Virtual Reality (VR) är en datorgenererad, tredimensionell scen som omger användaren. VR kan beskrivas som vetenskapen om att integrera människa med information. Den innehåller tredimensionella interaktiva datorgenererade miljöer och objekt. Dessa miljöer kan vara modeller av äkta eller påhittade omgivningar. Skillnaden mellan ett virtuellt objekt och ett objekt ritat i till exempel CAD är att i VR kan användaren gripa tag i objektet och vända och vrida på det.

En annan tidning i USA skrev att VR handlar om illusion, att använda högteknologi för att övertyga sig själv om att man befinner sig i en annan verklighet och upplever saker som inte existerar i den fysiska verkligheten. VR är när datorn försvinner och man blir "anden i maskinen". Användaren ser inga fysiska knappar. Istället arbetar datorn osynligt och lämnar användaren att koncentrera sig på uppgifter, idéer, problem och kommunikation.

Den allmänna definitionen på Virtual Reality är att användaren skall vara avskärmad från verkligheten. Detta gäller främst visuellt och ljudmässigt. Smak och lukt är svårt att simulera.

Idag får Virtual Reality (VR) mest uppmärksamhet för olika former av spel. VR är ett ämne som de senaste åren fått stor uppmärksamhet i massmedier, och mest i spel.

Litteraturen beskriver två olika typer av VR; desktop VR och immergerande VR. Desktop VR visas på en vanlig datorskärm och ger inte någon 3D-känsla. Immergerande VR är det som kallas VR och är en datorgenererad, tredimensionell scen som användaren befinner sig i (detta kallas immersion). Immersion betyder att vara omgiven av något, insjunken, neddoppad. I detta fall när en eller flera av användarens sinnen är isolerade från den riktiga verkligheten och får information som genererats av en dator.

Denna illusion skapas med hjälp av en Head Mounted Display (HMD) som användaren har på huvudet och består av två små TV-skärmar monterade så att användaren har dessa framför ögonen. I denna miljö skall användaren kunna utföra handlingar med hjälp av någon form av inenhet, till exempel en sensorhandske, samt vara positionsspårad, det vill säga att datorn vet var i rummet användaren befinner sig. Användaren kan, beroende på utförandet, även interagera i denna scen med hjälp av någon form av inenhet, ofta en så kallad sensorhandske.

Den här typen av sensorhandske, blir mer och mer populär, pga. att den är relativt billig, och den har den bästa verklighetsimmitation hittils.Den kostar 3500 kr.

· Olika typer av Virtual Reality

Utöver den avgränsade domän, som kallas VR, finns ytterligare några tekniker som kan klassas som VR. Dessa typer diskuteras dock om de verkligen är Virtual Reality. De viktigaste av dessa alternativa typer är desktop och telepresence (telenärvaro).

- Desktop VR har utvecklats från animerad CAD. Användaren integrerar med den virtuella verkligheten som visas på en vanlig datorskärm. Det faktum att man inte är visuellt avskärmad från verkligheten gör att många anser att detta ej är riktig VR.

- Telenärvaro är fysisk VR, det vill säga att den virtuella miljö som användaren agerar i inte är datorgenererad utan kommer från en videokamera som sitter monterad på en robot som användaren styr. Telenärvaro behöver inte nödvändigtvis vara HMD-baserad, utan kan lika gärna vara desktop VR. Eftersom den virtuella miljö som skapas i telenärvaro-VR inte är datorgenererad är denna teknik inte äkta VR.

En annan teknik som kan kallas VR är Mixed Reality (MR). Med denna teknik läggs en datorgenererad bild till verkligheten. Den datorgenererade bilden visas genom att den reflekteras på en glasskiva som ligger mellan användarens ögon och verkligheten. MR används bland annat i stridsflygplan för att ge taktisk information om exempelvis navigation eller fiendeplan. Man kan också visa det på en vanlig skärm där datorgrafiken läggs på en direktsänd bild av verkligheten.

BOOM (Binocular Omni Orientation Monitor) är en stereoskopisk display bestående av två katodstråleskärmar som sitter på en mekanisk arm. Denna arm bär inte bara upp displayen, utan är också rörelseavkänningssystemet i denna variant av VR.

· Virtual Realitys historia.

VR presenterades första gången för offentligheten av företagen VPL och Autodesk den 6 juni 1989. Den typ av VR som presenterades utgjordes av en HMD (Head Mounted Display) och var PC-baserad. Inenheterna kunde varieras. De hade bland annat ett system för cykling och ett för tennis. VR:s historia går dock längre tillbaka än så.

