home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HaCKeRz KrOnIcKLeZ 3 / HaCKeRz_KrOnIcKLeZ.iso / anarchy / essays / term / vtrealty.txt < prev    next >
Text File  |  1996-04-27  |  23KB  |  530 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7. Virtual Reality - What it is and How it Works
  8.               
  9. Imagine  being able  to point into  the sky and  fly.  Or
  10. perhaps  walk through space  and connect molecules together.
  11. These  are  some  of  the dreams  that  have  come  with the
  12. invention  of  virtual reality.    With the  introduction of
  13. computers,  numerous  applications  have  been  enhanced  or
  14. created.  The newest technology that is being tapped is that
  15. of  artificial  reality, or  "virtual  reality" (VR).   When
  16. Morton   Heilig  first  got  a  patent  for  his  "Sensorama
  17. Simulator"  in  1962, he  had no  idea  that 30  years later
  18. people  would still be  trying to simulate  reality and that
  19. they  would be doing it so  effectively.  Jaron Lanier first
  20. coined  the phrase "virtual reality" around 1989, and it has
  21. stuck  ever  since.   Unfortunately,  this  catchy  name has
  22. caused   people  to  dream  up   incredible  uses  for  this
  23. technology including using it as a sort of drug. This became
  24. evident  when,  among  other  people,  Timothy  Leary became
  25. interested  in  VR.    This has  also  worried  some  of the
  26. researchers  who are trying to create very real applications
  27. for  medical, space,  physical, chemical,  and entertainment
  28. uses among other things.
  29.               
  30. In  order to create this  alternate reality, however, you
  31. need  to find ways to create  the illusion of reality with a
  32. piece of machinery known as the computer.  This is done with
  33. several   computer-user  interfaces  used  to  simulate  the
  34. senses.   Among these, are  stereoscopic glasses to make the
  35. simulated  world look  real, a  3D auditory  display to give
  36. depth  to  sound, sensor  lined  gloves to  simulate tactile
  37. feedback, and head-trackers to follow the orientation of the
  38. head.     Since  the  technology   is  fairly  young,  these
  39. interfaces  have not  been perfected, making  for a somewhat
  40. cartoonish simulated reality.
  41.             
  42. Stereoscopic   vision  is  probably  the  most  important
  43. feature  of VR because  in real life,  people rely mainly on
  44. vision   to  get  places  and  do  things.    The  eyes  are
  45. approximately 6.5 centimeters apart, and allow you to have a
  46. full-colour, three-dimensional view of the world.
  47. Stereoscopy,  in itself, is not a very new idea, but the new
  48. twist  is trying to generate  completely new images in real-
  49. time.   In 1933,  Sir Charles Wheatstone  invented the first
  50. stereoscope  with  the same  basic  principle being  used in
  51. today's  head-mounted displays.   Presenting different views
  52. to  each eye  gives the illusion  of three  dimensions.  The
  53. glasses  that are used today work by using what is called an
  54. "electronic  shutter".  The lenses of the glasses interleave
  55. the  left-eye  and  right-eye  views  every  thirtieth  of a
  56. second.   The shutters selectively  block and admit views of
  57. the  screen  in  sync with  the  interleaving,  allowing the
  58. proper  views to  go into each  eye.  The  problem with this
  59. method though is that you have to wear special glasses.
  60.        
  61. Most  VR researchers use complicated  headsets, but it is
  62. possible  to  create  stereoscopic  three-dimensional images
  63. without them.  One such way is through the use of lenticular
  64. lenses.   These lenses, known since Herman Ives experimented
  65. with  them in 1930,  allow one to take  two images, cut them
  66. into  thin vertical  slices and  interleave them  in precise
  67. order  (also  called multiplexing)  and put  cylinder shaped
  68. lenses  in front  of them  so that  when you  look into them
  69. directly,  the  images  correspond  with  each  eye.    This
  70. illusion  of  depth is  based  on what  is  called binocular
  71. parallax.    Another problem  that is  solved is  that which
  72. occurs  when one turns their head.  Nearby objects appear to
  73. move  more  than distant  objects.   This  is  called motion
  74. parallax.    Lenticular screens  can  show users  the proper
  75. stereo  images  when moving  their heads  well when  a head-
  76. motion sensor is used to adjust the effect.
