 
Virtual Reality
 
door:
R.M. Seegers (mseegers@sara.nl)
J.A.L. Been
 
Vrij Universiteit Amsterdam
Maart 1994
 
---------------------------------------------------
 
Inhoudsopgave
 
Woord vooraf
 
1    Het concept van Virtuele Realiteit
     1.1  Theorie
     1.2  Verleden
 
2    Objecten
     2.1  Inleiding
     2.2  Definitie
     2.3  Interactie
     2.4  De geometrie der objecten
 
3    De techniek
     3.1  Inleiding
     3.2  Zien
     3.3  Sensoren en effectors
     3.4  Geluid
     3.5  Hardware
     3.6  Software
          3.6.1 Computer Ondersteund Ontwerpen
          3.6.2 Object Georienteerd Programmeren
          3.6.3 Virtual Programming Language
          3.6.4 Standaardisatie
 
4    Toekomstvisie
     4.1  Inleiding
     4.2  Amusement
     4.3  Zakelijk/serieus
     4.4  Toekomstvisie op VR-techniek
 
5    Ter afsluiting
 
Literatuuroverzicht
 
 
Woord vooraf
 
     In de nog maar korte geschiedenis van de mens
lijkt het erop dat wij altijd al interesse hebben gehad
voor het ontastbare. Religie, wetenschap, kennis, alles
is gebaseerd op de gedachte om zoveel mogelijk kennis
te vergaren over datgene waar wij in eerste instantie
geen kennis over hadden. De mens heeft de wil om het
ontastbare naar zijn hand te zetten en het dus begrijp-
baar en vatbaar te maken. 
     Virtual Reality lijkt een fenomeen te worden dat
de barrires van het ontastbare kan gaan verleggen .
Virtual Reality (VR) maakt het mogelijk om het ongrijp-
bare en het onbegrijpelijke bijna fysiek te maken.
Middels VR kan nu ieder mens een vlucht in een vlieg-
tuig maken en zelf achter het bedieningspaneel zitten
zonder zich te bezeren als men neerstort. We kunnen ons
nu in de wereld begeven die tot kort alleen nog bestond
voor Eric  of het klein insectenboek. En we kunnen ons
zelfs vereenzelvigen met het allerkleinste moleculaire
deel. Zou het niet een ommezwaai zijn in de macro
economie om de onzichtbare hand eens zichtbaar te
maken?
 
     Het doel van dit werkstuk is om aan de lezer een
duidelijk beeld te geven van wat Virtual Reality in
technische zin betekent, en welk doel het in de toe-
komst mogelijk kan dienen ten behoeve van serieuze
toepassingen.
 
     Het is niet de bedoeling om in te gaan op het wat
zweverige toepassingsgebied zoals misschien in het
bovenstaande naar voren lijkt te komen. Er zal eerst
gekeken gaan worden naar de aan de basis liggende
grondslagen om de virtuele werkelijkheid te kunnen
verwezenlijken. Vervolgens zal de technologische omge-
ving geschetst worden waarin het fenomeen zich bevindt.
Tenslotte zal gekeken worden naar de mogelijkheden die
het kan gaan bieden in de toekomst in voornamelijk
formele toepassingsgebieden.
 
 
1 Het concept van Virtuele Realiteit
 
1.1  Theorie
 
     Virtual Reality kan beschreven worden als:
 
Een door computers gegenereerde quasi-werkelijkheid,
waar de gebruiker (de persoon die de ervaring onder-
gaat) het gevoel heeft zich werkelijk in deze omgeving
te bevinden en daar ook interacties mee kan hebben.
 
     Een belangrijk facet daarbij is vooral het laatste
gedeelte: de interacties. In de werkelijkheid zijn het
de interacties die de mens het gevoel geven een deel
van de omgeving te zijn. Men kan door het hoofd te
draaien het blikveld wijzigen. Door te ruiken, te
betasten, etc. is het mogelijk om dat wat men ziet ook
te onderscheiden naar een fysiek object. VR probeert
deze werkelijkheid zo goed mogelijk te benaderen.
     Via locatiesensoren en real-time rekenwerk wordt
het door de computer mogelijk gemaakt om een menselijke
handeling (bijv. het draaien van het hoofd of het
bewegen van de hand) om te zetten in de daarbij beho-
rende en passende weergave van de omgeving en de veran-
deringen daarvan. 
 
 
1.2  Verleden
 
     Het hele concept van Virtuele Realiteit heeft zijn
oorsprong gevonden in de hoek van de psychologie. In de
begin jaren werden computers al gebruikt voor psycho-
analyse, astrologie e.d. Al deze toepassingen vallen
buiten de gevestigde computerorde, zoals de zakelijke
computergebruiker dit ziet. De computer is in eerste
instantie bedoeld voor intensief rekenwerk door middel
van spreadsheets (LOTUS 1-2-3), tekstverwerking (word-
perfect), als grafische tool (Autocad), etc. 
Daarom wordt het nog jonge fenomeen Virtual Reality
door velen gezien als speelgoed voor verveelde wizz-
kids. Of dit werkelijk zo is, zal uit het verdere
verhaal gaan blijken. 
     Virtual Reality is niet enkel de optelsom van
apparatuur, software en enige fantasie. Het is veel
meer dan wat het op het eerste gezicht lijkt. Hieronder
volgen enige karakteristieken van VR, die ervoor
zorgen dat fantasieen en werkelijkheid dichter bij
elkaar worden gebracht.
 
 
 
-    Inkapseling:
     VR brengt de gebruiker in een wereld van informa-
     tie. De computer wordt gekoppeld aan de menselijke
     zintuigen. Hierbij is de gesimuleerde werkelijk-
     heid enkel een onderdeel van wat mogelijk is. VR
     kan immers meer dan enkel het nabootsen van de
     fysieke werkelijkheid.
 
-    Pluralisme:
     Iedere door de computer gegenereerde omgeving
     (Cyberspace) kan worden aangepast aan de eisen van
     de gebruiker. De omgeving is dus niet meer een
     gegeven, maar wordt het produkt van de mens zelf.
 
-    Cognitieve integratie:
     De gebruiker krijgt een gevoel van eenheid en
     holisme en heeft het gevoel een deel te zijn van
     de virtuele wereld.
 
