home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Monster Media 1993 #2 / Image.iso / magazine / aum005.zip / FILE6.005 < prev    next >
Text File  |  1993-07-16  |  21KB  |  375 lines

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