BİL112U-DİJİTAL TOPLUM TEKNOLOJİLERİ
Ünite 5: Sanal ve Artırılmış Gerçeklik
Giriş
Sanal ve artırılmış gerçekliğe duyulan ihtiyaç; insan bilgisayar etkileşimindeki arayüzü ortadan kaldırmasıyla dijital ortamlarda gerçeğe uygun etkileşim imkanı sağlayacağı fikrinden kaynaklanmaktadır. Böylece kullanıcılar sanal ortamı doğasına uygun şekilde, gerçek hayatta olduğu gibi serbestçe deneyimleyebilecektir. Bu durum gerçek hayatta gerçekleştirilmesi zor ve tehlikeli görevlerin tamamlanmasında, zamandan ve maliyetten tasarruf edilmesinde ve gerçeğe yakın deneyimler elde edilmesinde birtakım avantajlar sağlamaktadır. Dolayısıyla bu teknolojilere olan ilgi artmakta, eğitimden sağlığa, mühendislikten eğlenceye, sanattan astronomiye her alanda sanal ve artırılmış gerçeklik uygulamalarına rastlanmaktadır.
Sanal ve artırılmış gerçeklik arasındaki temel farklılık, bu teknolojiler sayesinde elde edilen deneyimin gerçekliğe yakınlığı ile ilgilidir. Sanal ortamdaki bu gerçeklik algısı sanallık sürekliliğinin basitleştirilmiş sunumu ile ortaya konmuştur. Bu sunuma göre sanal ortamda oluşturulan gerçeklik düzeyi kullanıcının gerçek ortama ya da sanal ortama ne kadar yakın olduğu ile ilişkilidir.
Sanal Gerçeklik
Sanal gerçeklik, çeşitli sensörler içeren giyilebilir teknolojiler sayesinde kullanıcının fiziksel ve zihinsel olarak içinde bulunduğunu hissettiği ortamlarda etkileşim kurmasını sağlayan ve gerçek dünyadaki durumları simüle ederek deneyimleme imkânı sunan sanal ortamlar olarak tanımlanabilir. Bu bağlamda, sanal gerçeklik deneyiminin en temel unsurlarından biri “orada olma hissi”dir.
Orada olma hissinin oluşmasında dört temel unsur ön plana çıkmaktadır: sanal dünya, sürükleyicilik, duyusal geri bildirim ve etkileşim.
Sanal gerçeklik ortamları, orada olma hissinin seviyesine bağlı olarak iki ana gruba ayrılmaktadır: sürükleyici ve sürükleyici olmayan sanal gerçeklik. Sürükleyici olmayan sanal gerçeklikte, kullanıcı fare, klavye veya oyun kolu gibi geleneksel giriş cihazlarıyla etkileşim kurar. Buna karşın, sürükleyici sanal gerçeklik ortamlarında kullanıcı, sanal dünyaya tamamen dalmış bir hâlde olur.
Kullanıcı ile sanal ortam arasındaki arayüz, sanal gerçeklik deneyiminin ne kadar sürükleyici olacağını belirleyen en önemli faktörlerden biridir. Arayüz ne kadar doğal ve sezgisel hareketlere izin verirse, sanal ortam o kadar gerçekçi hissettirecektir. Sürükleyicilik seviyesi arttıkça kullanıcı gerçek dünyadan koparak sanal dünyaya daha güçlü bir şekilde adapte olabilir.
Artırılmış Gerçeklik
Artırılmış gerçeklik sanal gerçekliğin bir çeşidi olarak ele alınmaktadır. Sanal gerçeklik teknolojileri, kullanıcıyı tamamen sanal bir ortama yerleştirir ve kullanıcı etrafındaki gerçek dünyayı göremez. Buna karşılık artırılmış gerçeklik, kullanıcının gerçek dünyayı, sanal nesnelerin gerçek
dünyayla birleştirildiği şekilde görmesini sağlar. Bu nedenle artırılmış gerçeklik gerçekliği tamamen simüle etmek yerine onu artırır.