-    Immaterieel Realisme:
     VR staat los van het concept van Dichotomie. Dit
     houdt in dat er geen scheiding meer is tussen sub-
     en objecten, zoals in de realiteit het geval is.
 
-    Onbeperktheid:
     Het menselijke brein bepaalt zelf geheel hoe iets
     er uit moet zien en is daardoor dus de enige be-
     perkende factor, samen met de benodigde computer-
     kracht.
 
-    Paradox:
     In de werkelijkheid inconsistente werelden, kunnen
     in het virtuele gebied toch samengaan. 
 
 
2   Objecten
 
2.1  Inleiding
 
     Alvorens besproken kan worden wat er allemaal
mogelijk is middels virtual reality, moet er een basis
geschapen worden waarop het hele principe steunt. Deze
basis vindt de oorsprong in de werkelijkheid. Het
blijkt immers niet voor niets dat virtuele realiteit
wel degelijk samenhang vertoont met de werkelijkheid.
Het zijn de eigenschappen die de fysieke werkelijkheid
vertoont, die er voor zorgen dat de virtuele werke-
lijkheid als geloofwaardig wordt aangenomen. 
     De basis die zowel in de realiteit als in het
virtuele domein een zeer belangrijke rol speelt is het
OBJECT. Enige diepere achtergrond omtrent het begrip
"object" is nodig om een opstap te vormen voor de rest
van het verhaal.
  
 
2.2  Definitie
 
     Alles wat om ons heen gebeurt kan worden terugge-
bracht tot het simpele idee van losse eenheden die een
relatie met elkaar vertonen. Elk object vertoont een
relatie met de rest van de omgeving. Dit kan een sterke
of een zwakke zijn en alle waarden daar tussen in
wanneer wij het geheel als een continuum bekijken. De
relatie die objecten vertonen wordt een "Link" genoemd.
Deze link is een communicatiekanaal waarover informa-
tiestromen tussen objecten kunnen bewegen. De informa-
tie die over deze kanalen gaat is gericht op de inter-
actie die er tussen de objecten plaats vindt.
In het kort kan dus gezegd worden dat: 
 
Iedere interactieve eenheid wordt gezien als een ob-
ject, waarbij ieder object in staat is een interactie
te hebben met een ander object. 
 
     Vanwege het feit dat objecten interacties met
elkaar hebben, levert dit problemen op. Stel dat er
duizenden objecten aanwezig zijn die allen met elkaar
een relatie vertonen en dus interacties hebben, hoe
moet het dan mogelijk worden gemaakt dat een persoon
(zelf ook een object binnen het geheel) enkel met een
deel van de gehele verzameling van objecten interactie
kan hebben. Het doel is hier dat er wordt gekozen voor
een sub-groep van objecten. Deze sub-groep is dan een
deelverzameling van het geheel. Dit lijkt misschien wat
overdreven, maar biedt wel perspectief als wij het
vergelijken met de werkelijkheid. Wanneer wij ons in
een auto bevinden als bestuurder dan richten wij ons
enkel op het verkeer en alles wat daarmee samenhangt.
Dit heet cognitieve dissonantie. Wanneer dit niet zo
zou zijn en wij dus ook alles waarnemen wat buiten het
verkeer valt (huizen, etalages, etc.), dan zou er een
te grote hoeveelheid aan informatie bij ons doordringen
en zouden wij een gevaar zijn op de weg (Jammer genoeg
gaat dit bij sommigen wel op).
     Een object is het kleinste deeltje dat zich binnen
het geheel bevindt. Een object kan gedefinieerd worden
als:      
 
Een verzameling van processen die onderling met elkaar
verbonden zijn en transacties met elkaar uit kunnen
voeren, waarbij data en processen uniek voor het object
zijn en ingekapseld zijn in het object.
 
     Processen zijn er voor nodig dat de interacties
werkelijk plaats kunnen vinden en dat een object tij-
dens die interacties een bepaald gedrag vertoont. Deze
processen verzorgen taken als het linken van processen,
het linken van objecten, het starten van nieuwe proces-
sen, etc. 
     Binnen een object krijgt ieder proces een uniek
identificatie-nummer. Wanneer een proces een ander
proces wil aanroepen en op wil starten, dan hoeft deze
simpelweg gebruik te maken van deze sleutel-identifica-
tie. Ieder object op zich krijgt ook een eigen nummer.
Wanneer het voor een proces nodig is om een proces in
een ander object aan te roepen, gaat dit tevens middels
een identificatie. 
     Objecten hebben in de Virtuele omgeving enkele
specifieke eigenschappen:
 
-    Een object is positioneerbaar en orienteerbaar,
     oftewel het heeft een locatie en een orientatie
     (richting) in de ruimte. Bij de meeste objecten
     kunnen deze attributen worden gemodificeerd door
     het toepassen van aanpassingsoperaties.
 
-    Een object kan een onderdeel zijn van een hierar-
     chie, waarbij iedere eerst bovenliggend object een
     ouder is van die daar onder. Ieder child-object
     erft alle eigenschappen van de ouder en geeft deze
     door aan zijn kinderen.
 
-    Ieder object in de virtuele realiteit bezit een
     "Bounding volume" (bijv. een bol of een kubus).
     Een "bounding volume" wordt gespecificeerd door
     vorm afhankelijke data. Via deze vormen kan op een
     heel eenvoudige en snelle wijze bepaald worden of
     een object bijvoorbeeld wel of niet gerenderd moet
     worden. Wanneer de computer altijd direct bij
     veranderingen van objecten dit ook door gaat voe-
     ren, dan kost dit veel rekentijd. Alleen de hoogst
     belangrijke gevallen moeten aangepast worden om de
     snelheid te behouden. Door middel van het gebruik
     van de meest eenvoudige basisvormen kan dit dus
     bereikt worden.
 