Det första riktiga exemplet på en flersinnessimulator var Sensorama vilken visades första gången 1962. I den kunde användaren åka motorcykel genom New York och känna blåst och lukter utöver ljud och bild. Morton Heilig hette skaparen av detta system som hade allt ett VR-system skall ha bortsett från att det inte var interaktivt; färden genom New York var förinspelad och kunde inte manipuleras.

Den vanligaste typen av HMD är just nu detta som kostar ca 5000 kr.

En viktig pionjär inom VR är Ivan Sutherland som 1965 presenterade en vetenskaplig rapport med titeln "The ultimate display". I den rapporten beskriver han idén med en HMD. Sutherland skriver att illusionen som förmedlas till användaren skall se verklig ut, uppföra sig verkligt, låta verklig och kännas verklig. Tre år senare visade han den första fungerande HMD:n. Denna display var kopplad via ett antal mekaniska armar till taket. Med hjälp av dessa armar kunde positionen i rummet beräknas. Grafiken var ännu relativt outvecklad, men det första steget mot immergerande VR var taget.

Flygsimulatorer, har haft stor betydelse för utvecklingen av VR. En stor del av tekniken som behövs för VR utvecklades ursprungligen för militära flygsimulatorer. Tidiga flygsimulatorer arbetade dock med videokameror och modeller. När Sutherland jobbade på sin första elektroniska HMD kom han att tänka på möjligheterna med att använda datorer till att generera vyer för flygsimulatorerna. Han lät en dator konstruera bilder från lagrade data. En flygplats, till exempel, representerades av ett stort antal punkter med linjer emellan. Efter en serie beräkningar, kunde denna flygplats beskådas från vilket håll som helst. Sutherland började tillsammans med David Evans att sälja denna typ av scengeneratorer 1968.

En av de första datordrivna flygsimulatorerna byggdes 1972 av General Electric Company:s Electronic Laboratory åt den amerikanska flottan. Traditionella flygsimulatorer är inte immergerande, det är dock VCASS (Visually Coupled Airborne Systems Simulator) som demonstrerades första gången 1982. I den bär piloten en typ av HMD som visar en förenklad bild av omgivningen men med god upplösning. Anledningen till att man ville förenkla bilden var att piloter har väldigt mycket att hålla reda på. Genom att minska informationen och presentera den på ett för piloten överskådligt sätt, underlättas pilotens arbete. VR handlar inte enbart om visuell upplevelse. På University of North Carolina i början av 70-talet började man att forska om det skulle vara möjligt att ta fram VR som arbetar mot känselsinnet. Man använde Sutherlands idé om "the ultimate display" som utgångspunkt för sin forskning.

Ett tidigt projekt av Brooks var GROPE II, som var tänkt som ett verktyg för kemister. Med hjälp av detta verktyg var det tänkt att kemisten skulle kunna känna var två olika molekyler skulle kunna sammankopplas. Känseln skulle förmedlas genom ett slags gripdon kallat Argonne Remote Manipulator (ARM). ARM hade tidigare använts för att hantera radioaktiva material. När systemet sattes ihop 1971 upptäcktes det att datorerna inte klarade av komplexare objekt än enkla byggblock.

Först 1986 kunde systemet användas fullt ut. Det testades genom en simulering av en medicin med över 1500 atomer och ett protein med 21 atomer. Nu kallades systemet GROPE III. Även om GROPE III var hundra gånger snabbare än GROPE II tog det ändå en tredjedels sekund att uppdatera varje bild, vilket medförde att simuleringen blev hackig. Det behövs mer än 20 uppdateringar/sekund för att rörelsen skall bli realistisk.

· Syn

Människan har, liksom många andra djur med två ögon, ett område där synfältet från det ena ögat överlappar synfältet för det andra ögat. Detta gör att ögonen mottar två olika bilder som påminner mycket om varandra. Om dessa två bilder kombineras ihop skapar hjärnan en bild som har tre dimensioner, ett fenomen som kallas stereoseende. En bild skapas när ljuset kommer in genom pupillen och träffar näthinnan.

· Hörsel

Örat består av tre delar, ytterörat, mellanörat och innerörat. Ytterörat är till för att fånga in ljudvågorna och leda dem in i mellanörat. Mellanörat omvandlar vågorna till fysiska rörelser och transporterar vågorna till innerörat där själva hörselsinnets inenhet sitter.

Människans förmåga att kunna uppfatta varifrån ett ljud kommer beror, liksom stereoseendet, till stor del på stereoeffekten. Det finns fyra grundläggande bidrag till ljudriktningsuppfattandet, dessa är:

• skillnaden mellan ljud som når öronen.