  77.              
  78. Sound  is another important part of daily life, and thus
  79. must  be  simulated  well  in  order  to  create  artificial
  80. reality.   Many scientists including Dr. Elizabeth Wenzel, a
  81. researcher  at  NASA, are  convinced  the 3D  audio  will be
  82. useful  for scientific visualization  and space applications
  83. in  the ways the 3D video  is somewhat limited. She has come
  84. up  with  an interesting  use for  virtual sound  that would
  85. allow  an astronaut  to hear the  state of  their oxygen, or
  86. have an acoustical beacon that directs one to a trouble spot
  87. on  a satellite.  The "Convolvotron" is one such device that
  88. simulates  the location of up to  four audio channels with a
  89. sort  of  imaginary  sphere surrounding  the  listener. This
  90. device  takes into account that  each person has specialized
  91. auditory  signal  processing,   and  personalizes  what each
  92. person hears.
  93.               
  94. Using   a  position  sensor  from  Polhemus,  another  VR
  95. research  company, it  is possible  to move  the position of
  96. sound  by simply  moving a small  cube around  in your hand.
  97. The  key to the Convolvotron  is something called the "Head-
  98. Related  Transfer  Function  (HRTF)",  which  is  a  set  of
  99. mathematically  modelable responses that  our ears impose on
  100. the  signals they get from the air.  In order to develop the
  101. HRTF,  researchers  had to  sit people  in an  anechoic room
  102. surrounded  with  144  different  speakers  to  measure  the
  103. effects  of hearing  precise sounds from  every direction by
  104. using tiny microphone probes placed near the eardrums of the
  105. listener.   The way in which those microphones distorted the
  106. sound  from all directions  was a specific  model of the way
  107. that person's ears impose a complex signal on incoming sound
  108. waves  in order to  encode it in  their spatial environment.
  109. The  map of the  results is then converted  to numbers and a
  110. computer  performs about  300 million  operations per second
  111. (MIPS)  to create a numerical model  based on the HRTF which
  112. makes it possible to reconfigure any sound source so that it
  113. appears  to be  coming from  any number  of different points
  114. within the acoustic sphere.
  115.            
  116. This portion of a VR system can really enhance the visual
  117. and  tactile  responses.    Imagine  hearing  the  sound  of
  118. footsteps  behind you in a dark alley late at night. That is
  119. how important 3D sound really is.
  120.              
  121. The third important sense that we use in everyday life is
  122. that of touch.  There is no  way of avoiding the feeling of
  123. touch,  and thus  this is  one of  the technologies  that is
  124. being  researched upon most feverishly.   The two main types
  125. of  feedback that  are being  researched are  that of force-
  126. reflection  feedback and  tactile feedback.   Force feedback
  127. devices exert a force against the user when they try to push
  128. something  in  a virtual  world  that is  'heavy'.   Tactile
  129. feedback  is the sensation of feeling  an object such as the
  130. texture  of sandpaper.   Both  are equally  important in the
  131. development of VR.
  132.             
  133. Currently,  the  most  successful  development  in force-
  134. reflective   feedback   is  that   of  the   Argonne  Remote
  135. Manipulator  (ARM).  It  consists of a  group of articulated
  136. joints,  encoiled by long bunches of electrical cables.  The
  137. ARM  allows  for  six  degrees  of  movement  (position  and
  138. orientation)  to give  a true  feel of  movement.  Suspended
  139. from  the ceiling and  connected by a  wire to the computer,
  140. this  machine  grants  a user  the  power to  reach  out and
  141. manipulate  3D objects that are not real.  As is the case at
  142. the  University of North  Carolina, it is  possible to "dock
  143. molecules"  using  VR.    Simulating  molecular  forces  and
  144. translating them into physical forces allows the ARM to push
  145. back  at  the  user  if  he  tries  to  dock  the  molecules
  146. incorrectly.
  147.               