 
2.3  Interactie
 
     Nu we een idee hebben gekregen van de werking van
objecten, kan gekeken gaan worden naar wat voor gevol-
gen dit heeft voor het zichtbaar, hoorbaar, e.d. maken
van objecten binnen de virtuele werkelijkheid. 
     Het grote probleem is dat objecten zoveel eigen-
schappen kunnen bezitten (rond, rechthoekig,transpa-
rant, licht uitzendend, zacht, hard, etc.). Over al
deze eigenschappen moet informatie beschikbaar en
ingekapseld zijn in een object.
     Wanneer objecten interactie vertonen, worden er
zoals al is opgemerkt informatiestromen via links
overgebracht. Zo moeten twee objecten die bijvoorbeeld
bij elkaar in de buurt komen, elkaar "op de hoogte
stellen" van de interactie die heeft plaatsgevonden en
informatie uitwisselen over de mogelijk gewijzigde
toestand van de objecten, zoals het werpen van een
schaduw op een object veroorzaakt door een ander ob-
ject.
Deze informatie bevat dan data over diameter, afstand,
relatieve hoek, etc. Het principe gaat uit van het uit-
wisselen van de meest belangrijke coordinaten. Wanneer
het aantal gevonden coordinaten groot genoeg is dan
wordt er middels deze gegevens via algoritmen de nieuwe
situatie berekend. Vervolgens verschijnt het nieuwe
beeld op het scherm. Wanneer de objecten ook nog worden
ingekleurd, rekening houdend met de situationele omge-
vingsaspecten, dan wordt dit renderen genoemd (zie
later). Hier wordt dan ook al duidelijk dat wanneer men
een geloofwaardig resultaat wil scheppen, men over veel
rekencapaciteit moet beschikken (zie 3.5). Het opmer-
kelijke hierbij is dat dus niet de programmeur de
bewegingen van de objecten bepaalt, maar dat zij min of
meer een eigen leven gaan leiden.  
 
 
2.4  De geometrie der objecten
 
     Nu er inzicht is gecreeerd in de interacties
tussen objecten en de gevolgen die daaruit leiden, kan
gekeken gaan worden hoe objecten vorm krijgen. Het vorm
geven aan objecten, het inkleuren en het continu aan-
passen in wijzigende situaties blijkt een zeer omvang-
rijk en divers gebied te zijn.
     Er zijn verschillende klassen van objecten. De
meest simpele vorm is het een-dimensionale object,
oftewel een punt. Vervolgens komt de twee-dimensionale
vector, oftewel een lijn. Bouwtekeningen zijn bijvoor-
beeld opgebouwd uit vectoren en geven dus enkel inzicht
in het platte vlak. 
     De meest ingewikkelde vorm is het drie-dimensiona-
le model. De meest eenvoudige vormen in het drie-dimen-
sionale vlak zijn polypoints en polylines. Een poly-
point is een collectie van punten in de ruimte. Een
polyline is een aantal vectoren die tezamen een conti-
nue lijn vormen in de ruimte.
     De meest algemene vorm die wordt gebruikt om een
virtuele wereld te scheppen is de polygoon. De polygoon
is een gesloten figuur met meerdere zijden. Deze kunnen
zowel rechtlijnig, convex als concaaf zijn. Om het
tekenen van objecten eenvoudig te houden worden zij
vaak opgebouwd uit meerdere driehoeken. 
     Bij het opbouwen van objecten door middel van
polygonen en het renderen (inkleuren) daarvan, krijgt
een computer in het normale geval al snel problemen als
een vorm te complex wordt. Een oplossing is gevonden in
"Vertex Join Set Polygon Format". Er wordt hier gebruik
gemaakt van referentiepunten die behoren bij een speci-
fiek object. Het voordeel is dat niet ieder punt in een
berekening opgenomen moet worden om te komen tot een
gewijzigde situatie, maar dat enkel de referentiepunten
worden gebruikt. Dit komt deels overeen met de "Boun-
ding volume" die hiervoor is besproken. De referentie-
punten worden eenmaal berekend en zijn vervolgens uniek
voor het object. 
     Een andere wijze voor het opbouwen van objecten en
dan voornamelijk voor zeer gecompliceerde objecten en
landschappen, zijn curves en gecurfde oppervlakten
(patches). Deze vormen kunnen heel effectief gebruikt
worden voor bijvoorbeeld het afbeelden van ronde vormen
(auto's, personen, etc.). Deze manier van het maken van
afbeeldingen is zeer ingewikkeld en wordt in de eerste
instantie niet gebruikt voor Virtual Reality doelein-
den. Waar het wel zijn toepassing vindt is als opzet
tot het maken van bruikbare vormen. Wanneer via curves
een object wordt ontworpen, kan de computer vervolgens
via algoritmen deze omzetten naar bruikbare polygonen.
     Hieronder volgen nog enige belangrijke gereed-
schappen of opties die nodig zijn om computergraphics
en animaties te realiseren: 
 
-    Dynamic Geometry
          In bepaalde gevallen is het wenselijk dat
          geometrische objecten over de mogelijkheid
          beschikken om op eenvoudige wijze van vorm te
          veranderen. Er zijn verschillende soorten
          veranderingen mogelijk:
 
          1. Deformatie, waarin het object in principe
          gelijk  blijft, maar waarbij alleen enkele
          eigenschappen veranderen en op den duur weer
          terugkeren in de toestand zoals deze was in
          de beginsituatie (stuiterende bal, botsende
          objecten, etc).
 
          2. Metamorfose (Morphing), waarbij een object
          verandert in een geheel andere vorm. Bij
          morphing zijn het beginobject en het eindob-
          ject van belang. De computer berekend de
          meest optimale weg om een     vloeiende over-
          gang van de ene vorm naar de andere vorm te
          realiseren.
 
-    Lights
          Licht kan op twee manieren voorkomen:
          1. Ambiant
          2. Located
          
          ad1. Ambiant licht is overal aanwezig en
               heeft geen duidelijk aanwijsbare bron.
          ad2. Located licht heeft een duidelijk aan-
               wijsbare bron. Deze bron is verplaats-
               baar en tevens kan de intensiteit en de
               spreiding worden aangepast. Located
               licht kan vanuit een licht-emiterende
               bron afkomstig zijn, maar kan ook voort-
               komen uit een object in het virtuele
               gebied.
 
