejrůznější odvázané aplikace ve fantaskním světě umění.

„Nasazení virtuálních technologií by se dalo rozdělit do dvou hlavních oblastí,“ říká Jan Buriánek. „Zaprvé to může být takzvaná teleimerze, kdy se uživatelé vnořují do prostředí, kde by jinak nemohli být přítomni. Vezměme si třeba sondu Pathfinder na Marsu, která je vybavená stereopanoramatickým kamerovým systémem. Tento stereoobraz se přenáší do pozemského CAVE, v němž účastníci vnímají prostředí Marsu tak, jako kdyby se na rudé planetě skutečně nacházeli.

Druhou významnou oblastí je pak vizualizace prostorově náročných, členitých modelů, třeba v oblastech biochemie, nanotechnologie, hledání nových materiálů nebo genového inženýrství. Virtuální realita zde významně pomáhá chápat prostorové dispozice jednotlivých objektů, které zobrazuje.“

Konec s metodou pokusů a omylů

Pracuje-li tým vědců v imerzivním prostoru s vizualizací molekul, je možné si problém lépe zobrazit, uvědomit a něco nového objevit. Ve virtuální realitě jsou zobrazeny simulační modely jednotlivých komplikovaných krystalografických struktur, molekuly jsou zobrazené jako barevné kuličky spojené tyčinkami, mezi jednotlivými stavebními kameny jsou nastavené určité potenciály a působí zde určité síly. Tyto simulační modely dopadají různě, někdy ne úplně dobře. Experimentátoři si tak strukturu mohou zkontrolovat nebo jí lépe porozumět, jedná se tedy o velmi názornou aplikaci, která je v poslední době velmi používaná.

„Většina odborníků dnes při výzkumu pracuje metodou pokusů a omylů,“ říká Christine Allenová z univerzity v Torontu, kde se virtuální zařízení používá mimo jiné pro hledání nových léků. „Díky 3D vizualizačnímu softwaru se vyhýbáme pokusům a omylům a sledujeme proces ve virtuálním prostředí. Neprovádíme tedy syntézu polymerů náhodným způsobem.“ Podobně je možné virtuální realitu s úspěchem nasadit v oblasti strojírenství, kde inženýři často pracují s komplikovanými mnohohybnými mechanismy. Z jednotlivých řezů stroje si nemusíte být zcela jisti, jestli do sebe všechny dílce zapadají úplně přesně. Na stereostěně se tedy podíváte na 3D vizualizaci a můžete třeba zjistit, že jednotlivé části se nepotkávají zcela správně. Jedná se o jednu z aplikací, která sehrává klíčovou roli při kontrole kvality.

Virtusphere má svoje místo při hraní počítačových her i při výcviku.

Operace čelisti v kyberprostoru

Jeden z příkladů, kdy virtuální realita pomohla konkrétním lidem při řešení jejich praktických problémů, pochází z oblasti medicíny. Čtyřletá dívka z Běloruska trpěla tzv. mandibulární hypoplasií, což je vážně nevyvinutá spodní čelist. V sázce přitom bylo více než jenom její vzhled. Nemohla pořádně žvýkat potravu a problém se stále zhoršoval. Protože se zbytek těla vyvíjel normální rychlostí, její rostoucí dýchací trubice byla tlačena proti drobné, nevyvinuté spodní čelisti, a bylo tak velmi znesnadněno dýchání. Kdyby nedošlo k okamžitému zásahu, dívka by brzy potřebovala tracheotomii.

Celý proces léčení začal v mnichovské nemocnici skenováním hlavy na CT, lékaři měli dále k dispozici magnetickou rezonanci a ultrazvuk pro zachycení měkkých tkání. Dalším krokem je segmentace pacientových medicínských dat. Každý voxel je klasifikován jako specifický typ tkáně (kost, sval, tuk, nerv). Všechna obrazová data pak byla spojena do jediné datové sady a na jejich základě pak tým specialistů připravil simulaci chirurgického zákroku.

Ve virtuálním prostoru mohou chirurgové zkoušet všechny možné techniky, které normálně provádějí na operačním sále – mohou uříznout část kosti, vyvrtat do ní díru a podobně. Na vlastní oči tak vidí výsledky nejrůznějších operací, aniž by se dotkli pacienta. Přínos je v tomto případě zřejmý: zatímco dříve bylo často nutné operovat čtyřikrát až pětkrát, za pomoci systému virtuální chirurgie je možné dosáhnout nejlepšího možného výsledku v jediné operaci.