  148. Tactile  feedback is just as  important as force feedback
  149. in  allowing the user  to "feel" computer-generated objects.
  150. There  are several  methods for  providing tactile feedback.
  151. Some  of these  include inflating  air bladders  in a glove,
  152. arrays  of tiny pins  moved by shape  memory wires, and even
  153. fingertip  piezoelectric vibrotactile actuators.  The latter
  154. method  uses  tiny crystals  that  vibrate when  an electric
  155. current  stimulates them.  This  design has not really taken
  156. off  however,  but  the  other two  methods  are  being more
  157. actively  researched.  According to a report called "Tactile
  158. Sensing  in Humans and Robots," distortions inside the skins
  159. cause  mechanosensitive  nerve  terminals  to  respond  with
  160. electrical  impulses.   Each impulse is  approximately 50 to
  161. 100mV  in  magnitude and  1 ms  in  duration.   However, the
  162. frequency of the impulses (up to a maximum of 500/s) depends
  163. on  the intensity of the combination  of the stresses in the
  164. area near the receptor which is responsive.  In other words,
  165. the  sensors  which  affect  pressure in  the  skin  are all
  166. basically  the same, but can convey  a message over and over
  167. to  give the  feeling of pressure.   Therefore,  in order to
  168. have  any kind of  tactile response system,  there must be a
  169. frequency  of about 500 Hz in  order to simulate the tactile
  170. accuracy of the human.
  171. Right  now  however, the  gloves being  used are  used as
  172. input   devices.    One  such  device  is  that  called  the
  173. DataGlove.   This  well-fitting glove  has bundles  of optic
  174. fibers attached at the knuckles and joints.  Light is passed
  175. through  these optic fibers at one end of the glove.  When a
  176. finger  is bent,  the fibers  also bend,  and the  amount of
  177. light  that is allowed through the fiber can be converted to
  178. determine  the location at  which the user is.   The type of
  179. glove that is wanted is one that can be used as an input and
  180. output  device.  Jim Hennequin has worked on an "Air Muscle"
  181. that  inflates and  deflates parts of  a glove  to allow the
  182. feeling of various kinds of pressure.  Unfortunately at this
  183. time,  the feel it  creates is somewhat  crude.  The company
  184. TiNi  is exploring  the possibility  of using  "shape memory
  185. alloys"  to create tactile  response devices.   TiNi uses an
  186. alloy  called nitinol as the basis  for a small grid of what
  187. look like ballpoint-pen tips.  Nitinol can take the shape of
  188. whatever  it is cast in, and can  be reshaped.  Then when it
  189. is  electrically stimulated, the alloy  it can return to its
  190. original cast shape.  The hope is that in the future some of
  191. these  techniques will be used to  form a complete body suit
  192. that can simulate tactile sensation.
  193.              
  194. Being  able to determine where in the virtual world means
  195. you need to have orientation and position trackers to follow
  196. the  movements of the head and  other parts of the body that
  197. are  interfacing  with the  computer.   Many  companies have
  198. developed  successful  methods  of allowing  six  degrees of
  199. freedom  including  Polhemus  Research,  and  Shooting  Star
  200. Technology.   Six degrees of freedom refers to a combination
  201. cartesian  coordinate system and  an orientation system with
  202. rotation  angles called roll, pitch and yaw.  The ADL-1 from
  203. Shooting  Star is a  sophisticated and inexpensive (relative
  204. to  other trackers) 6D  tracking system which  is mounted on
  205. the  head, and converts position and orientation information
  206. into  a  readable  form  for  the  computer.    The  machine
  207. calculates head/object position by the use of a lightweight,
  208. multiply-jointed  arm.  Sensors mounted  on this arm measure
  209. the  angles of the joints.   The computer-based control unit
  210. uses    these   angles   to   compute   position-orientation
  211. information so that the user can manipulate a virtual world.
  212. The   joint   angle  transducers   use   conductive  plastic
  213. potentiometers  and ball  bearings so  that this  machine is
  214. heavy  duty.   Time-lag is eliminated  by the direct-reading
  215. transducers  and high  speed microprocessor,  allowing for a
  216. maximum     update     rate     of     approximately     300
  217. measurements/second.