 
-    Rendering
          Een belangrijk onderdeel bij het creeren van
          een virtuele omgeving is het renderen van
          vlakken middels een "rendering interface". In
          de meeste rendering-applicaties worden twee
          rendermodellen onderscheiden, te weten:
     
          -    view dependant
          -    view independant
          
          View dependant modellen richten zich speciaal
          op het opvangen van licht. Oftewel, het houdt
          zich bezig met reflecties die objecten uit-
          stralen. Het renderen van view dependant
          modellen wordt gerealiseerd aan de hand van
          de overige objecten in de omgeving. Zij samen
          bepalen de invloed die ze hebben op een spe-
          cifiek object. De meest gebruikte techniek om
          view dependant te renderen is de "raytrace"-
          techniek. Deze techniek berekent lijn voor
          lijn de te gebruiken kleuren in het vlak aan
          de hand van de geanalyseerde situatie op een
          bepaald moment.
 
          View independant modellen houden zich expli-
          ciet bezig met ambiant licht, radiated licht
          en schaduws. De gebruikte techniek die hier
          wordt toegepast is het onderwerpen van een
          object aan "radiaal algoritmen". Dit zijn
          wiskundige berekeningen die zich richten op
          het bepalen van relatieve afstanden in de
          ruimte van objectcoordinaten. Aan de hand van
          deze coordinaten kunnen situaties en de ge-
          volgen daarvan bepaald worden en veranderin-
          gen doorgevoerd worden.
 
-    Camera's
          Hiermee wordt het gezichtspunt van de gebrui-
          ker bedoeld. Elke gebruiker heeft maar een
          gezichtspunt. Er worden vaak wel alternatieve
          camera's gedefinieerd. Deze worden gebruikt
          om de gebruiker een overzicht te laten zien
          van de virtuele wereld waarin hij zich be-
          vindt, alsmede zijn positie hierin. Een ande-
          re reden voor alternatieve camera's is van
          psychologische aard. Het gebeurt vaak dat
          gebruikers van virtuele vliegtuigen, auto's,
          tanks, etc. een 'ongeluk' krijgen. Wanneer de
          gebruiker erg opgaat in de virtuele wereld en
          zich niet meer voldoende realiseert dat het
          niet echt is, zou hij het idee kunnen krijgen
          dat hij werkelijk neerstort, botst, of opge-
          blazen wordt. Om de gebruiker op dergelijke
          momenten een beetje terug te brengen in de
          werkelijkheid verplaatst de camera zich naar
          buiten het gezichtspunt van de gebruiker.
          Deze ziet dan het ongeluk van een afstandje
          gebeuren, en kan zo niet het idee krijgen er
          echt bij betrokken te zijn. 
 
-    Scripts
          Het belangrijkste in een virtuele wereld is
          de interaktie met de gebruiker. Objecten in
          een virtuele wereld doen op zichzelf andere
          dingen dan wanneer er interaktie is tussen de
          gebruiker en dit object. Dit vereist een
          soort definitie van hoe de objecten in deze
          situaties reageren. In VR wordt hiervoor de
          term 'World Scripting' gebruikt. Er zijn drie
          basistypen: Motion Scripts, Trigger Scripts
          en Connection Scripts. 
 
          Motion Scripts veranderen de positie, rich-
          ting en andere attributen van objecten,
          lights en camera's bij elke update van het
          beeld. Motion scripts registreren ook wanneer
          de gebruiker een object aan zich verbindt,
          bijvoorbeeld wanneer hij een voorwerp oppakt
          of plaatsneemt in een auto.
          
          Trigger Scripts worden aangeroepen als er
          zgn.   'trigger events' plaatsvinden, zoals
          een botsing tussen objecten en het benaderen
          van een object.
          
          Connection Scripts regelen de verbinding van
          objecten met input en output apparatuur. Een
          voorbeeld hiervan is de verbinding tussen een
          dataglove en een virtuele hand.
 
 
3   De techniek
 
3.1  Inleiding
 
     Virtuele Realiteit is een heel nieuw fenomeen en
daardoor blijkt er nog maar weinig over bekend te zijn.
De techniek blijkt dan ook nog een beperkende factor te
zijn. Wanneer de ontwikkelingen verder gaan zal dit
medium automatisch mee gaan ontwikkelen.
     Om de virtuele realiteit te kunnen ervaren, moeten
er bepaalde ondersteunende technologische hulpmiddelen
beschikbaar zijn:
     
     -    Een stereohelm, met als bijzondere eigen-
          schappen:
               - bril met twee miniatuur computer-
monitoren.
               - plaatssensor
     -    Handschoen (dataglove), joystick,etc.
     -    Een computer met hoge rekencapaciteit en een
          grote grafische resolutie.
     -    Software
 
 
3.2  Zien 
 
     Om voor de gebruiker de ervaring te scheppen dat
hij of zij zich werkelijk in een ruimte bevindt, moet
gebruik worden gemaakt van een speciaal soort hoofd-
apparaat. Dit apparaat wordt een stereo helm of
Eyephone genoemd. Deze machine moet ervoor zorgen dat
er geen fysieke beelden meer van de werkelijkheid te
zien zijn, maar enkel de kunstmatig gecreeerde beelden.
     Deze helm is voorzien van twee miniatuur monitoren
die ervoor zorgen dat de gebruiker een drie-dimensio-
naal beeld te zien krijgt. In het begin beschikte men
nog niet over de mogelijkheid om stereoscopische beel-
den door de computer te laten genereren. Toen werd de
oplossing gezocht in het afzonderlijk met hoge frequen-
tie aan en uit laten gaan van het linker en rechter
scherm dat zich voor de ogen bevindt. Op dit moment kan
men wel real-time stereoscopische bewegende beelden
genereren en is het enkel nog zaak om twee hoge resolu-
tie schermen te gebruiken.
     Hoe perfect onze hersenen ook zijn voor het op-
slaan van verzamelde data, hoe slecht ze zijn voor het
onderscheiden van gecompliceerde bewegingen. Hierop
wordt ingespeeld bij het maken van tekenfilms. Op zich
worden er afzonderlijke "frames" in sequentie afge-
speeld, maar doordat deze zo snel op elkaar volgen,
lijkt dit een vloeiende beweging. Doordat onze hersenen
op deze snelheid niet meer het onderscheid kunnen maken
tussen de afzonderlijke beelden, zien wij het geheel
als een continuum.
     Volgens een gelijkwaardig principe werkt het ook
met de virtual reality techniek. De stereohelm beschikt
over twee beeldschermen die zo zijn gebouwd dat zij op
korte afstand van de ogen nog goed en scherp te zien
zijn. Omdat onze hersenen zo traag zijn, maken wij al
snel van de afgebeelde computergraphics een vloeiend
geheel.
     Een stereohelm bestaat uit het draaggedeelte, de
monitoren en een constructie waar in zich lenzen bevin-
den. Deze lenzen maken het mogelijk om de beelden
scherp te zien.
     De bedoeling van het hele stereoscopisch kijken is
natuurlijk niet alleen het aanschouwen van stilstaande
beelden. Met virtual reality vindt er een updating van
de beelden plaats in real-time. Wanneer men het hoofd
draait, dan draait het beeld in de juiste snelheid
(relatief, want dit is afhankelijk van de CPU-snelheid
en de kwaliteit van de beeldschermen) en onder de
juiste hoek mee. Dit alles wordt verzorgd door de
sensoren en de effectors.
 