Artırılmış gerçeklik türleri, kullanılan teknolojilere ve bunların işleyiş prensiplerine göre dört kategoride incelenebilir. Bunlardan ilki işaretçi tabanlı (marker-based) artırılmış gerçekliktir. Bu teknoloji, görsel işaretçiler (marker) kullanarak sanal içerikleri gerçek dünyaya entegre eder. Genellikle kamera destekli bir cihaz, gerçek dünyadaki bir nesneye odaklanır. Bu nesne QR kodları veya belirgin şekillere sahip basit görseller olabilir.
İkinci artırılmış gerçeklik türü işaretçi tabanlı olmayan artırılmış gerçekliktir (markerless). İşaretleyici bir nesne kullanmayan bu teknoloji, konum tabanlı verilerle çalışır ve günümüzde en yaygın kullanılan artırılmış gerçeklik türlerinden biridir. Adres haritalama veya bir konumu bulma gibi navigasyon uygulamalarında sıkça kullanılır. Pokemon GO uygulaması bu tür artırılmış gerçeklik için güzel bir örnektir.
Artırılmış gerçeklik türlerinden üçüncüsü projeksiyon tabanlı artırılmış gerçekliktir (projection-based). Bu teknoloji, gerçek dünyaya yapay ışık yansıtma prensibiyle çalışır. Süreçte bir yüzeye ışık projeksiyonu yapılır ve kullanıcı, bu ışık ile fiziksel temas sağladığında etkileşim gerçekleşir. Kullanıcının müdahalesi sonucu beklenen projeksiyon ile gerçek projeksiyon arasında bir fark oluştuğunda sistem bunu algılar ve tepki verir. İşaretleyici kullanılmadığı için daha fazla işlem gücü ve yüksek performanslı cihazlar gerektirir.
Artırılmış gerçekliğin son türü örtüşme tabanlı artırılmış gerçeklik olarak adlandırılmaktadır (overlaybased AR). Bu teknoloji, gerçek dünya görüntüsünün bir kısmını veya tamamını sanal nesnelerle değiştirir. Nesnelerin büyütülmüş veya farklı versiyonlarını üst üste bindirme prensibiyle çalışır. Görüntü tanıma burada da kritik bir rol oynar çünkü sistem, nesneyi tanıyamazsa artırılmış görüntüyü oluşturamaz.
Sanal ve Artırılmış Gerçeklik Fikrinin Tarihi
Artırılmış gerçeklik ve sanal gerçeklik teknolojileri, kökleri 20. yüzyılın başlarına dayanan ancak özellikle son birkaç on yılda büyük ilerlemeler kaydeden önemli dijital yeniliklerdir. Bu teknolojilerin gelişim süreci, farklı dönemlerde önemli kilometre taşları ile şekillenmiştir.
1922’de gösterime giren Power of Love, ilk üç boyutlu (3B) film olarak tarihe geçmiştir. Bu yapımda stereoskopik görüntüleme tekniğinin yanısıra, izleyicilerin renkli gözlükler (anaglif yöntemi) kullanarak derinlik algısı yaşaması sağlanmıştır. 1952 yılında geliştirilen Cinerama ise birden fazla projektör ile senkronize edilmiş görüntüleri kavisli bir ekrana yansıtarak izleyicilere daha etkileyici bir deneyim sunmuştur.
1960’lı yıllara gelindiğinde, Norton Heilig Telesphere Mask (1960) ve Sensorama (1962) ile sanal deneyimi daha kapsayıcı hâle getirmiştir. Bu iki buluş, 3B görüntüler,
stereo ses, rüzgâr, koku ve titreşim gibi unsurlar içeren ancak etkileşim sunmayan çok duyulu bir sinema deneyimi olarak kabul edilmektedir.
Telesphere Mask, günümüzde kullanılan sanal gerçeklik başlıklarının ilk örneklerinden biri olarak değerlendirilmektedir. 1961 yılında Philco Corporation, kullanıcının kafa hareketlerini takip eden ve buna tepki verebilen ilk görüntüleme başlığını geliştirerek Headsight adını verdiği bu cihazı televizyon sistemleriyle entegre etmiştir. Bu teknoloji, kullanıcılara orada olma hissini yaşatan en erken örneklerden biri olarak kabul edilir. 1968 yılında Ivan Sutherland tarafından geliştirilen The Sword of Damocles, kafa hareketlerini takip eden ve tavandan asılı mekanik bir kol aracılığıyla denge sağlanan ilk sanal gerçeklik başlığı olmuştur.