  218.               
  219.  
  220. Another  system developed  by Ascension  Technology does
  221. basically  the same thing as the ADL-1, but the sensor is in
  222. the  form of a small cube which can fit in the users hand or
  223. in  a computer mouse specially developed  to encase it.  The
  224. Ascension Bird is the first system that generates and senses
  225. DC  magnetic fields.  The  Ascension Bird first measures the
  226. earth's  magnetic field  and then the  steady magnetic field
  227. generated  by the  transmitter.   The earth's  field is then
  228. subtracted  from the total,  which allows one  to yield true
  229. position   and  orientation  measurements.     The  existing
  230. electromagnetic systems transmit a rapidly varying AC field.
  231. As  this field varies,  eddy currents are  induced in nearby
  232. metals  which  causes  the metals  to  become electromagnets
  233. which  distort the measurements.   The Ascension Bird uses a
  234. steady  DC  magnetic filed  which  does not  create  an eddy
  235. current.      The   update   rate  of   the   Bird   is  100
  236. measurements/second.   However, the Bird  has a small lag of
  237. about 1/60th of a second which is noticeable.
  238.        
  239. Researchers  have also thought about supporting the other
  240. senses  such as taste and smell, but have decided that it is
  241. unfeasible  to  do.    Smell would  be  possible,  and would
  242. enhance  reality, but  there is  a certain  problem with the
  243. fact  that there is  only a limited  spectrum of smells that
  244. could be simulated.  Taste is basically a disgusting premise
  245. from most standpoints.  It might be useful for entertainment
  246. purposes,  but  has  almost no  purpose  for  researchers or
  247. developers.   For one  thing, people would  have to put some
  248. kind  of  receptors in  their mouths  and  it would  be very
  249. unsanitary.   Thus, the main senses  that are relied on in a
  250. virtual reality are sight, touch, and hearing.
  251.               
  252.  
  253. Applications of Virtual Reality
  254. Virtual  Reality  has promise  for nearly  every industry
  255. ranging   from  architecture   and  design   to  movies  and
  256. entertainment,  but  the  real industry  to  gain  from this
  257. technology  is science, in  general.  The  money that can be
  258. saved   examining  the  feasibility  of  experiments  in  an
  259. artificial  world before they  are done could  be great, and
  260. the  money saved  on energy used  to operate  such things as
  261. wind tunnels quite large.
  262.              
  263. The  best example of  how VR can help  science is that of
  264. the  "molecular  docking" experiments  being done  in Chapel
  265. Hill, North Carolina.  Scientists at the University of North
  266. Carolina  have developed a system that simulated the bonding
  267. of  molecules.  But instead of using complicated formulas to
  268. determine  bonding energy, or  illegible stick drawings, the
  269. potential  chemist can don a high-tech head-mounted display,
  270. attach  themselves to an artificial arm from the ceiling and
  271. actually push the molecules together to determine whether or
  272. not  they can  be connected.   The  chemical bonding process
  273. takes  on  a  sort  of puzzle-like  quality,  in  which even
  274. children  could learn to form bonds  using a trial and error
  275. method.
  276.               
  277. Architectural  designers have  also found that  VR can be
  278. useful  in visualizing  what their buildings  will look like
  279. when  they are put  together.  Often, using  a 2D diagram to
  280. represent  a 3D home is confusing,  and the people that fund
  281. large  projects would like  to be able to  see what they are
  282. paying  for before it  is constructed.   An example which is
  283. fascinating would be that of designing an elementary school.
  284. Designers   could  walk   in  the  school   from  a  child's
  285. perspective  to gain insight on how high that water fountain
  286. is,  or how narrow  the halls are.   Product designers could
  287. also use VR in similar ways to test their products.
  288. NASA  and  other aerospace  facilities  are concentrating
  289. research  on  such  things  as  human  factors  engineering,
  290. virtual  prototyping  of  buildings  and  military  devices,
  291. aerodynamic    analysis,   flight    simulation,   3D   data
  292. visualization,  satellite  position  fixing,  and  planetary
  293. exploration  simulations.    Such  things  as  virtual  wind
  294. tunnels  have  been in  development for  a couple  years and
  295. could save money and energy for aerospace companies.