 
3.3  Sensoren en effectors
 
     In tegenstelling tot de computerinterfaces die
"controls" worden genoemd, wordt er bij VR gebruik ge-
maakt van sensoren en effectors. De sensoren zijn hier
de input-devices, zoals de elektronische handschoen
waarmee commando's worden gegeven en bewegingen worden
geregistreerd.
     De effector zorgt ervoor dat er terugkoppeling
plaatsvindt vanuit de werkelijke wereld naar de effec-
tor. Deze zet dan de verzamelde data om in correct
gepositioneerde beelden.      Er zijn twee vormen van
feedback of terugkoppeling. De eerste vorm is de pas-
sieve of niet-voelbare feedback. Deze vorm is de meest
makkelijke vorm, zoals die nu ook al gerealiseerd kan
worden. Het houdt in dat wanneer een beweging wordt
uitgevoerd, er een gelijkwaardige beweging in de omge-
ving te zien is. Deze interactie heeft alleen het
effect op het visuele gedeelte van de gebruiker.
     Wat veel moeilijker wordt is om het effect van een
handeling ook voelbaar te maken. Maar hoe kun je iets
tastbaar maken, wanneer hetgeen men ziet er niet in
werkelijkheid aanwezig is. Wanneer men in de huidige
situatie een virtueel object vastpakt, of er tegen
aanloopt, dan vind er geen voelbare feedback plaats.
Voor de technici is dit een uitdaging, waar wel al aan
gewerkt wordt d.m.v. elektrische signalen,etc.
 
 
3.4  Geluid
 
     Een andere vorm van feedback is geluid. Om een
omgeving realistisch te maken is er tevens hoorbare
terugkoppeling noodzakelijk. Op het eerste gezicht
lijkt dit makkelijk realiseerbaar, maar we stuiten toch
op een probleem. Het stereogeluid is al lang uitgevon-
den en lijkt in eerste instantie de werkelijkheid
ruimtelijk weer te kunnen geven. Met kwalitatief hoog-
staande apparatuur kan er al een hele grote diepte
werking worden gerealiseerd in het geluidsbeeld, maar
het probleem blijft dat bijvoorbeeld het geluid gepro-
duceerd door twee luidsprekers enkel een beeld voor de
toeschouwer neerzet en niet rond om hem heen. Er zijn
hier wel nieuwe technieken geintroduceerd die dit
probleem oplossen. Een voorbeeld is Dolby-surround en
prologic. Beide systemen maken gebruik van meerdere
weergevers die zich rond om een persoon bevinden.
Iedere weergever wordt vervolgens digitaal afzonderlijk
aangestuurd en kan daarom geluiden neerzetten op de
juiste plaats. Een geheel nieuwe techniek is Q-sound
waarbij op de conventionele manier (dus enkel gebruik
makend van twee weergevers) een holografisch geluids-
beeld neer gezet kan worden.
     Een probleem ontstaat wanneer men op de conventio-
nele wijze virtual reality toe gaat passen. Het voor-
gaande richt zich in principe enkel op het weergeven
van geluid door middel van luidsprekers. Een fundamen-
teel probleem ontstaat wanneer er een hoofdtelefoon
gebruikt wordt voor geluidslocatie. De huidige techniek
geeft namelijk het gevoel alsof het geluid in het hoofd
aanwezig is en niet daarbuiten, zoals in werkelijkheid
het geval is. Tevens is het zo dat als het hoofd ge-
draaid wordt, dat de hoofdtelefoon en dus het geluid
meedraait. Dit is iets dat tegen natuurkundige wetten
indruist, de bron van geluid is immers meestal plaats-
gebonden. 
     Naar dit probleem is een omvattend onderzoek
verricht door een topfabrikant in hoofdtelefoon-tech-
niek (AKG) in samenwerking met het Russische ruimte-
vaartprogramma M.I.R. In de eerste plaats moet vermeld
worden dat aan het probleem van het plaatsgebonden zijn
van geluiduitzendende objecten tot op dit moment niets
gedaan kan worden. Een oplossing voor het in het hoofd
bevinden van het geluid is door AKG gevonden in de vorm
van de AKG BAP1000 hoofdtelefoon-processor. Middels
digitale technieken wordt het geluid nu buiten het
hoofd waargenomen.
 
 
3.5  Hardware
 
     Zoals al uit het voorgaande blijkt, is het niet
eenvoudig om een geloofwaardige virtuele wereld te
bouwen. Stilstaande beelden zijn tegenwoordig eenvoudig
te realiseren en dan ook nog in fotografische kwali-
teit. Wanneer men echter beelden wil laten bewegen of
animeren, dan komt er heel wat meer bij kijken. 
     In de eerste plaats moet elke beweging afzonder-
lijk worden geanalyseerd en worden geconverteerd in
beelden met de juiste verhoudingen, onder de juiste
hoek en het liefst met de juiste schaduwing, lichtval
en kleur.
     In de tweede plaats moet dit alles dubbel en
parallel gebeuren om een stereoscopisch beeld te cre-
ren. Dit vergt ongelooflijk veel rekenkracht. Gedacht
moet dus worden in de richting van zware computers met
upgrading van coprocessoren voor berekeningen en grap-
hics. 
     En dan nog zijn de resultaten discutabel om echt
te spreken van geloofwaardige beelden. Het blijft met
de huidige technologieen nog allemaal primitief.
     Aan wat voor soort apparatuur moet dan gedacht
worden. Het is mogelijk, maar werkt niet optimaal, om
als platform een snelle 80386/486 te gebruiken. Maar
omdat deze bijvoorbeeld niet echt grafisch georienteerd
zijn (grafische processoren), zijn zij niet snel en
krachtig genoeg om als platform te dienen. Een betere
oplossing kan worden gezocht in de richting van Apple
of Amiga met hardwarematige grafische faciliteiten.
Voor het serieuze werk moet echter gedacht worden aan
grafische workstations of CRAY of ABACUS achtige compu-
ters. Deze computers beschikken bijvoorbeeld over
opties als Depth-of-field en environment-mapping.
Middels geavanceerde computertechnologieen kunnen
tegenwoordig op eenvoudige wijze zeer goede en realis-
tische images gerealiseerd worden op het computer-
scherm.
 