• skillnaden på ljud beroende på riktning och avstånd från den hörande.

• fördröjningen medan ljudet förflyttar sig mellan de två ytteröronen.

• huvudets rörelser.

Det svåraste för örat att uppfatta är om ett ljud kommer rakt framifrån eller rakt bakifrån. Detta problem löser sig oftast genom att huvudet väldigt sällan är helt stilla. Bara en liten rörelse åt något håll avslöjar snabbt om ljudet kommer framifrån eller bakifrån.

· Känsel

Människans hud har ett nätverk av nerver i sig. En del av dessa nerver är beröringskänsliga. Det finns tre mekaniska stimuli. Det första är det tillfälle när något vilar en längre period mot huden. Det andra är impulser mot huden, när något rör vid huden under en kort tid. Det tredje är periodiskt, när något upprepade gånger berör huden.

· Att använda Virtual Reality !

Användning av VR kan delas in i tre nivåer; passiv, explorativ samt interaktiv användning. När man använder tekniken passivt, kan man inte styra händelseförloppet. Ett exempel är tidigare nämnda Sensorama. Explorativ användning kännetecknas av att användaren kan röra sig fritt i den virtuella världen, men inte påverka objekten. Denna nivå är vanlig i arkitektapplikationer av VR. Att interaktivt använda VR är att kunna vrida och vända virtuella objekt samt att kunna ändra på den virtuella miljön.

- Passiv användning

Oavsett nivå finns känslan av att man befinner sig i den virtuella världen, känsla av immersion. Det är genom synen, hörseln samt känseln man kan uppleva en virtuell värld. Synen är det viktigaste sinnet. Därför är den visuella simulationen viktigast. Omgivningen skall upplevas tredimensionell. Känslan av tre dimensioner kan förstärkas med 3D-ljud. Den audiella simuleringen är dock inte fullt så viktig. Det är däremot en beröringssimulering. Även om möjligheterna idag är begränsade av tekniken, ökar känslan av deltagande i den virtuella världen markant om man kan känna den. Om man lyckas lura dessa tre sinnen har första nivån (den passiva) av VR uppnåtts.

- Explorativ användning

För att uppnå nästa nivå, den explorativa, krävs positionsspårning. När användaren tittar neråt i den virtuella världen skall det virtuella golvet synas, och när användaren går framåt skall positionen i den virtuella världen ändras på motsvarande sätt. För att klara detta måste datorn veta var användaren befinner sig i rummet genom någon slags givare. Detta är positionsspårning.

- Interaktiv användning

I den tredje nivån av användning av VR kan användaren utöver att bara gå omkring i den virtuella världen, även manipulera den. Detta är den högsta nivån för användning av VR. För att nå denna nivå krävs inenheter. Den vanligaste inenheten är sensorhandsken.

· Den virtuella verklighetsprocessorn

En VVP är en dator som kan sägas vara hjärtat i en VR-miljö. Det är den som sköter och genererar all utdata samt bearbetar all indata. Oavsett om man bara skall ha bilder och ljud eller fullständig interaktion, måste en dator samordna allt.

För att skapa ett VR-system börjar man med en persondator eller en arbetsstation, i vilken man monterar in hårdvara för 3D-ljud och grafikgenerering. För att användaren ska ha en separat bild för varje öga och uppleva djup, måste datorn ha två grafikenheter som genererar de stereoskopiska bilderna. Alternativet till att använda två grafikenheter är att ha två datorer som genererar varsin bild, men då krävs det att man på något sätt koordinerar ihop de båda datorernas arbeten. Virtuella världar måste vara både mjuka och snabba för att kunna vara användbara. Datorn skall reagera snabbt på användarens rörelser i den virtuella världen så att upplevelsen blir så lik den i den verkliga världen som möjligt. Genom forskning har det framkommit att responstider på under 100 millisekunder kan klassas som realtid. Under den här tiden, som är ungefär lika lång som en blinkning, måste VVP:n bearbeta all information från användaren, göra beräkningar och generera den nya bilden. Det som tar mest tid i denna process är att ta fram de två olika vyerna, vilket medför att mycket kraftfulla grafikacceleratorer krävs för att snabba på genereringsprocessen.