1970’li yıllarda sanal ve artırılmış gerçeklik sistemlerine etkileşim unsuru da eklenmeye başlanmıştır. Myron Krueger, 1969’da sanal gerçeklikle etkileşimli sanat çalışmalarına başlamış ve 1974’te Videoplace sistemini geliştirmiştir. Bu sistem, kullanıcı hareketlerini video tabanlı izleme yöntemiyle analiz ederek bilgisayar tarafından üretilen nesnelerle birleştirmiştir. 1977 yılında Daniel J. Sandin ve Thomas DeFanti, el ve parmak hareketlerini algılayarak veri işleyen ilk kablolu eldiven olan Sayre’yi geliştirmiştir. Bu gelişme, sanal ve artırılmış gerçeklik sistemlerinde etkileşimi artıran önemli bir adım olmuştur.
Bu gelişmeler yaşanırken “sanal gerçeklik” terimi henüz kullanılmıyordu. 1987 yılında Görsel Programlama Laboratuvarı’nın (Visual Programming Lab) kurucusu Jaron Lanier, bu terimi ilk kez kullanarak günümüzdeki sanal gerçeklik kavramının temelini atmıştır. “Artırılmış gerçeklik” terimi ise 1992 yılında Tom Caudell ve David Mizell tarafından ortaya atılmıştır.
1990’lı yıllar, özellikle eğlence sektöründe sanal gerçeklik teknolojisinin kullanımında duraklama yaşanan bir dönem olarak görülse de geniş çaplı araştırma ve geliştirme çalışmaları devam etmiştir. 1992 yılında geliştirilen Cave Automatic Virtual Environment (CAVE) teknolojisi, dört duvar, tavan ve zeminin görüntülerle kaplandığı bir kübik alan oluşturarak sanal gerçeklik deneyimini ileriye taşımıştır. CAVE sistemleri, veri eldivenleri, joystickler ve hareket izleme teknolojisi ile kullanıcıların sanal ortamda konumlarını belirleyerek etkileşime girmelerine olanak tanımıştır.
1990’ların başında geliştirilen Virtuality 1000 serisi, Jonathan Waldern ve W-Industries tarafından üretilmiş olup, çok oyunculu sanal gerçeklik deneyimini mümkün kılan öncü sistemlerden biri olmuştur. Bu sistem, görüntüleme başlığına entegre edilmiş dört hoparlörlü ses sistemiyle daha kapsamlı bir deneyim sunmuştur.
Aynı dönemde Sega, Sega VR (1993) ve Sega VR1 (1994) sanal gerçeklik sistemlerini geliştirse de beklenen başarıyı yakalayamamıştır. Ancak Nintendo tarafından 1995 yılında piyasaya sürülen Virtual Boy (VR32 kod adıyla bilinir) adlı
taşınabilir 3B oyun konsolu, başarılı bir ürün olarak kayıtlara geçmiştir. 1993 yılında Feiner ve ekibi, bakım ve onarım süreçlerini yönlendiren artırılmış gerçeklik uygulaması KARMA’yı geliştirmiştir. 1996 yılında ise Cybercode tarafından ilk iki boyutlu işaretçileri kullanan artırılmış gerçeklik uygulaması tasarlanmıştır.
2000’li yıllar, sanal gerçeklik açısından büyük ilerlemelerin yaşandığı bir dönem olmuştur. 2007 yılında Google, 360 derece panoramik görüntü sağlayan Street View özelliğini duyurmuştur. 2012 yılında Oculus Rift için bir Kickstarter kampanyası başlatılmış, 2014’te ise Facebook, Oculus’u 2,3 milyar dolara satın alarak bu alandaki yatırımlarını artırmıştır. 2015 yılında HTC ve Valve, HTC Vive isimli sanal gerçeklik sistemini piyasaya sürmüştür.