 
3.6  Software
 
     Omdat er zoveel eisen worden gesteld aan de hard-
warematige componenten, is het vanzelfsprekend dat het
zelfde geldt voor de te gebruiken programmatuur. Virtu-
al Reality wordt gevoed door stereoscopische, driedi-
mensionale beelden. Om dit te kunnen realiseren, moet
de programmatuur deze zaken kunnen verwezenlijken.
     Het uitgangspunt voor het creeren van een virtuele
realiteit is de CAD(Computer Aided Design/Drafting)pro-
grammatuur. Een nieuwe techniek is OOP(Object Oriented
Programming).
 
3.6.1 Computer Ondersteund Ontwerpen
 
     De basis voor Virtual Reality is het gebruik van
CAD-programmatuur, zoals Autocad en StereoCAD-realtime.
Vooral in de hoek van technisch ontwerpen, architec-
tuur, bouwplanning, etc. worden dit soort pakketten
gebruikt als ondersteunende tool.
     Dit soort programma's kunnen afbeeldingen maken in
draadmodellen en de geavanceerde versies kunnen deze
modellen ook weer laten inkleuren rekening houdend met
positie, lichtval en het materiaal waaruit de objecten
(water, glas, steen, etc.) bestaan. 
 
3.6.2 Object Georienteerd Programmeren
 
     Wanneer we gaan werken met een groot arsenaal aan
verschillende objecten, die ook weer onderling gerela-
teerd zijn, wordt het verstandig om te gaan kijken naar
object georienteerde programmeerwijzen. Op deze manier
kunnen eigenschappen aan objecten worden toebedeeld en
kunnen relaties worden aangebracht tussen de verschil-
lende objecten (zie hoofdstuk 2).
     Op de eerste plaats was het object-georienteerd
programmeren bedoeld voor toepassingen waarbij veel met
iconen en bit-mapped schermen gewerkt werd. Bij VR gaat
dit verder (3D effect) en bestaan er complexere rela-
ties tussen objecten. Daarom zijn er speciale talen
ontwikkeld voor VR-doeleinden, zoals VPL.
 
3.6.3 Virtual Programming Language
 
     VPL is geen losstaande programmeertaal, maar bijna
een methodiek om VR te ontwikkelen. Het programmeren
door middel van VPL gaat te werk volgens een aantal
fasen.    
     De eerste stap is het ontwerpen van een drie-
dimensionale wereld. Dit geschiedt via het pakket
Swivel 3D om meer-dimensionale objecten en vormen op te
zetten. De volgende stap is dat de gecreeerde objecten
worden getransporteerd naar een Unix-platform, van
waaruit men middels de VPL-taal "Body Electric" bewe-
gingen koppelt aan interfaces en sensoren. Uiteindelijk
wordt via het programma Isaac de gecreeerde VR-omgeving
in real-time doorgerekend en afgebeeld op het scherm.
 
3.6.4 Standaardisatie
 
     Over standaardisatie is nog niet veel besproken
m.b.t. VR Dit komt omdat de ontwikkelingen nog te sterk
bezig zijn en het dus innovatie zou kunnen tegenwerken.
Tevens vindt men over het algemeen het eigen systeem
het beste. Wel hebben VPL en Autodesk (autocad) enig-
zins gesprekken gehad in de richting van standaardisa-
tie. Dit heeft vorm gevonden in een "Virtual World File
Interchange Standard". Dit moet uiteindelijk gaan
leiden tot een net zo perfecte standaard als MIDI bij
elektronische muziekapparatuur is.
 
 
4 Toekomstvisie
 
4.1  Inleiding
 
     VR belooft een grote toekomst te hebben. Alhoewel
de mogelijkheden van VR ongekend zijn, wordt VR nog
maar weinig toegepast voor nuttige zaken. VR bevindt
zich voor wat betreft de praktische toepassingen nog
maar in een experimenteel stadium. Toch zijn er al VR
toepassingen die zich in een ver gevorderd stadium
bevinden. Zo zijn daar bijvoorbeeld de vluchtsimulato-
ren, die in de luchtvaart worden gebruikt voor de
opleiding van piloten. Een andere bestaande toepassing
is een auto-simulator, waarin het lijkt alsof je echt
auto rijdt, zonder het gevaar een aanrijding te veroor-
zaken. Dit is erg handig voor bijvoorbeeld rijoplei-
dingen. 
     Buiten deze toepassingen zijn er maar weinig
andere serieuze toepassingen te noemen. Wordprocessors,
spreadsheets en dergelijke worden al jaren gebruikt en
zijn een soort verlengstuk geworden van het menselijke
brein. De mogelijkheden van VR moeten nog gevestigd
worden en daarom is het juist een interessant gegeven
om te gaan kijken in welke toepassingsgebieden Virtuele
realiteit een basis kan vinden.
     Het is goed om de mogelijkheden uiteen te zetten
en daarbij een onderscheid te maken in verschillende
soorten van gebruik. Het gebruik zal zich hier richten
op amusementsdoeleinden en op zakelijk gebruik.
 
4.2  Amusement
 
     Computerspellen zijn er al in overvloed in de VR
sfeer. Vooral zijn het de adventure games die gretig
gebruik maken van virtuele werelden waar de gebruiker
zich in kan bevinden.
 
-    De Exercise CyberCycle gaat uit van een stereosco-
     pisch landschap waar de gebruiker doorheen kan
     fietsen. We zouden dit in de toekomst kunnen zien
     in het verlengde bij fietstrainers bij sportscho-
     len, waardoor het ontspanningsquotient duidelijk
     zal toenemen.
 
