Ing. Lukáš Bosák, PhD.
Stavebná fakulta STU v Bratislave
Hlavným zámerom tohto článkuje ukázať možné aplikácie virtuálnej a zmiešanej reality v procese projektovania stavieb. Zaoberá sa históriou virtuálnej reality a súčasnými možnosťami róznych headsetov pre virtuálnu realitu (VR). Zobrazuje proces návrhu, VR headsety, VR softvér atď. Ukazuje aj možné aplikácie v budúcnosti, najmä v stavebníctve.
Čo je virtuálna realita?
Podra American Heritage Science Dictionary je virtuálna realita počítačová simulácia skutočného alebo imaginárneho sveta alebo scenára, v ktorej móže používater interagovať so simulovanými predmetmi alebo živými vecami v reálnom čase. Sofistikovanejšie systémy virtuálnej reality umiestňujú na telo používatera senzory, ktoré snímajú pohyby a tie systém interpretuje ako pohyby v simulo vanom svete; binokulárne okuliare sa niekedy použivajú na simuláciu vzhl“adu predmetov v troch rozmeroch.
História virtuálnej reality
Stereoskopia. Stereoskopia je technika na vytvorenie alebo zosilnenie ilúzie hÍbky v obraze pomocou stereopsie na binokulárne videnie. Slovo stereoskopia pochádza z gréckeho o,EpEÓ (stereos), čo znamená „pevný“, a oKorrÉw (skopec), čo znamená „dívať sa, vidier“. Akýkorvek stereoskopický obraz sa nazýva stereo gram. Póvodne stereogram označoval pár stereoobrázkov, ktoré bolo možné prezerať pomocou stereoskopu.
Vačšina stereoskopických metód zobrazuje dva ofsetové obrazy oddelene pre ravé a pravé oko diváka. Tieto dvojrozmerné obrazy sa potom kombinujú v mozgu, aby poskytli vnímanie 3D hÍbky. Táto technika sa odlišuje od 3D displejov, ktoré zobrazujú obraz v troch plných rozmeroch, čo umožňuje pozorovaterovi zvýšiť informácie o zobrazovaných trojrozmerných objektoch pohybmi hlavy a očí. Tento princíp sa nazýva stereoskopia a samotný výpočet hÍbok sa nazýva triangulácia.
Prvá stereografická fotografia. V roku 1838 Charles Wheatstone a Fox Talbot spolupracovali na stereofotografii, ktorá umožnila kombinovať dvojice identických obrazov a prezerať ich 3D okuliarmi. Pozostáva z dvoch fotografií zhotovených v r6znych polohách fotoaparátu. Potom sa táto stereofotogra fia vloží do stereoskopu. Keď sa l’udia pozerajú cez stereoskop, m6žu vidieť statický 3D obraz. Na vytvorenie 3D obrazu zo zdrojov 2D obrazu sa používa viac technik. Začali sa rozvíjať s kinematografiou. Toto je zoznam používaných aktívnych/pasívnych technik: shutter systémy, polarizačné systémy, interferenčné filtračné systémy, color anaglyph systémy, chromadepth systém, Pulfrich systém atď. Všelky tieto systémy vyvinuté v historii viedli k vývoju zariadení virtuálnej reality, ako ich poznáme dnes.
Virtuálna realita – VR a rozšírená realita-AR
Virtuálna realita a zariadenia pre VR. Virtuálna realita je pine počítačem generované prostredie odosielané na zobrazovacie zariadenie. Jeho princip je založený na stereoskopii. Namiesto tlačených obrázkov využíva dvojicu full HD displejov. Jeden displej je pre každé oko. Zariadenia virtuálnej reality majú ďalšie ovládače, pomocou ktorých sa mažeme pohybovať vo VR scéne. Niektoré majú pohybové senzory, ktoré sledujú našu polohu v 3D priestore. Náš pohyb v 3D priestore je vďaka nim presnejší.
Bežná špecifikácia headsetov je: OLED displeje s rozlišením 2 160 x 1 200 pixelov, obnovovacia frekvencia 90 Hz, zorné pole llO stupňov, akcelerometer, gyroskop, laserový sledovací systém, sledovacia kamera. Pokročilejšie headsety disponujú funkciou sledovania oka (kamery vnútri headsetu), tým sa dá docieliť lepšie zaostrenie obrazu v mieste scény, kde práve smerujeme svoj pohl’ad.
Softvér. Virtuálna realita bola primárne vytvorená pre zábavný priemysel – hry a filmy. Zariadenia VR potrebujú výkonné počítače na výpočet velkého množstva operácií. Ak ich chceme používať v staveb níctve, musíme tieto zariadenia urobiť mobilnými. Mažeme ich pripojiť cez bezdr6tový systém, ale stále potrebujeme výkonné výpočtové zariadenie. Preto musíme vytvoriť softvér, ktorý predpovedá a zjednoduší tieto komplikované numerické metody na generovanie 3D VR scény.V súčasnosti sa na vývoj hier používa softvér, keď chceme vytvoriť VR scénu zo softvéru CAD alebo BIM. Potrebujeme reviesť modely na platformy na vývoj hier ako Unity 3D alebo Unreal Engine. Vznikajú aj špecializované programy na tvorbu vizualizácií a prechádzania v takomto modeli v reálnom čase. Výpočtové jadro týchto programov je však takisto prevzaté zo softvérov určených pre herný priemysel. Príkladmi takýchto softvérov sú napr.Twinmotion a Enscape. Tieto predstavujú vel“mi jednoduchý systém importovania modelu z aplikácie BIM do vizualizačného softvéru. Jednoduchým prepojením s VR headsetom je možné sa poprechádzať v scéne, meniť povrchy, meniť spósoby zobrazenia modelu, pozrieť sa na simuláciu výstavby. Ak použijeme model BIM a vizualizačný softvér túto funkcionalitu podporuje, vieme si pozrier aj kompletné informácie o prvkoch.