Aynı dönemde artırılmış gerçeklik teknolojileri de hızla gelişmiştir. ARQuake ile oyun içinde yön bulma, GPS entegrasyonu ve görsel tabanlı izleme gibi özellikler kullanıma sunulmuştur. 2012 yılında Google Glass, 2016 yılında ise Hololens artırılmış gerçeklik gözlükleri piyasaya sürülmüştür. Yazılım alanında ise artırılmış gerçeklik kütüphaneleri olan ARToolKit (açık kaynak), ARKit (Apple) ve ARCore (Google) geliştirilmiş, böylece artırılmış gerçeklik uygulamalarının programlanması kolaylaştırılmıştır. 2016 yılında piyasaya sürülen Pokémon GO, artırılmış gerçekliğin en popüler uygulamalarından biri hâline gelmiş ve kısa sürede milyonlarca kullanıcıya ulaşmıştır.
Sanal ve Artırılmış Gerçeklik Sistemleri
Sanal gerçeklikte kullanıcının kendisini sanal ortamda hissedebilmesi için birtakım gereklilikler bulunmaktadır. Arayüzler insan-bilgisayar etkileşiminde veri girişi için gerekli olan cihazlar olduğundan, bu arayüzlerin varlığını hissettirmemesi kullanıcıya ait verileri âdeta habersizce, otomatik olarak almasına bağlıdır. İşte bu noktada giriş aygıtları olarak sensörler gündeme gelmektedir. Sensörler sayesinde fiziksel olarak var olan bir eylem otomatikleştirilmiş bir şekilde, kullanıcının herhangi bir işlem yapmasına gerek olmadan tespit edilebilmektedir. Bu giriş aygıtları hareketi ya da hareketsizliği tespit eden eylemsizlik sensörleri, göz hareketlerini izlemeyi amaçlayan optik sensörler, nesnelere olan mesafeyi belirlemek için kullanılan derinlik kameraları, mikrofonlar, kameralar, basıncı hesaplayan basınç sensörleri ve kullanıcının sanal ortamla etkileşimini kolaylaştıran sanal gerçeklik kumandaları olabilmektedir. Tüm bunlar sayesinde sanal gerçeklik sistemi kullanıcının manuel olarak veri girmesine gerek kalmadan, doğal hareketlerine ilişkin verileri alabilmektedir.
Kullanıcıdan alınan verilerin sanal gerçeklik ile deneyimlenecek senaryo temelinde bilgisayar sistemleri aracılığıyla işlenmesi ile gerçek dünyanın simülasyonu gerçekleşmiş olur. Bu süreçte öncelikle tüm giriş aygıtlarından alınan veriler bütünleştirilmektedir (sensör tümleştirme). Ardından bu veriler deneyimlenen senaryonun akışını oluşturacak şekilde düzenlenmektedir.
Kullanıcıdan alınan ve sanal ortamda bulunan veriler bütünleştirildiğinde akış ve işleme adımı tamamlanmış olur. Bu sürecin sonunda kullanıcıya geri gönderilecek bilgiler (sesler, görseller, dokunma ve hareket hissi) bilgisayar ortamında oluşturulmuş olur.
Giriş aygıtlarıyla alınan verilerin işlenmesinden sonra sanal dünyada meydana gelen akışın kullanıcıya geri gönderilmesi sanal gerçeklik sisteminin üçüncü parçası olan çıkış aygıtları ile mümkün olmaktadır. Bu çıkış aygıtları duymayı sağlayan kulaklıklar, görmeyi sağlayan çeşitli araçlar (görüntüleme başlığı, monitör vb.), hareketin algılanmasını sağlayan hareket platformları ve dokunsal algılamayı sağlayan geri bildirim araçları olabilmektedir. Kullanılan bu cihazlar kullanıcının sanal ortamda gerçekleşen olayları gerçeğe yakın bir şekilde algılamasını ve dolayısıyla orada olma hissini yaşamasını sağlamaktadır.
Artırılmış gerçeklik deneyiminde de sanal gerçeklik ile benzer bir sistem döngüsü bulunmaktadır. Ancak bu sistemde amaç kullanıcıyı mümkün olduğunca doğal bir şekilde sanal ortama yerleştirmek değil; gerçek ortam algısını mümkün olduğunca kusursuz bir şekilde sanal ortamla zenginleştirmektir. Artırılmış gerçeklik sisteminin bileşenleri temelde beş adımla süreci tamamlamaktadır. Bunlar video yakalama, izleme, kayıt, görselleştirme ve çıktı olarak sıralanmaktadır.