Om man antar att genereringen tar 0,1 sekunder, kommer man upp i en hastighet av tio bilder per sekund. Detta är inte speciellt mycket när man tar i beräkning att filmer visar 24 bilder per sekund och en TV visar 30 bilder per sekund. För att snabba upp processen skulle man i förväg kunna generera alla bilder man kan se, men detta skulle ta åtskilliga gigabyte i lagringsutrymme. I stället låter man VR-systemen interaktivt generera de bilder användaren ser beroende på var han befinner sig i den virtuella verkligheten.

· Immersion

För att åstadkomma immersion måste man lura sina sinnen. Virtual Reality arbetar enligt vår definition med syn, känsel och hörsel. För att klara syn och hörsel använder man sig av en HMD. Denna består av två displayer och ibland även hörlurar. Displayerna placeras så att man har en för varje öga. För att djupkänsla skall upplevas visas på de två displayerna vyer som har en liten förskjutning i förhållande till varandra. När det ena ögats synfält överlappar med det andra ögats, uppstår konvergens. Avståndet mellan ögonen, parallax, ger tillsammans med konvergensen djupkänsla.

Vad gäller känsel är det något mer problematiskt eftersom man måste få händerna att känna om man greppar runt ett objekt och inte bara griper i tomma luften.

De flesta optiska spårningssystem är till för spårning av användarens huvud. Det finns två olika varianter. Den ena är att på HMD:n fästes en eller flera kameror och runt omkring i rummet fästes lysdioder. Den andra fungerar på motsatt sätt; lysdioder fästes på HMD:n och kamerorna på fasta positioner i rummet. När optisk spårning används försämras resultatet om det finns hinder mellan kamera och diod.

Om användaren skall plocka upp och förflytta föremål i den virtuella världen, är sensorhandsken ett bra val. Användaren behöver inte lära sig hur handlingen går till eftersom den är likadan som i verkligheten.

En sensorhandske består av fiberoptiska, motstånds- eller mekaniska sensorer som beräknar hur man håller handen, till exempel om den är öppen eller sluten. Det brukar dessutom finnas en enhet för att positionsbestämma handens läge.

En annan typ inenheter är så kallade Kraftbollar. De har dock en smärre nackdel; de är inte intuitiva utan kräver träning för att fungera. En kraftboll fungerar ungefär som en traditionell joystick med den skillnaden att man inte kan röra bollen. Istället mäts kraften som anbringas mot bollen. Om det är meningen att användaren skall kunna flyga omkring i den virtuella verkligheten är kraftbollen en möjlig inenhet. För att till exempel flyga uppåt lyfter användaren bollen precis som om han/hon skulle plocka upp den. En del kraftbollar har även knappar som är programmerbara, dvs dessa kan ges olika funktioner beroende vilken applikation som skall användas.

Schematisk bild av en kraftboll. Pilarna visar i vilka riktningar bollen är känslig för krafter.

· Olika användningsområden

VR kan användas inom de flesta områden där man behöver visualisera något. För att visa hur flexibelt VR är nämner vi några exempel på tillämpningar. Ett antal olika huvudområden är till exempel: tillämpningar inom forskning, medicinska applikationer, telenärvaro och farliga miljöer, virtuella flygsimulatorer, CAD/CAM-applikationer samt underhållning.

- Forskning: Molekylär syntes

Forskarna inom framförallt medicin behöver ofta modellera olika molekylära sammansättningar. Ett snabbt och enkelt sätt att förändra modeller utan större arbetsinsatser är att interagera med molekylen i en virtuell verklighet. Forskaren använder en HMD och en sensorhandske, i den virtuella miljön flyttas atomerna omkring i molekylen.

- Forskning: NASA:s virtuella vindtunnel

NASA har en av världens största vindtunnlar, men även en av världens minsta. Den största vindtunneln är stor nog för att testa ett fullskaligt stridsflygplan. Den minsta är en virtuell vindtunnel BOOM med dess tillbehör. Med denna virtuella vindtunnel kan NASA:s tekniker studera planets utformning från alla håll och vinklar samt interaktivt studera och förändra förloppet. NASA valde BOOM istället för HMD därför att displayer med tillräckligt bra upplösning blev för tunga att använda i en HMD. Teknikern skulle dessutom snabbt kunna lämna den virtuella världen, för att till exempel svara i telefon eller låta någon annan se vindtunneln ur den exakt inställda vinkeln och positionen.

- Medicin: Virtuell Kirurgi

Inom det här området använder man sig ofta av desktop VR. Ett vanligt användningssätt är att läkaren scannar av patientens huvud och därefter via en virtuell miljö beräknar var (vilka koordinater) själva felaktigheten finns. Det typiska exemplet på VR inom medicin är att de scannar av en patient och bygger upp en modell av patienten. Denna modell kan läkaren sedan undersöka inuti och ta reda på diverse saker som kan vara av intresse.