Ve virtuálním světě

Další velká věc

Mnozí experti dnes vidí ve virtuální realitě „next big thing“, na kterou se čekalo již dlouho. Fenomén televize s vysokým rozlišením (HD) už odezněl, nyní nastává éra 3D projekcí. Tradiční výstava audiovizuálních technologií IBC v Amsterodamu se již nesla zcela v duchu prostorového zobrazení: kdo neměl 3D, jako kdyby nebyl. Dokonce i konektory dnes nesou označení „3D Ready“. „Jenom naše firma registruje v České republice kolem 25 imerzivních prostorů,“ uvádí Jan Buriánek. Z historického pohledu Česká republika zachytila vlnu náročných 3D vizualizací, někdy v devadesátých letech tyto technologie začínaly, kolem roku 1995 se sem díky mecenášům a sponzorským darům dostalo množství pokročilé techniky od společnosti SGI.

Byly jí vybaveny například umělecké školy a technologie za několik desítek nebo stovek milionů korun se dostala k širším vrstvám uživatelů. V současnosti mají o virtuální realitu největší zájem geodetické firmy, architekti, lékaři – v nedávné době se přidal i obor nanotechnologií – nebo chemici, zkrátka lidé, kteří potřebují sledovat svoje modely jednoznačně a lépe porozumět tomu, co se skrývá uvnitř. Spektrum možných nasazení je samozřejmě mnohem bohatší – například oční klinika v Litomyšli používá 3D stereoprojekci k léčbě šilhavosti, mají zde vizuální cvičení, které posouvá obrazy a trénuje tím okohybné svaly.

3D všechno nepřeválcuje

Při jakýchkoli předpovědích o budoucí expanzi virtuální reality je však samozřejmě třeba být opatrný a uvědomovat si, že pro některé aplikace znamená 3D stereoprojekce velkou výhodu, zatímco v případě jiných se jedná téměř o nadbytečnost. „Virtuální realita podle mého názoru časem dokrystalizuje do oblastí, kde se vyloženě hodí,“ domnívá se Jiří Žára.

„Budou aplikace, kde je potřeba, aby se uživatel nacházel uprostřed 3D prostředí a mohl v něm interagovat. Jestliže si ale chcete třeba navrhnout, jaký bude váš časový plán příští týden, stačí vám na to dvojrozměrná mřížka, tedy úplně jednoduchý nástroj, jednoduché rozhraní. Virtuální realita si najde místo tam, kde je důležité, aby trojrozměrný prostor byl přítomen. Tam, kde 3D hraje nějakým způsobem roli, bude virtuální realita určitě žádoucí.“

Virtuální realita proti mafii

Virtuální realita proti mafii

Došlo ke zločinu! V jednom z římských bytů na předměstí byla nalezena mrtvola bosse drogového kartelu s třemi kulkami v hrudi a v hlavě. Okamžitě nastupuje italská policie, tým kriminalistů specializovaných na vraždy, média a také… virtuální realita. 3D vizualizační systémy je dnes možné s úspěchem nasadit i v na první pohled tak odlehlých oblastech, jako je kriminalistika. Soudní laboratoř v Římě používá počítačový systém pro rekonstrukci místa zločinu a názornou vizualizaci všech detailů scény, jako je například trajektorie střely nebo pohyby s mrtvým tělem. Toto 3D vizualizační řešení se nachází v římské laboratoři RiTriDEC (Ricostruzione Tridimensionale della Dinamica dell‘Evento Criminale).

„Jedním z největších přínosů systému je rekonstrukce události z pohledů více svědků,“ uvádí Carlo Bui, který je supervizorem celého projektu. „Pomáhá nám zodpovědět specifické otázky, jako například: Co všechno mohla vidět oběť? Co mohl vidět svědek? Jaká byla vzdálenost, řekněme, mezi dveřmi a gaučem?“ Carlo Bui říká, že systém je vhodný pro sledování trajektorie projektilu, díky čemuž jsou výpočty balistických expertů srozumitelné a názorné pro ostatní. Detektivové mohou 3D scény sledovat na projekční stěně o velikosti 18×7 stop, používají aktivní stereoskopické brýle, které jsou s projekcí (zajišťovanou projektory Barco) synchronizované pomocí infračerveného signálu.