  296.              
  297. Medical  researchers  have  been using  VR  techniques to
  298. synthesize  diagnostic  images  of a  patient's  body  to do
  299. "predictive"  modeling of  radiation treatment  using images
  300. created  by ultrasound,  magnetic resonance  imaging, and X-
  301. ray.   A radiation  therapist in a  virtual would could view
  302. and  expose a  tumour at any  angle and  then model specific
  303. doses  and configurations of  radiation beams to  aim at the
  304. tumour  more  effectively.   Since radiation  destroys human
  305. tissue easily, there is no allowance for error.
  306. Also,  doctors could  use "virtual  cadavers" to practice
  307. rare  operations which  are tough  to perform.   This  is an
  308. excellent  use because one could  perform the operation over
  309. and  over  without  the  worry of  hurting  any  human life.
  310. However,  this sort  of practice  may have  it's limitations
  311. because  of the fact  that it is  only a virtual  world.  As
  312. well,  at this  time, the  computer-user interfaces  are not
  313. well  enough developed and it is estimated that it will take
  314. 5 to 10 years to develop this technology.
  315.               
  316. In Japan, a company called Matsushita Electric World Ltd.
  317. is  using  VR to  sell their  products.   They employ  a VPL
  318. Research  head-mounted  display  linked  to  a  high-powered
  319. computer  to  help  prospective customers  design  their own
  320. kitchens.   Being  able to see  what your  kitchen will look
  321. like  before you actually refurnish could help you save from
  322. costly mistakes in the future.
  323.               
  324. The  entertainment industry stands to gain a lot from VR.
  325. With  the video game  revolution of bigger  and better games
  326. coming   out  all  the  time,  this  could  be  the  biggest
  327. breakthrough  ever.   It  would be  fantastic to  have sword
  328. fights  which actually feel  real.  As  well, virtual movies
  329. (also  called vroomies)  are being developed  with allow the
  330. viewer  to  interact  with  the  characters  in  the  movie.
  331. Universal  Studios  among  others  is  developing  a virtual
  332. reality  amusement park  which will  incorporate these games
  333. and vroomies.
  334.               
  335. As it stands, almost every industry has something to gain
  336. from  VR  and in  the years  to comes,  it appears  that the
  337. possibilities are endless.
  338.                                             
  339.  
  340. The Future of Virtual Reality
  341. In  the coming  years, as  more research  is done  we are
  342. bound to see VR become as mainstay in our homes and at work.
  343. As  the computers become faster, they will be able to create
  344. more  realistic graphic  images to  simulate reality better.
  345. As  well,  new  interfaces  will  be  developed  which  will
  346. simulate  force  and  tactile feedback  more  effectively to
  347. enhance  artificial  reality that  much more.   This  is the
  348. birth  of a new technology and it will be interesting to see
  349. how  it develops in the years to come.  However, it may take
  350. longer than people think for it to come into the mainstream.
  351. Millions  of  dollars in  research  must be  done,  and only
  352. select industries can afford to pay for this.  Hopefully, it
  353. will be sooner than later though.
  354.               
  355. It  is  very  possible  that in  the  future  we  will be
  356. communicating  with  virtual phones.   Nippon  Telephone and
  357. Telegraph  (NTT) in Japan is  developing a system which will
  358. allow  one person to  see a 3D  image of the  other using VR
  359. techniques.     In  the  future,   it  is  conceivable  that
  360. businessmen  may hold conferences in  a virtual meeting hall
  361. when  they are actually at  each ends of the  world.  NTT is
  362. developing  a  new  method of  telephone  transmission using
  363. fiber  optics which  will allow  for much  larger amounts of
  364. information  to  be passed  through the  phone lines.   This
  365. system  is  called the  Integrated Services  Digital Network
  366. (ISDN)  which will help  allow VR to  be used in conjunction
  367. with other communication methods.
  368.              