Rozšírená a zmiešaná realita (AR).
Rozšírená a zmiešaná realita kombinuje objekty a scény VR so skutečným svetom. Rozhranie m6že interagovat‘ aj s reálnym svetom, takže používatelia móžu vidieť, aké typy konštrukcií sú už vytvorené a aké konštrukcie budú vytvorené. Budúce kolízie budeme mócr vidiet“ na mieste a opravit“ ich. To je vel“mi výhodné na stavbe. Pracovníci móžu mat“ prilby s integrovaným zariadením a vidieť zmeny pri konštrukcii v reálnom čase. Rozšírená realita využíva nezávislé výpočtové zariadenie, které je integrované v náhlavnej súprave. Táto funkcia je vel“mi pohodlná, ale cena týchto zariadení je vermi vysoká. V poslednom čase narástol záujem společností o rozšíre nú/zmiešanú realitu. Toto nové médium nie je určené len na zábavu, ale aj pre umenie a dizajn, vzdelávanie, simulácie, psycholó giu a pod.
Virtuálna realita a stavebníctvo
Pojem virtuálna realita sa lúďom spája vačšinou so zábavou. Využíva sa hlavne v hernom priemysle. V poslednom čase sa však rozširuje aj do oblasti stavebníctva. Ako sme už spomínali, virtuálna realita sa dá použiť na prezentáciu návrhov v 3D priestore. Na to slúži 3D modelovací program a rendrovacie jadro (vo vačšine prípadov je to plugin progra mu alebo samostatný program, kam sa importuje geometria z modelovacieho programu), ktoré podporuje prepočítava nie obrazu do VR headsetu v reálnom čase. Na to je potrebný aj dostatočný výpočtový výkon. V stavebnom priemysle však nejde len o vizualizácie. Pri používaní virtuálnej reality je možné skúmať konštrukcie zvnútra, pochopit‘ detaily, postupy vytvárania konštrukcie atď. Rozšírená realita sa používa priamo na stavbách, kde sa skúmajú zabudované prvky, predchádza sa róznym druhom a stupňom kolízií.
Prípadová štúdia
Rozšírená realita sa móže v prenesenom význame spájať aj s predprojektovou prípravou. Ako jeden z príkladov sa dá použiť zameranie objektu. V tomto prípade ide o rekonštrukciu objektu rodinného domu. Zameranie prebiehalo pomocou technológie LiDAR (LiDARje metóda na určovanie dosahov zamera ním objektu alebo povrchu laserom a meraním času, za ktorý sa odrazené svetlo vrátí do prijímača) – táto technológia slúži na skenovanie povrchu pomocou lasera. Jedným z exportov je tzv. mračno bodov (Mračno bodov je množina údajových bodov v priestore. Body móžu predstavovať 3D tvar alebo objekt. Každá poloha bodu má svoju súpravu súradníc (X, Y, Z)). Vytvorené mračno bodov sa previedlo na plochy (polygóny). Tieto sa mapujú textúrami podl’a fotografií priestoru. Kvalita výsledného modelu závisí od nastavenia a presnosti snímača LiDAR.
Takýto model sa importuje do programu, kde sa vytvorí 3D model objektu. Skenovanie objektu je výhodné hlavne kvóli presnosti a eliminácii pozabudnutia a chybovosti pri ručnom zameriavaní. Model je v celku a stále prístupný. Vytvorené konštrukcie obsahujú všetky podstatné informácie. Takýto model možno označiť za model BIM.
Po vytvorení modelu sa podl’a požiadaviek upraví, doplní podstatnými prvkami a informáciami. Takýto model je možné využiť v prostredí 3D virtuálnej reality spolu s póvodným naskenovaným modelom. V reálnom čase sa dá medzi modelmi prepínať a sú viditel’né všetky zmeny konštrukcií. Informácie o konštruk ciách sa v 3D priestore dajú l’ahko vyčítať po kliknutí na ich povrch. Pri rozšírenej realite je možné tento model načítať do tabletu a priamo na mieste budúcej rekonštrukcie pozorovat‘ zmeny na obrazovke v porovnaní s reálnym prostredím. Kvóli problematike ponúknutia reálneho zobrazenia z VR headsetu je tu uvedený príklad z 3D vizualizačného programu, ktorý je možné spustit‘ aj v režime VR a možno pozorovat‘ zmeny prepínaním v možnostiach zobrazenia konštrukcie.
Záver
V procese navrhovania a výstavby budov je rozšírená realita výhodnejšia než virtuálna realita. Virtuálna realita je vhodná v ranej fáze procesu projektova nia, hlavne na prezentáciu budúceho vzhl“adu budovy. Rozšírená realita bude v budúcnosti d61ežitou súčasťou procesu navrhovania. Pomaže aj priamo na mieste v procese výstavby so správnym umiestnením prvkov alebo pri rozlišovaní a riešení kolízií. Vďaka systému GPS alebo európskemu navigačnému systému Galileo budeme m6cť vidieť priamo na mieste virtuálne „dvojčatá“ budúcich stavieb. Postupným zavádzaním nových technológií budú tieto možnosti čoraz prístupnejšie aj širšej verejnosti v bežne používaných zariadeniach.