Ett exempel på användande är VR som komplement till den vanliga ultraljudsscanningen av foster. Läkaren har då på sig en HMD och ser fostret tredimensionellt.

- Telenärvaro och farliga miljöer

När en operatör på håll styr en robot, som följer operatörens rörelser, kallas det telenärvaro. Med telenärvaro kan en operatör förflytta saker som är för tunga för en människa. Dessutom har denna metod fördelen att den styrs av en människa som kan reagera på situationer som inte är förutsedda. Ytterligare en fördel med telenärvaro är i farliga miljöer, exempelvis där radioaktiva material hanteras. I dessa miljöer kan arbeten, som ej kan göras av vanliga förprogrammerade robotar, utföras.

Telenärvaro kan i framtiden också eventuellt användas till medicin och kirurgi. Om det bara finns ett fåtal specialister på någon sjukdom eller skada, kan de utföra en operation i en helt annan del av världen med hjälp av telenärvaro.

- Virtuella simulatorer

Simulatorer kan vara ett bra hjälpmedel där man måste testa något som kan medföra stora kostnader eller förlust av människoliv. En virtuell pilotmiljö kan rädda åtskilliga miljoner kronor och människoliv, eftersom pilotträningen kan utföras i en simulator istället för i ett verkligt plan. Väldigt små detaljer kan vara direkt avgörande för simulatorns trovärdighet och det dessutom behövs huvudspårning, ögonspårning och handspårning, därför ställs höga krav på både VR-anläggningen och servicepersonalen.

Enklare VR-anläggningar kan användas av till exempel körskolor. Första lektionerna kan utföras i en bilsimulator. På så sätt får eleven en grundläggande kunskap innan denne ger sig ut i den riktiga trafiken för första gången.

· Underhållning

Underhållningen är framförallt uppdelad i tre delar; spel, konst och sport.

- SPEL

Spelen är allt från de äldsta textspelen till de nyaste tv-spelen där till och med en HMD kan användas. Det första spelet var ett enkelt textbaserat spel där spelaren gick mellan olika rum. I varje rum beskrevs rummets utseende med en text. Spelet styrdes med textkommandon som bestod av maximalt två ord. Nu har spelen hunnit bli grafiska och en större upplevelse av närvaro i själva spelet uppnås. T.ex. Det här spelet kalas 1000SD, och på den här maskinen kan man spela flygsimulator, bilspel, shoot - em - up m.fl. Priset för den här är ca. 100 000kr.

- KONST

Konst kan vara alltifrån vanliga enkla tvådimensionella bilder till rörliga tredimensionella "filmer". Vanlig konst i fråga om bilder kan enkelt visas på en vanlig datorskärm, men i fråga om skulpturer och liknande, får VR på nytt en stor betydelse. Möjligheten att få se kända skulpturer på riktigt kan vara begränsad. Med VR finns möjligheten att i sitt eget vardagsrum studera skulpturer från alla håll och vinklar.

- SPORT

Sport-VR består i stort sett av olika typer av simulatorer, exempelvis golfsimulatorer. En sådan simulator kan vara ett utomordentligt hjälpmedel på orter med begränsad säsong. Användaren utövar sin sport i en simulator och kan därigenom träna upp sina färdigheter inför det riktiga utövandet av sporten.

- CAD/CAM-applikationer

VR kan vara bra som utbyggnad av CAD/CAM, eftersom en tredje dimension på den ritade detaljen erhålls. Utseendet på detaljen kan snabbare ändras och utöver det visas hur den klarar yttre faktorers påverkan. Dessutom syns det hur detaljen ser ut när den blir belyst från olika håll. VR kan också användas som hjälpmedel för arkitekter när de ska utvärdera en husritning. Efter att ha byggt upp en virtuell modell av ett hus, kan arkitekterna gå in i huset och se vilka saker som kan behöva ändras. På senare tid har även bilföretag börjat experimentera med Virtual Reality för att se om man kan använda den tekniken till konstruktion och design.

En bit in på 2000-talet kommer man kanske till och med att ha utvecklat en sensordräkt som gör immersionen djupare än nu, till exempel genom att man kan känna den virtuella förarstolen när man sätter sig i den. Andra in-/utenheter som vi kan tänka oss är att man tankestyr den virtuella världen, till exempel genom att byta plats på vissa instrument bara genom att tänka på dem. Vem vet vad VR kommer att ge oss i framtiden, kanske mer positiva eller mer negativa saker!!! Det återstår att se!