  369. Right now, it  is very  expensive to  purchase, with the
  370. head-mounted  display costing anywhere from about $20,000 to
  371. $1,000,000 for NASA's Super Cockpit.  In the future, VR will
  372. be  available to  the end-user at  home for  under $1000 and
  373. will  be of better quality  than that being developed today.
  374. The  support for it will be about as good as it is currently
  375. for plain computers, and it is possible that VR could become
  376. a very useful teaching tool.
  377.  
  378.  
  379.  
  380.  
  381.  
  382.  
  383.  
  384.  
  385.  
  386.  
  387.  
  388.  
  389.  
  390.  
  391.  
  392.  
  393.  
  394.  
  395.  
  396.  
  397.  
  398.  
  399.  
  400.  
  401.  
  402.  
  403.                                 Sources of Information
  404.                                             
  405.               
  406.              Books and Periodicals
  407.               
  408. Benningfield, Damond.  "The Virtues of Virtual Reality."
  409.                        Star Date, July/Aug. 1991, pp. 14-15.
  410.               
  411. Burrill, William.  "Virtual Reality."  Toronto Star, 13 July
  412.                    1991, pp. J1-3.
  413.               
  414. Brill, Louis M.  "Facing Interface Issues."  Computer
  415.                  Graphics World, April 1992, pp. 48-58.
  416.               
  417. Daviss, Bennett.  "Grand Illusions."  Discover, June 1990,
  418.                   pp. 36-41.
  419.               
  420. Emmett, Arielle.  "Down to Earth: Practical Applications of
  421.                   Virtual Reality Find Commercial Uses."
  422.  
  423. Computer Graphics World, March 1992, pp. 46-54.
  424.               
  425. Peterson, Ivars.  "Recipes for Artificial Realities."
  426.                   Science News, 24 Nov. 1990, pp. 328-329.
  427.               
  428. Peterson, Ivars.  "Looking-Glass Worlds."  Science News,
  429.                   4 Jan 1992, pp. 8-15.
  430.               
  431. Porter, Stephen.  "Virtual Reality."  Computer Graphics
  432.                   World, March 1992, pp. 42-43.
  433.               
  434. Rheingold, Howard.  Virtual Reality. Toronto: Summit Books,
  435.                     1991.
  436.               
  437. Tisdale, Sallie.  "It's Been Real."  Esquire, April 1991,
  438.                   pp. 36-40.
  439.               
  440. Various.  Virtual Reality Special Report.  San Francisco:
  441.           Meckler Publishing, 1992.
  442.               
  443.               
  444.              Companies Contacted:
  445.               
  446.              Ascension Technology Corp.
  447.              P.O Box 527
  448.              Burlington, VT 05402
  449.              (802)655-7879
  450.               
  451.              Polhemus Inc.
  452.              P.O Box 560
  453.              Colchester, VT 05446
  454.              (802)655-3159
  455.               
  456.              Shooting Star Technology
  457.              1921 Holdom Ave.
  458.  
  459.  
  460.  
  461.  
  462.  
  463.  
  464.  
  465.  
  466.  
  467.  
  468.  
  469.  
  470.              Burnaby, BC V5B 3W4
  471.              (604)298-8574
  472.               
  473.              Virtual Technologies
  474.              P.O. Box 5984
  475.              Stanford, CA 94309
  476.              (415)599-2331
  477.               
  478.              VPL Research Inc.
  479.              656 Bair Island Rd. Third Floor
  480.              Redwood City, CA 94063
  481.              (415)361-1710
  482.               
  483.  
  484.  
  485.  
  486.  
  487.  
  488.  
  489.  
  490.  
  491.  
  492.  
  493.  
  494.  
  495.  
  496.  
  497.  
  498.  
  499.  
  500.  
  501.  
  502.  
  503.  
  504.  
  505.  
  506.  
  507.  
  508.  
  509.  
  510.  
  511.  
  512.  
  513.  
  514.  
  515.  
  516.  
  517.  
  518.  
  519.  
  520.  
  521.  
  522.  
  523.  
  524.  
  525.  
  526.  
  527.  
  528.  
  529.  
  530.