Sanal ve Artırılmış Gerçeklik Teknolojisinde Olmazsa Olmazlar

Sanal ve Arttırılmış gerçekliğin, teknolojik evrimini tamamladığında, var olan gerçekliğimizi değiştirebileceği veya bize tamamen farklı bir gerçeklik sunabilecek hale geleceği düşünülüyor. Bu yeni bir bilişim devrimi olacaktır.  “Sanal ve Arttırılmış gerçeklik nedir?” Başlıklı yazımızı buradan okuyabilirsiniz.

Sözünü ettiğimiz bilişim devriminin gerçekleşmesi ve geleceğin insan-bilgisayar etkileşiminin gözlük üzerinde olması için çözülmesi gereken bazı büyük sorunlar mevcut. Özellikle ekranlarımızın sağlaması gereken nitelikler, bu sorunların büyük bir parçasını oluşturuyor.

Sutherland 1968 yılında yazdığı bu alanı başlatan makalesi sanal gerçekliğin, gerçek kadar gerçek olabilmesi için bütün gereklilikleri sıralıyor [Sutherland, 1965]. Rolland ve arkadaşlarının [Rolland 2012] yazdığı kitap bölümü ve Google’da bulunan araştırmacılardan Ozan Çakmakçı’nın [Çakmakçı 2006] sanal gerçeklik gözlüklerinin niteliklerine dair makalesi değişik optik düzenler için durumu detaylı olarak inceliyor ve mevcut yapıları sundukları açısal görüş alanı konusunda sınıflandırıyor.

Son 10 yılda geliştirilen dalga kılavuzu şeklinde ince lensler ve holografik lenssiz teknolojiler optik problemlere çok yeni çözümler getirmeye başladı. Bunların yanı sıra bahsi geçen, gereken ve istenilen ekran nitelikleri şu şekilde özetlenebilir:

  1. Görüş açısı: Ekranların sunduğu görüş açısı, sağlıklı bir insanın iki gözüyle aynı anda görebildiği toplam görüş açısı kadar geniş olabilmelidir. Genel algı insanın toplam görüş açısının 190 derece olduğu yönünde olmasına rağmen [Webb 1964], askeri kaynaklarda bu değer 270 derece kadar büyük değerlerle ifade ediliyor.
  2. Çözünürlük: Ekranların sunduğu kareciklerin (piksellerin) büyüklüğü insan gözünün baktığı doğrultuda ayırt edebildiği en ufak noktadan küçük, sayıları ise insan gözünün ayırt edebileceğinden daha fazla olması gerekiyor. Ortalama sağlıklı bir insan gözü, baktığı doğrultuda açısal olarak en ufak 1 ark dakikalık karecikleri ayırt edebilir. Bakmadığı doğrultuda ise bu değerler giderek azalır. Öte yandan çözünürlük herkes için aynı olan basit bir olgu değil, insan algısına ve içeriğe göre önemli farklılıklar gösterir [Strasburger, 2011].
  3. Görüntü penceresi: Sanal gerçeklik gözlüklerinin yanı sıra teleskop, mikroskop gibi optik düzenekler kullanıcıya içeriği görebilecekleri küçük bir görüntü penceresi alanı sunar. Örneğin, teleskoplarda bu alan teleskopun göze yakın merceğinin tam karşısındadır. Kullanıcı gözünü kaideye göre çok az hareket ettirdiği takdirde görüntüyü göremez hale gelir. Sanal gerçeklik gözlükleri tüm insanlara hizmet etmeyi hedeflediğine göre gözlükler, insanların değişik göz aralıkları, gözün anatomik yapısı ve göz hareketleri gibi unsurlar hesaba katılarak tasarlanmalıdır [Dodgson 2004].
  4. Göz ve 3 boyut görüntü odak uyumu: İnsan gözü içerisinde bir mercek sistemi barındırıyor. Bu mercek sistemi bakılan uzaklığa göre odak noktasını değiştiriyor ve bu sayede görüntünün en açık ve net şekilde görünmesini sağlıyor. Campbell ve Westheimer [Campbell ve Westheimer 1960] yaptıkları çalışmada insan gözünün bir gecikme ile bu uyumu sağlayabildiğini gözlemledi. Bu gecikme en yakın uzaklıktan en uzak uzaklığa geçildiğinde 1 saniye kadar vakit alabiliyor.