Virtuální stoly, stěny a místnosti

Virtuální stoly, stěny a místnosti

Virtuální realitu je možné používat v několika různých provedeních, podle toho, do jaké míry chceme být vnořeni do digitálního prostředí. Mohou to být virtuální stoly, které jsou vhodné zejména pro malé skupiny nebo individuální práci, kdy pracovní prostředí vyžaduje vysoký stupeň přirozené interakce s modely. Stoly se používají například při vzdělávání lékařů, kdy je na nich zobrazen 3D model lidského těla, s nímž mohou medici manipulovat pomocí ovládačů. Virtuální stěny jsou pak řešením určeným pro velké skupiny. Mohou být dodávány v provedení se zadní či přední projekcí, rovné či sféricky zakřivené.

Obklopují periferní vidění početného publika, poskytují tedy vysoký stupeň ponoření. Toto uspořádání se používá třeba v automobilovém průmyslu při spolupráci na stylingu vozů nebo při vědeckých vizualizacích. Nejdůslednější imerzivní řešení pak představují virtuální místnosti, které se třemi až šesti stěnami zcela obklopují uživatele datovým prostředím. Do tohoto typu náleží instalace CAVE (Computer Aided Virtual Environment). Vstup do takového zařízení již znamená značné pohlcení virtuálním světem.

3000 let stará mumie v kyberprostoru

Jeden ze zajímavých příkladů aplikace virtuální reality pochází z oboru egyptologie. Egyptské mumie obsahují pro výzkumníky mnoho cenných informací, problém však spočívá v tom, že jejich rozbalení je nevratný proces, který znemožní zkoumání příštím generacím vědců. Proto zde nastupuje virtuální realita. Britské muzeum vybralo k prozkoumání 3000 let starou mumii egyptského kněze Nesperennuba. Byla skenována na počítačové tomografii v Národní nemocnici pro neurologii a neurolékařství v Londýně a prošla 3D laserovým skenováním.

3000 let stará mumie v kyberprostoru

Tyto procedury vyprodukovaly více než 1500 obrazů, které byly poté shromážděny do 3D datové sady. Ta pak může být egyptology interaktivně nahlížena a prozkoumávána, aniž by se vědci museli dotknout skutečné mumie. Experti britského muzea byli schopni identifikovat vlastnosti, které by nikdy nebyly dostupné, kdyby mumie byla rozbalena: například záhadná dutina uvnitř lebky, o níž se vědci domnívali, že by mohla být následkem nemoci. Ve virtuálním prostoru mohou chirurgové zkoušet všechny možné techniky, které normálně provádějí na operačním sále.

Umělecké experimenty

Bylo by určitě něco v nepořádku, kdyby se virtuální reality nechopili také umělci. V České republice pracuje několik desítek umělců zaměřených na tato nová média (Lucie Svobodová, Jakub Nepraš, Tomáš Dvořák) a působí zde hned několik center, především v Praze, např. CIANT (www.ciant.cz), DOX (www.doxprague.org) nebo institut intermédií při ČVUT (www2.iim.cz). Zajímavé zvukově- obrazové instalace vytváří kupříkladu skupina E-AREA (www.e-area.cz), což je uskupení grafiků, zvukařů, programátorů a umělců. Jedním z interaktivních projektů této skupiny je projekt nazvaný Sembion. Jde o instalaci, která generuje trojrozměrné tvary na základě analýzy textů. Do aplikace napsané v jazyce C++ se „naláduje“ text v angličtině.

Umělecké experimenty

Software pak tento text vlastně dokáže vizuálně interpretovat, převést ho do objektu prapodivných tvarů. Autorský tým použil softwarové jádro finské firmy Connexor (www.connexor.com), která vyvíjí hlasové analyzátory pro použití v oblasti informačních technologií. Program dokáže rozebrat syntaktickou stavbu věty a také určí slovní druhy, například co je ve větě zájmeno, číslovka, podstatné jméno nebo sloveso. Na základě syntaxe a morfologie věty pak v počítači začne v evolučním procesu vznikat tvar – celé to vypadá jako několik kuliček rtuti, které se rozlijí po zemi, a v průběhu toho, jak člověk mluví, se přitahují nebo odpuzují.

Instalace je realizována v prostoru o velikosti 10×3 m, jímž prochází návštěvník, který vnímá projekci na průhledné fólii 3×2 m, nahnuté do úhlu 45°. Takto umístěná fólie umožňuje vidět promítaný obraz v prostoru vyvolávajícím dojem holografie. Současně je návštěvník sledován systémem senzorů, které zachycují pohyb, zvuk, barvy apod. jako impulzy pro nové konfigurace, jež soustavně proměňují a oživují podobu promítaných vizualizovaných 3D tvarů.

Nejčtenější