Επικοινωνία Ανθρώπου Υπολογιστή - Απτική Τεχνολογία

Απτική Διασύνδεση και Εικονικός Κόσμος

Μια απτική διασύνδεση (haptic interface) είναι μια κιναισθητική διεπαφή μεταξύ ενός ανθρώπου και ενός εικονικού περιβάλλοντος (απτικός = σχετικός με την αφή). Υπεισέρχονται δηλαδή στη διασύνδεση οι παράγοντες μυϊκές συστολές και κινήσεις του σώματος. Ο δεσμός αυτός είναι το κλειδί στην καθιέρωση της αλληλεπίδρασης σε έναν εικονικό κόσμο.
Ιστορικά, η επικοινωνία ανθρώπου - υπολογιστή έχει λάβει χώρα σε περιβάλλοντα όπου κυριαρχούν κανάλια πληροφοριών τα οποία είναι κανάλια μιας μόνο κατεύθυνσης. Στα κανάλια αυτά, οι οπτικές και ακουστικές πληροφορίες στέλνονται από τον υπολογιστή στο χειριστή μέσω της χρήσης συσκευών όπως είναι το ποντίκι, το πληκτρολόγιο και η οθόνη. Δεν υπάρχει καμία κιναισθητική ενεργειακή ροή προς ή από το χειριστή. Αντίθετα, στην απτική αλληλεπίδραση η φυσική ενέργεια ρέει προς δύο κατευθύνσεις, προς και από το χρήστη που βρίσκεται στο εικονικό περιβάλλον. Ένα εικονικό περιβάλλον είναι ένα παραγόμενο από υπολογιστή μοντέλο κάποιου φυσικά παρακινημένου τοπίου / περιοχής.


Χρήση της Απτικής Διασύνδεσης
Χρησιμοποιώντας ειδικές συσκευές εισόδου / εξόδου (joysticks, data gloves ή άλλες συσκευές), οι χρήστες μπορούν να δεχτούν ανάδραση από τις εφαρμογές υπολογιστών υπό μορφή απτικών αισθήσεων στο χέρι ή σε άλλα μέρη του σώματος. Η απτική τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην εκπαίδευση των χρηστών σε διεργασίες που απαιτούν συντονισμό ματιών και χεριών, όπως είναι η χειρουργική ή το μανουβράρισμα διαστημικών σκαφών. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε παιχνίδια όπου ο χρήστης μπορεί να αισθάνεται τις αλληλεπιδράσεις που εκτελεί με τις εικόνες που βλέπει. Για παράδειγμα, έστω ότι να παίζουμε τένις με αντίπαλο έναν άλλο χρήστη Η/Υ, ο οποίος βρίσκεται σε ένα άλλο σημείο του κόσμου. Και οι δυο μας μπορούμε να βλέπουμε την κινούμενη μπάλα και, χρησιμοποιώντας την απτική συσκευή, να τοποθετούμε και να ταλαντεύουμε την ρακέτα και να νιώθουμε τη σύγκρουσή της με το μπαλάκι. Ένας μεγάλος αριθμός πανεπιστημίων πειραματίζεται με τις απτικές τεχνολογίες. Η εταιρία Immersion Corporation προσφέρει ένα είδος απτικού joystick πηδαλίων το οποίο χρησιμοποιείται σε εργαστήρια και στα παιχνίδια arcade. Τέλος, η απτική διασύνδεση, όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη παράγραφο, προσφέρει μια επιπλέον διάσταση σε μια εικονική πραγματικότητα ή σε ένα τρισδιάστατο περιβάλλον.