Sanal gerçeklik gözlükleri mevcut durumda, aynen üç boyutlu sinema ekranlarında olduğu gibi kullanıcının her bir gözüne sahnenin ayrı bir perspektifini sabit bir odak ile belli bir ekran uzaklığında sunuyor. Bu durumda kullanıcı için görüntünün açık ve net olduğu tek yer sinema perdesinin bulunduğu yer. Ancak içerik uzaklık olarak perdeden farklı bir konumda ise insan gözü odağını bu noktaya uygun şekilde değiştirmeye çalışır. Bu gibi durumlarda kullanıcı görüntüyü bulanık görür ve uzun kullanım sürelerinde doğal olmayan bu durumun kullanıcıda mide bulantısı veya baş ağrısı gibi semptomlar oluşturabilir.

David Hoffman ve arkadaşlarının bu konuda yayınladıkları makale deneysel bulgular içeriyor [Hoffman 2008]. Şekilde görüldüğü gibi tek bir göz ile bakıldığında dahi sadece doğru derinlikte olan cisimler net, diğerleri ise bulanık görünüyor. Artırılmış veya sanal gerçeklik gözlüklerinden gelecekte beklenen, bütün veya kısmen odak uzaklıklarını doğru şekilde gösterebilmeleri ve bu sayede kullanıcıya her zaman net ve doğal olan görüntü sunabilmeleri. Ayrıca kullanıcının göz kusurlarına göre sanal görüntünün uyarlanarak başka gözlük kullanımına gerek olmaması da önemli.

Gerçek ve gözü yormayan 3-boyut algısı için gözün odağı değiştiğinde farklı cisimler netleşip bulanıklaşmalıdır. Bu özellik ancak holografik ve benzeri teknolojiler ile sağlanabilir.
  1. Gözlük boyutları: Sanal gerçeklik ekranlarının daha büyük kitlelere yayılabilmesi için cihazın fiziksel boyutlarının sosyal açıdan kabul görebilecek hacimde olması gerekli. Gelecekteki sanal gerçeklik gözlükleri güneş gözlükleri kadar şık ve ufak olmalı.
  2. Güç tüketimi: Sanal gerçeklik uygulamalarını, hayatın her aşamasında deneyimleyebilmek için; sanal gerçeklik gözlüğünün çevreye duyarlı ve uzun süreli kesintisiz kullanılabilir olması gerekiyor. Genel istek böylesine bir cihazın gelecekte çok az enerji tüketmesi yönünde. Tıpkı cep telefonlarımızda olduğu gibi 5 Watt ‘ın altında bir güç tüketimi isteniyor.
  3. Hesaplama hızı: Sanal gerçeklik gözlüklerinden beklenen bir diğer özellik ise ekrana gönderilen bilginin gecikmeden kullanıcıya sunulması. Gözle görülebilecek gecikmeler kullanıcı deneyimini düşürecektir ve baş ağrısı gibi semptomlara sebep olabilir. Mevcut durumda Oculus/Facebook gibi üreticilerin isteği, en az 90 Hz’lik (saniyede 90 kez) bir tazeleme frekansıyla tüm algılayıcıların, hesaplamaların, ve ekranın en son ve en yeni bilgiyle güncellenmesi.
  4. Sanal ve gerçeğin örtüşmesi: Mevcut gerçekliğimizin üzerine ek bilgi göstermeyi hedefleyen sanal gerçeklik gözlüklerinin aynı zamanda mevcut gerçekliğin algılanma şeklini optik anlamda değiştirmesi hedefleniyor. Bu sayede mevcut gerçek nesnelerin üstü kapatılabilecek ve yerine yeni sanal nesneler gösterilebilecek veya mevcut nesne çeşitli değişiklikler barındırabilecek Bunun için kullanıcının çevresinin çok hassas olarak algılanması ve sanal görüntülerin gerçek görüntülerin arasına doğallığı bozmadan serpiştirilmesi gerekiyor ve bu bir çok açıdan zor bir problem. Algılayıcı hassasiyetlerinin yanı sıra sanal gerçeklik gözlüklerinin doğal renk algısına uygun şekilde renk üretebilmesi de bir başka hedef.

Gereksinimlerin bütünü bahsedilenlerle kısıtlı olmayıp ses, dokunma hissi, hesaplama kabiliyeti, bilgi akışı, kontrol edebilme, etrafını anlayabilme ve yapay zeka vasıtasıyla yardımcı olabilme gibi eksenlere uzanıyor.

Sanal gerçeklik gözlüklerinin ekranları konusunda gelişmeler hızla devam ediyor.  Yukarıda sözü edilen problemlere yönelik son yıllarda olan gelişmelere ve görsellere ulaşabileceğiniz makaleler: Matsuda 2017, Akşit 2017, Dunn 2017, Maimone 2017, Jang 2017, Shi 2017, Konrad 2017, Hua 2017, Urey 2016/ Bunlar dışında gözlüklere alternatif olabilecek artırılmış gerçeklik ekranları da mevcuttur [Soomro, 2018].