Sanal ve Artırılmış Gerçeklikte Giriş Teknolojileri
Giriş aygıtları, sensörler kullanarak kullanıcı etkileşimleriyle birlikte diğer nesneleri ve ortamı kaydetmek için kullanılır. Bu şekilde elde edilen veriler özetlenir, gerektiğinde anlamsal olarak yorumlanır ve gerçek dünyanın simülasyonuna aktarılır. Kullanıcının sistemle etkileşimi çeşitli şekillerde gerçekleşebilir. Bu etkileşim basit bir şekilde, kullanıcının bir düğmeye basmasıyla ya da daha karmaşık etkileşimlerde el hareketleri veya bakış yönlendirme gibi davranışlar şeklinde gerçekleşebilir. Kullanıcıdan verilerin alınması için kullanılan giriş teknolojileri dört kategoride incelenebilir:
1. Genel izleme 2. Kamera tabanlı izleme (Optik izleme) 3. Parmak izleme 4. Göz izleme
Sanal ve Artırılmış Gerçeklikte Çıkış Teknolojileri
Sanal ve artırılmış gerçeklikte kullanıcı verileri giriş teknolojileri aracılığıyla alınmakta, sanal dünyaya aktarılmakta ve işlenerek kullanıcıya sistemin yanıtı olarak geri gönderilmektedir. İşte bu sisteminin yanıtının kullanıcı tarafından alınabilmesi için çıkış teknolojilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çıkış teknolojileri şu şekilde sıralanabilir:
1. Görsel çıkış teknolojileri: Kullanıcının görme duyusuna hitap ederek sanal dünyadaki görsel ögeleri algılamasını sağlayan cihazlardır. Bunlar
çeşitli ekranlar, kafaya takılan görüntüleme başlıkları (head mounted displays-HMD) ya da oda ölçekli sistemler olabilir. 2. Dokunsal (Haptik) geri bildirim teknolojileri: Haptik çıkış cihazları, sanal nesneleri kullanıcı için dokunulabilir hâle getirir ve kullanıcıya dokunsal geri bildirim sağlamayı hedefler. Bu geri bildirim için genellikle artırılmış ve sanal gerçeklik kontrolörleri (oyun kumandaları vb.) kullanılır. Bu cihazlara örnek olarak Xbox One kumandaları, HTC Vive Wands ve Oculus Touch kumandaları verilebilir. 3. Ses çıkışı teknolojileri: Bu teknolojilerin amacı, sanal dünyadaki sesleri ve tonları, kullanıcının bunları gerçek dünyada algıladığı şekilde yeniden üretmektir. İnsan işitsel algısının yarattığı etki görsel algıya kıyasla daha düşük olsa da ses çıkışı teknolojileri mekânsal yönelim açısından önemli bir destek sağlar.
Ne kadar çok duyu organına hitap edilirse o kadar gerçekçi bir simülasyon yaratılacağından, iyi bir şekilde bir araya getirilmiş çoklu cihaz kullanımı sanal ve artırılmış gerçeklikte önemlidir.
Sanal ve Artırılmış Gerçeklik Ortamlarının Geliştirilmesinde Kullanılan Yazılımlar
Giriş teknolojileriyle alınan verinin işlenmesi, buna göre sanal dünyanın oluşturulması ve işlenen verilerin çıkış teknolojileriyle kullanıcıya aktarılması; başka bir deyişle artırılmış ve sanal gerçeklik ortamlarının geliştirilmesi için bazı yazılımlar kullanılmaktadır. Bunlar üç grupta ele alınabilir: Oyun motorları, üç boyutlu modelleme araçları ve 360 derece video düzenleme araçları.
Oyun Motorları
Oyun motorları, bilgisayar oyunları için geliştirme ve çalışma ortamlarıdır. Masaüstü bilgisayarlar, oyun konsolları ve akıllı telefonlar gibi hedef platformların yanı sıra, birçok oyun motoru artırılmış ve sanal gerçeklik uygulamalarının geliştirilmesini de desteklemektedir.