-    Waterworld is ook een bestaande toepassing. Het
     biedt de gebruiker een blik onder water en voelt
     zich daarbij ook een met de wereld om zich heen.
     Men kan zelfs interactief de vissen voeren.
     Dit zou natuurlijk kunnen uitgroeien tot geheel
     nieuwe mogelijkheden in de dierentuin-sector. Deze
     zouden hun parken er mee kunnen verrijken of zoals
     in Frankrijk al het geval is, men ontwikkelt een
     geheel nieuw concept dat geheel uitgaat van scher-
     men, waarop de dieren en planten te zien zijn.
 
 
 
4.3  Zakelijk/serieus
 
     Deze voorbeelden zijn zeker interessant genoeg om
eens bij stil te staan, maar het is duidelijk dat het
belangrijker is om te gaan kijken wat voor rol VR zou
kunnen gaan spelen bij wat meer serieuze zaken. Toch
blijkt altijd weer dat er eerst gespeeld moet worden
voordat men het nut voor de zakelijke toepassingen er
van ziet. 
     Voor VR is een veelbelovende toekomst weggelegd,
met name in de formele sfeer. Denk bijvoorbeeld aan
militaire toepassingen. Luchtaanvallen en veldslagen
kunnen vooraf worden geoefend, zodat men zich beter kan
voorbereiden op verschillende situaties. Ook militaire
opleidingen hebben hier baat bij. Soldaten kunnen
worden getraind in realistische situaties, zonder het
risico te lopen gewond te raken.
     Ook in communicatie zou VR zijn diensten kunnen
bewijzen. Zou het niet mooi zijn om met iemand aan de
andere kant van de wereld te communiceren, terwijl het
lijkt of deze persoon tegenover je zit? Deze manier van
communicatie kan ook nuttig zijn bij vergaderingen
waarbij de deelnemers zich op verschillende plaatsen
bevinden (tele-conferencing).
     Virtuele Realiteit zou vooral geschikt kunnen zijn
voor gebruikers c.q. doelgroepen die veel met ruimten
te maken hebben in hun werk. En dan vooral daar waar
die ruimten voor mogelijke problemen zouden kunnen
zorgen. Vooral valt hier te denken aan simulaties op
plaatsen waar fysieke aanwezigheid voor de gebruiker te
intensief is, teveel risico met zich mee brengt of daar
waar men gewoonweg niet in staat is om ooit te kunnen
komen.
 
     In de ruimtevaart industrie wordt al gebruik
gemaakt van VR toepassingen. De ontwikkelaars kunnen
via robots en andere verlengstukken van de hand werk-
zaamheden op plaatsen waar het moeilijk is om zelf te
komen. Ook bijvoorbeeld bij werkzaamheden in atoomcen-
trales biedt dat perspectief.
 
     Een toekomstbeeld voor de luchtverkeersleiding zou
kunnen zijn dat de verkeersleider zich middels VR
buiten zijn toren kan begeven en bijvoorbeeld de lucht-
haven vanuit het perspectief van een aanvliegend vlieg-
tuig kan aanschouwen. Zelfs zou hij in noodtoestanden
zich kunnen verplaatsen in de desbetreffende cockpit.
 
     Momenteel wordt er veel onderzoek gedaan naar de
toepassing van VR in de medische wereld. Chirurgen in
opleiding kunnen naar hartelust oefenen op een virtuele
patient, zonder deze werkelijk letsel te bezorgen. 'Het
doel is NIET om gebruikers te laten denken dat ze aan
een echte patient werken. Het doel is een beter model
te verschaffen dat het verkrijgen van kennis over de
anatomie van een patient en over medische procedures
vergemakkelijkt.' Het is dus niet de bedoeling om de
gebruiker zich in een andere wereld te laten wanen,
maar om de werkelijkheid te vereenvoudigen.
     De medische wetenschap maakt al gebruik van x-ray
om zich te ontdoen van de grenzen die de menselijke
huid en de ingewanden bieden voor doctoren en chirur-
gen. Het zou nog verder kunnen gaan wanneer een chirurg
over de mogelijkheden beschikt om zelf een lichaam te
kunnen betreden en daar in rond te kunnen kijken zonder
dat er ook maar een scalpel e.d. aan te pas komt. Op
basis van zijn of haar vooraf waargenomen gegevens kan
een uitspraak worden geveld over mogelijke verdere
behandeling.
 
     Zoals al is vermeld, is de basis voor VR de CAD-
programmatuur. Maar het computer ondersteund tekenen is
in eerste instantie bedoeld voor de technisch tekenaar
of de architect. 
Het zou ook daarom een interessant gegeven zijn om daar
weer op terug te vallen en te gaan kijken hoe virtual
Reality mogelijkheden kan bieden voor de ontwerper.
     Zolang het bedenken en bouwen van gebouwen, machi-
nes, e.d. bestaat, is er voortdurend gezocht naar
nieuwe technieken om de processen hiervan te vereenvou-
digen. Men begon met het introduceren van wiskundige
methoden en het vervaardigen van tekenmatarialen ter
ondersteuning van het technisch ontwerpen. Het nadeel
was dat het aanbrengen van wijzigingen een complexe
zaak was.
     Onderzoek en de voortschrijdende technologische
veranderingen hebben tot op dit moment geleid tot het
gebruik van geautomatiseerde hulpmiddelen als tekenpa-
ketten en CAD-applicaties (Computer Aided Design). Deze
applicaties bieden de mogelijkheid om middels het
ingeven van coordinaten en bijbehorende acties, techni-
sche ontwerpen te maken. Tevens biedt het de mogelijk-
heid om dit in het driedimensionale vlak te realiseren,
waarbij de gebruiker zijn VIEW-POINT op kan geven
(relatieve hoek en afstand tot het getekende object) en
kan veranderen. Op deze manier kan een architect nu al
om het ontwerp heen lopen en het vanuit alle hoeken
aanschouwen.
     Het toekomstbeeld voor CAD-applicaties zal zich
richten op zowel de architect als bijvoorbeeld make-
laars. In de huidige situatie is een groot nadeel in de
makelarij dat wanneer een klant een huis wil kopen dat
nog niet gebouwd is, deze dus enkel de bouwtekeningen
kan gebruiken om een oordeel te vestigen. Een ongeloof-
lijke vooruitgang zou behaald kunnen worden, als een
klant direct door zijn toekomstige huis kan lopen, de
ruimte kan aanschouwen, de invloed van het invallende
zonlicht kan bekijken, e.d. Zo kunnen architecten een
virtueel gebouw of een virtuele stad bouwen, zodat de
betrokken partijen het gebouw of de stad kunnen 'uit-
proberen' voordat tot de bouw wordt overgegaan. Nieuwe
wegen, kruispunten en andere verkeerssituaties kunnen
worden getest voordat ze gerealiseerd worden.
     Project ontwikkelaars kunnen bij het plannen van
nieuwe steden door middel van VR door de straten rijden
en op deze manier al vantevoren op een virtuele wijze
het project aankleden.
     Uit het bovenstaande stuk blijkt dat Virtual
Reality waarschijnlijk vooral in deze sector heel veel
invloed zal gaan krijgen door de enorme voordelen die
het kan gaan bieden.
 