Οθόνη - Κράνος (Head-Mounted Display, HMD)
Η οθόνη – κράνος είναι ένας κρίσιμος δεσμός στο εικονικό περιβάλλον και στα οπτικά συνδεμένα συστήματα. Οι χρήστες HMD μπορούν να βιώσουν την απορρόφηση στα παραγόμενα από υπολογιστές εικονικά περιβάλλοντα, να παρακολουθήσουν ιδιαιτέρως μία ταινία, να εκτελέσουν μια λεπτεπίλεπτη ενδοσκοπική χειρουργική διαδικασία ή να πετάξουν με ένα επιθετικό ελικόπτερο στο σκοτάδι.Η οθόνη - κράνος παρέχει στο χρήστη ένα σύνολο ικανοτήτων που οι συμβατικές οθόνες αδυνατούν να αντιγράψουν. Μία οθόνη - κράνος μπορεί να είναι προσωπική, διαλογική, επεκτατική και εικονική. Οι φορητές τηλεοράσεις και τα video games, οι οθόνες των Η/Υ και οι μεγάλες πανοραμικές οθόνες του κινηματογράφου, μοιράζονται ένα ή το πολύ δύο από αυτά τα χαρακτηριστικά. Μόνο μία οθόνη – κράνος, όμως, παρέχει στο χρήστη μια τόσο «οικεία» οθόνη, που να μπορεί να είναι ευερέθιστη και αντιδραστική στις κινήσεις του κεφαλιού και του σώματος και να τον περιβάλλει με ένα εικονικό περιβάλλον που επεκτείνεται αρκετά πέρα από τα όρια της μικροσκοπικής πηγής εικόνας.

Τα κυριότερα χαρακτηριστικά μιας οθόνης – κράνους είναι τα ακόλουθα :

• Όπως προδίδει και η ονομασία της, είναι μία οθόνη που «φοριέται» από τον χρήστη σαν κράνος.
• Παρέχει όραση / όψη του εικονικού περιβάλλοντος.
• Επιτρέπει ελεύθερη κίνηση άλλων προσαρτημάτων.
• Η οπτασιακή αλληλεπίδραση δεν είναι πλέον μόνο μπροστά από το χρήστη: οι συσκευές αυτές δημιουργούν μία οθόνη η οποία στην ουσία εκτείνεται σε 360 μοίρες.

Οι οθόνες - κράνη έχουν πολλές διαφορετικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, εάν οι εικόνες που επιδεικνύονται από την οθόνη - κράνος δημιουργούνται από έναν υπολογιστή και υπάρχει επιπλέον και ένας αισθητήρας στο κράνος που μετράει την κίνηση του κεφαλιού, τότε οι εικόνες μπορούν να εκσυγχρονιστούν και να ενημερωθούν συναρτήσει της θέσης του κεφαλιού. Κατά συνέπεια, κάποιος θα μπορύσε να κοιτάξει γύρω με τη στροφή του κεφαλιού του και να διακρίνει εικόνες που τον κάνουν να νομίζει ότι βρίσκεται σε ένα εικονικό περιβάλλον. Αυτό καλείται εικονική πραγματικότητα (virtual reality, VR). Οι πιο προφανείς εφαρμογές της εικονικής πραγματικότητας είναι η εκπαίδευση και η προσομοίωση. Έτσι, αντί να οδηγήσει ένα ακριβό αεροσκάφος, ένας πιλότος μπορεί να εξασκηθεί για μια έκτακτη προσγείωση σε ένα εικονικό περιβάλλον. Μια άλλη εφαρμογή είναι τηλε-ρομποτική, η οποία χρησιμοποιεί ένα ρομπότ το οποίο πρέπει να μιμηθεί τις κινήσεις ενός χειριστή, ενόσω ο χειριστής του ρομπότ (που φοράει μία οθόνη – κράνος) βλέπει το περιβάλλον από τις κάμερες που είναι τοποθετημένες πάνω στο ρομπότ. Έτσι, ο χειριστής δεν χρειάζεται να είναι σωματικά παρών σε ένα επικίνδυνο περιβάλλον. Όταν μία οθόνη – κράνος έχει ικανότητα να είναι διαφανής (see-through), οι πληροφορίες μπορούν να βρίσκονται στην οθόνη ενώ ο χρήστης μπορεί παράλληλα να διακρίνει το περιβάλλον του. Ένας χειρούργος, για παράδειγμα, μπορεί να βλέπει την κατάσταση ενός ασθενή ενώ τον εγχειρίζει. Άλλες εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας που εμπλέκουν την οθόνη – κράνος περιλαμβάνουν την διαλογική απεικόνιση (interactive visualization), τα παιχνίδια και την ψυχολογική έρευνα (πώς θα αντιδράσει ένα άτομο όταν εισέλθει σε ένα τούνελ το οποίο εμφανίζεται ως σαν μια μαύρη τρύπα;). Μία οθόνη - κράνος φαίνεται στην παρακάτω φωτογραφία.