Üç Boyutlu Modelleme Araçları
Üç boyutlu modelleme, üç boyutlu nesnelerin bilgisayar ortamında oluşturulma sürecidir. Bu süreç, özel yazılımlar kullanılarak gerçekleştirilir ve nesnelerin uzunluk, genişlik ve derinlik gibi üç boyutlu özelliklerini içerir. Üç boyutlu modelleme oyun motorları aracılığıyla gerçekleştirilebilmektedir ancak en nitelikli ürünlere ulaşmak için genellikler özel yazılımlar kullanılmaktadır. Bu yazılımlar arasında en çok bilinenleri 3ds Max, Maya, Blender olarak sıralanabilir. Üç boyutlu modelleme araçlarından herhangi birini kullanarak karakter tasarımı, hareketli grafikler, animasyon, simülasyon vb. yapmak mümkündür.
360 Derece Video Düzenleme Araçları
360 derece video, izleyicilerin videonun her yönünü aynı anda görebilmesine olanak tanıyan bir video türüdür. Bu tür
videolar, genellikle tüm çevreyi kaydeden özel kameralarla hem de artırılmış gerçeklik deneyimlerinde çekilir. İzleyici, video izlerken ekranı sürükleyerek ya da kazalar yaşanabilmektedir. görüntüleme başlıkları takarak istediği yöne bakabilir ve ortamın farklı açılarını keşfedebilir. Bu sayede, sadece ekrandaki ana görüntüyü izlemek yerine, çevrede olup biteni tüm yönlerden deneyimleme fırsatı sunar.
Sanal ve Artırılmış Gerçekliğin Güçlü ve Zayıf Yönleri
Her ne kadar artırılmış ve sanal gerçeklik karma gerçekliğin bir çeşidi olarak ele alınsa da bu iki teknolojinin tanımlanması, kullanıcıya sunduğu deneyim, sistemin işleyişi, geliştirilme süreçleri, tarihsel gelişimleri, kullanılan cihazlar arasında farklılıklar bulunmaktadır. Bu farklılıktan dolayı da hem kullanıcılar hem de geliştiriciler için her iki teknolojinin de birtakım güçlü ve zayıf özellikleri bulunmaktadır. Bu özellikler karşılaştırmalı olarak şu şekilde sıralanabilir:
• Sanal gerçeklik kullanıcının kendisini tam olarak orada hissettiği bir sanal ortam deneyimi yaratır. Bu nedenle kullanıcıların kesintisiz dikkatini ve pratik yapmasını gerektiren durumlar için önemli avantajlar sağlar. Artırılmış gerçeklik ise kullanıcıya gerçek dünya ile sanal dünyayı birlikte sunduğu ve bir mobil uygulama gibi kolay kullanılabildiği için daha uygulanabilirdir ancak sürükleyicilik düzeyi sanal gerçekliğe göre daha düşüktür. • Sanal gerçeklik, gerçek hayatta gerçekleştirilmesi zor ya da tehlikeli görevlerin yüksek gerçekçilik düzeyinde simüle edilmesini sağlar. Artırılmış gerçeklik ise daha basit uygulamaların gerçekleştirilmesi için avantajlıdır. • Sanal gerçeklik için üretilen içerikler niceliksel ve niteliksel olarak oldukça hızlı gelişim gösterirken, artırılmış gerçeklikte özellikle yüksek kaliteli içerik açısından, kullanıcıların deneyimleyebileceği içerik miktarı oldukça sınırlıdır. • Sanal gerçekliğin kullanıcılara sanal ortamda etkileşim kurmasına olanak vermesi en önemli güçlü özelliklerinden biridir. Artırılmış gerçeklikte ise bu etkileşim çok daha sınırlıdır. • Sanal gerçeklik teknolojileri artırılmış gerçeklik teknolojilerine oranla daha hızlı gelişim göstermektedir. • Sanal gerçeklik deneyiminin yaşanması için gerekli olan cihazların maliyeti genellikle artırılmış gerçeklik cihazlarına göre daha fazladır. • Özellikle sanal gerçeklikte kullanılan görüntüleme başlıkları hareket hastalığı (motion sickness) denilen rahatsız bir duruma yol açmaktadır. • Genelde kullanıcının görüntüleme başlığı kullandığı durumlarda gerçek dünya ile bağlantısı kesildiğinden, bu tür uygulamaların yapıldığı fiziksel alanların ergonomik olarak iyi ayarlanmayışından dolayı hem sanal gerçeklik