 
4.4  Toekomstvisie op VR-techniek
 
     Virtual Reality kan de wereld veranderen, de
mogelijkheden zijn onbeperkt. Om deze visies op de
toekomst waar te kunnen maken, zijn verdere technische
ontwikkelingen noodzakelijk. Het is onwaarschijnlijk
dat in de toekomst gebruikers van VR zullen blijven
werken met enorme hoofddeksels met ingebouwde monitoren
en sensoren, zware heupbanden en belemmerende data-g-
loves. Er bestaan al vlucht-simulatoren en auto-simula-
toren waar deze asseccoires overbodig zijn. De gebrui-
ker ziet door het raam van de auto of het vliegtuig een
vereenvoudiging van een uitzicht zoals dat in werke-
lijkheid zou kunnen bestaan.
     Om de beweging van de handen te registreren wordt
nu nog gebruik gemaakt van een zgn. dataglove, een
zware handschoen met sensoren. Bij virtuele chirurgie
is het onwenselijk om zo'n handschoen te moeten dragen,
omdat het bij chirurgie aankomt op subtiele handbewe-
gingen. Een stap in de goede richting wordt gemaakt
door de Amerikaanse firma 'Virtual Technologies' met de
Cyberglove. De Cyberglove maakt vrije bewegingen van de
hand mogelijk, zonder daarbij onoverkomelijke vertra-
gingen te laten zien. Dit is essentieel om de bewe-
gingen van de hand zo nauwkeurig mogelijk te registre-
ren.
     Naast de zogenaamde input-apparatuur zal ook de
verwerkings-apparatuur, of te wel de computer, moeten
verbeteren. Bij de huidige VR systemen zijn de virtuele
werelden nog erg primitief. Objecten zoals die door de
gebruiker worden waargenomen zijn erg vereenvoudigd,
omdat computers nog niet snel genoeg zijn om verschil-
lende bewegende figuren vele malen per seconde weer te
geven. Computer zullen sneller moeten worden om zo een
'realistischer' virtuele wereld te creeren.
 
 
5   Ter afsluiting
 
     Het doel van dit werkstuk was om inzicht te ver-
schaffen in het nieuwe fenomeen 'Virtual Reality'.
Vanwege het feit dat Virtual Reality nog in de kinder-
schoenen staat en nog lang niet is uitgekristalliseerd,
is het moeilijk om echte toekomstige toepassingen te
beschrijven die VR kan gaan dienen. Veelal heeft dit
geleid tot het voortbouwen op bestaande concepten en
niet tot geheel nieuwe, baanbrekende ideeen. Op dit
moment zijn de toepassingen van VR nog in een beginsta-
dium. Op den duur zullen de toepassingen bruikbaarder
en specifieker worden. Ook zal naar onze mening in de
toekomst gaan blijken dat wij steeds dichter gaan komen
bij zo gebruiksvriendelijk mogelijke computers en
software. Dit zal moeten gaan leiden tot het niet meer
kunnen onderscheiden van mens en computer, oftewel de
ultieme Turing-test.Literatuuroverzicht
 
 
 
-         Cockayne, W.R.; On Law Enforcement Agencies
          in Cyberspace; Apple Computers Inc.
 
 
-         Handel, C.; Virtual Worlds, Report on presen-
          tation by W Industries Leicester Polytechnic
          Branche Meeting of the British Computer So-
          ciety; 9th October 1991
 
 
-         Isdale, J.; What is Virtual Reality? A Home-
          brew Introduction; Isdale Engineering; March
          1993
 
 
-         Lee, J.; Implementing Virtual Reality; Bond
          University, Gold Coast, Australia; 16 juli
          1992
 
 
-         Sala, L.H.D.J. en Barlow, J.P.; Virtual Rea-
          lity, de Metafysische Kermisatractie, Magi-
          sche spiegel van de Hyper-Cyber-Age ziel;
          SALA Communications GmbH Dusseldorf BRD; 1e
          druk; september 1990
 
 
-         Smith, N.P.; Virtual Illusions; july 09 87
 
 
-         Snoswell, M.; Overview of Cyberterm, a Cyber-
          space Protocol Implementation
 
 
-         Stredney, D.; 'Biomedical Applications of
          High Performance Computing' at the 'Medicine
          Meets Virtual Reality II' conferentie in San
          Diego; Ohio Computer Center; 27-30 januari
          1994.
 
 
-         Veen, Ir. M. van der; Ruimte zonder ruimte,
          De AKG BAP1000 hoofdtelefoon processor; HIFI
          Exclusief; HOMESTUDIO, jaargang 11, nummer 2
          1994
 
 
-         Wooley, b.; Virtual Worlds, a journey in hype
          and hyperreality; Blackwell 1992
 
 
 
 
-----------------------------------------------------
Wij hopen dat dit werkstuk nuttig voor u geweest is.
Als u opmerkingen heeft over dit werkstuk, zouden wij
dat graag van u horen. Ook wanneer u dit werkstuk 
gebruikt voor uw eigen werkstuk of artikel zouden wij 
er prijs op stellen als u dat ons liet weten. 
Alvast hartelijk dank!
 
E-mail: mseegers@sara.nl
 