Bu konuda Türkçe görseller içeren video kaynak: Hakan Ürey Tedx Konuşması 2015.

Kaynakçadaki bütün sistemler mevcut tekniği ilerletmesine rağmen henüz bahsi geçen tüm sorunlara tam olarak çare sağlayamadı. Bu sebeple önümüzdeki zaman zarfında araştırmacılardan birçok yenilik ve bilimsel gelişme duyacağımıza dair şüphemiz yok. Soru ve yorumlarınız için bizlere e-posta yoluyla ulaşabilirsiniz.

Kaan Akşit
NVIDIA, Santa Clara, Kaliforniya, Amerika Birleşik Devletleri

[email protected]

Hakan Ürey
Bilim Akademisi üyesi

Koç Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Bölümü öğretim üyesi
[email protected]

Kaynakça

Sutherland, Ivan E. “The ultimate display.” Multimedia: From Wagner to virtual reality (1965).

P. Rolland, K. P. Thompson, H. Urey, and M. Thomas, “See-Through Head Worn Display (HWD) Architectures,” in Handbook of Visual Display Technology, J. Chen, W. Cranton, and M. Fihn, eds. (Springer, 2012), pp. 2145–2170.

Cakmakci, Ozan, and Jannick Rolland. “Head-worn displays: a review.” Journal of display technology 2.3 (2006): 199-216.

Paul Webb. 1964. Bioastronautics data book. (1964).

Strasburger, Hans, Ingo Rentschler, and Martin Jüttner. “Peripheral vision and pattern recognition: A review.” Journal of vision 11.5 (2011): 13-13.

Dodgson, Neil A. “Variation and extrema of human interpupillary distance.” Proceedings of SPIE. Vol. 5291. 2004.

Hoffman, David M., Ahna R. Girshick, Kurt Akeley, and Martin S. Banks. “Vergence–accommodation conflicts hinder visual performance and cause visual fatigue.” Journal of vision 8, no. 3 (2008): 33-33.

Akşit, Kaan, Ward Lopes, Jonghyun Kim, Peter Shirley, and David Luebke. “Near-eye varifocal augmented reality display using see-through screens.” ACM Transactions on Graphics (TOG) 36, no. 6 (2017): 189.

Dunn, David, Cary Tippets, Kent Torell, Petr Kellnhofer, Kaan Akşit, Piotr Didyk, Karol Myszkowski, David Luebke, and Henry Fuchs. “Wide field of view varifocal near-eye display using see-through deformable membrane mirrors.” IEEE transactions on visualization and computer graphics 23, no. 4 (2017): 1322-1331.

Maimone, Andrew, Andreas Georgiou, and Joel S. Kollin. “Holographic near-eye displays for virtual and augmented reality.” ACM Transactions on Graphics (TOG) 36, no. 4 (2017): 85.

Jang, Changwon, Kiseung Bang, Seokil Moon, Jonghyun Kim, Seungjae Lee, and Byoungho Lee. “Retinal 3D: augmented reality near-eye display via pupil-tracked light field projection on retina.” ACM Transactions on Graphics (TOG) 36, no. 6 (2017): 190.

Matsuda, Nathan, Alexander Fix, and Douglas Lanman. “Focal surface displays.” ACM Transactions on Graphics (TOG) 36, no. 4 (2017): 86.

Shi, Liang, Fu-Chung Huang, Ward Lopes, Wojciech Matusik, and David Luebke. “Near-eye light field holographic rendering with spherical waves for wide field of view interactive 3D computer graphics.” ACM Transactions on Graphics (TOG) 36, no. 6 (2017): 236.

Konrad, N. Padmanaban, K. Molner, E. A. Cooper, G. Wetzstein. “Accommodation-invariant Computational Near-eye Displays”, ACM SIGGRAPH (Transactions on Graphics 36, 4), 2017.

Hua, Hong. “Enabling focus cues in head-mounted displays.” Proceedings of the IEEE 105, no. 5 (2017): 805-824.

Hakan Urey, Erdem Ulusoy, Seyedmahdi M. K. Kazempourradi, Deniz Mengu, Selim Olcer, Sven T. Holmstrom, “Wearable and augmented reality displays using MEMS and SLMs”, Proc. SPIE 9760, MOEMS and Miniaturized Systems XV, 976004 (15 March 2016);

Shoaib R. Soomro and Hakan Urey, “Integrated 3D display and imaging using dual purpose passive screen and head-mounted projectors and camera,” Opt. Express 26, 1161-1173 (2018).

1 Yorum

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here