Χειριστήριο Εικονικής Πραγματικότητας (VR Controller)

Τα joysticks επιτρέπουν την κίνηση προς δύο κατευθύνσεις – διαστάσεις : την κατακόρυφη (μπροστά και πίσω), και την οριζόντια (δεξιά και αριστερά). Το VR Controller, από την άλλη, επιτρέπει μία επιπλέον διεύθυνση κίνησης : πάνω και κάτω. Επιπλέον, επιτρέπει την κύλιση δεξιά –αριστερά, μπροστά – πίσω και την περιστροφή γύρω από τον άξονα των z. Το VR Controller μπορεί να περάσει από βαθμονόμηση έτσι ώστε να είναι τόσο ευαίσθητο όσο ο χρήστης επιθυμεί, καθώς η κίνηση συλλαμβάνεται μέσω οπτικών και ψηφιακών αισθητήρων. Τέλος, η συσκευή αυτή είναι πλήρως εξατομικεύσιμη (μπορεί να προγραμματίσει και τα οκτώ κουμπιά να κάνουν οτιδήποτε επιθυμεί ο χρήστης). Ακόμη και η μετακίνηση σε καθένα από τους έξι βαθμούς ελευθερίας μπορεί να επανα-προγραμματιστεί όπως θέλουμε (για παράδειγμα, μπορούμε να καθορίσουμε ότι η κίνηση πάνω – κάτω θα αντιστοιχεί με τις ενέργειες “jump” και “crouch” αντίστοιχα, σε ένα συγκεκριμένο παιχνίδι).

Cyber Glove

Στην ουσία είναι ένα γάντι, που προσομοιώνει την κίνηση του χεριού στο εικονικό περιβάλλον. Στο γάντι υπάρχουν 18 αισθητήρες, όσες είναι και οι κλειδώσεις του χεριού. Με τη βοήθεια των ηλεκτρονικών αυτών συστατικών, το cyber glove επιτρέπει στο χρήστη να καθορίσει ορισμένες κινήσεις του χεριού να επιτελούν συγκεκριμένες ενέργειες, όπως είναι η επιλογή από ένα μενού, η περιπλάνηση στο εικονικό περιβάλλον ή η αλληλεπίδραση με κάποια αντικείμενα. Επιπρόσθετα, το cyber glove είναι εξοπλισμένο με μία συσκευή παρακολούθησης έξι βαθμών ελευθερίας, η οποία καταγράφει τρεις τιμές για τη θέση του χεριού, καθώς αυτό κινείται στο χώρο : την τιμή Χ (αριστερά – δεξιά), την τιμή Υ (πάνω – κάτω) και την τιμή Ζ (μπροστά – πίσω), και τον προσανατολισμό γύρω από την καθεμιά από αυτές τις διαστάσεις. Στην οθόνη του υπολογιστή εμφανίζεται η εικόνα ενός χεριού που «καθρεφτίζει» τις κινήσεις του χεριού του χειριστή. Το cyber glove είναι μια πολύ ευαίσθητη συσκευή και για να λειτουργεί σωστά πρέπει να ανα-βαθμονομείται για τον κάθε χρήστη.

Γιλέκο Αλληλεπίδρασης Εικονικής Πραγματικότητας (Interactor VR Vest)

Πρόκειται για άλλη μία φορητή συσκευή, η οποία παρέχει φυσική αλληλεπίδραση στο πάνω μέρος του σώματος του χρήστη. Παρόμοια με το γάντι που εξετάσαμε πιο πάνω, η σύνδεση επιτυγχάνεται με ένα αριθμό αισθητήρων, οι οποίοι τοποθετούνται σε διάφορα σημεία του γιλέκου. Έτσι, ο χρήστης μπορεί να αισθανθεί ένα χτύπημα που δέχεται, σε ένα παιχνίδι μάχης.

Καρέκλα Εικονικής Πραγματικότητας (Intensor VR Chair)

Η καρέκλα εικονικής πραγματικότητας έχει την ιδιότητα παροχής έντονης ηχητικής αλληλεπίδρασης στο χρήστη. Έχοντας εγκατεστημένα στα διάφορα σημεία της πολυάριθμα ηχεία και subwoofers και με την ικανότητα παραγωγής ρεαλιστικών ηχητικών δονήσεων, επιτρέπει στο χρήστη όχι μόνο να ακούει αλλά πραγματικά και να «νιώθει» τον ήχο.