Sanal ve Artırılmış Gerçeklik

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 bir takım avantajlar sağlamaktadır. Dolayısıyla bu teknolojilere olan ilgi artmakta, eğitimden sağlığa, mühendislikten eğlenceye, sanattan astronomiye her alanda sanal ve artırılmış gerçeklik uygulamalarına rastlanmaktadır.

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.
Sanal gerçeklik, kullanıcıyı içine çeken, etkileşimli ve birden çok duyuya hitap eden, üç boyutlu bilgisayar ortamlarıdır. Bu ortamlar, kullanıcıların sanal dünyalarla etkileşime girebilmesi için kullanılan teknolojilerin birleşimiyle oluşturulur.

Orada olma hissinin oluşmasında dört temel unsur ön plana çıkmaktadır: sanal dünya, sürükleyicilik, duyusal geri bildirim ve etkileşim. Simülasyonlar aracılığıyla oluşturulan sanal dünya, gerçekte var olmayan, yapay olarak tasarlanmış bir ortamdır ve bu dünyada farklı sanal nesneler yer almaktadır. Sanal nesnelerin birbirleriyle ve kullanıcıyla nasıl etkileşime gireceği de sanal
dünyanın kuralları kapsamında belirlenir. Örneğin, bir hastane simülasyonunda sanal doktorlar ve tıbbi cihazlar bulunabilir ve kullanıcı, bu nesnelerle belirlenen kurallar çerçevesinde etkileşim kurabilir.

Geniş bir görüş açısı sağlayan başa takılan ekranlar
Kullanıcının hareketlerini ve pozisyonunu takip eden sistemler
Bakış yönü ya da işaret hareketlerini komut olarak algılayan arayüzler
Kullanıcı hareketlerine hızlı yanıt veren, gecikme süresi düşük sistemler

Gerçek ve sanal ortamı birleştirir.
Gerçek zamanlı olarak etkileşim sağlar.
Sanal içerikler üç boyutlu olarak kaydedilir.

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 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. Lazer klavyeler bu artırılmış gerçeklik türünün en açıklayıcı örneklerinden biri olarak verilebilir. Lazer klavyelerde klavye tuşları bir yüzeye sanal olarak yansıtılmakta ve kullanıcı gerçek bir klavyeye ihtiyaç duymadan bu yansıma üzerinden işlem
yapabilmektedir.

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. Örneğin, bir tıbbi artırılmış gerçeklik uygulamasında, insan vücudundaki organların detaylı bir görüntüsü, gerçek vücut üzerine bindirilerek gösterilebilir.

Artırılmış gerçeklik ve sanal gerçeklik teknolojileri, kökleri 20. yüzyılın başlarına dayanan ancak özellikle son birkaç on yılda büyük ilerlemeler kaydeden önemli dijital yeniliklerdir.
1987 yılında Görsel Programlama Laboratuvarı’nın (Visual Programming Lab) kurucusu Jaron Lanier, bu terimi ilk kez kullanarak günümüzdeki sanal gerçeklik kavramının temelini atmıştır

Giriş aygıtları, gerçek dünyanın simülasyonu ve çıkış aygıtları

Sanal gerçeklikte kullanıcının kendisini sanal ortamda hissedebilmesi için birtakım gereklilikler bulunmaktadır. Öncelikle, yapay hissettiren arayüzlerin mümkün olduğunca kullanılmaması önemlidir. 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.

Artırılmış gerçeklik sistemi de sanal gerçeklik sistemine benzer olarak giriş, işleme (gerçek dünyanın simülasyonu) ve çıkış bileşenlerinden oluşmaktadır. Ancak artırılmış gerçeklik sisteminin
sanal gerçeklik sisteminden en temel farkı bu sistem içinde bir etkileşim nesnesinin var olmasıdır.

Artırılmış gerçeklik sisteminin bileşenleri temelde beş adımla süreci tamamlamaktadır. Bunlar video
yakalama, izleme, kayıt, görselleştirme ve çıktı olarak sıralanmaktadır. Video yakalama adımında,
kullanıcının gerçek ortamını yakalamak amacıyla çevresinin bir video görüntüsü kaydedilir. Bu,
herhangi bir tür kamera kullanılarak yapılabilir (web kamerası, akıllı telefon kamerası, televizyon kamerası, vb.). Etkileşim nesnesi bu aşamada kullanılmaktadır.

Manyetik alan tabanlı giriş cihazlarında manyetik alanlar, izleme amacıyla kullanılmaktadır. Bu izleme sürecinde yapay manyetik alanlar ile dünyanın manyetik alanı arasında bir ayrım yapmak gerekir. Dünyanın manyetik alanını elektronik olarak ölçmek için genellikle manyetometreler kullanılır. Bireysel sensörün yönüne bağlı olarak hem yatay hem de dikey bileşenler ölçülür ve mevcut konumun belirlenmesi sağlanır.

Manyetik alan tabanlı giriş cihazlarında manyetik alanlar, izleme amacıyla kullanılmaktadır. Bu izleme sürecinde yapay manyetik alanlar ile dünyanın manyetik alanı arasında bir ayrım yapmak gerekir. Dünyanın manyetik alanını elektronik olarak ölçmek için genellikle manyetometreler kullanılır. Bireysel sensörün yönüne bağlı olarak hem yatay hem de dikey bileşenler ölçülür ve mevcut konumun belirlenmesi sağlanır.

Manyetik alan tabanlı giriş cihazlarında manyetik alanlar, izleme amacıyla kullanılmaktadır. Bu izleme sürecinde yapay manyetik alanlar ile dünyanın manyetik alanı arasında bir ayrım yapmak gerekir. Dünyanın manyetik alanını elektronik olarak ölçmek için genellikle manyetometreler kullanılır. Bireysel sensörün yönüne bağlı olarak hem yatay hem de dikey bileşenler ölçülür ve mevcut konumun belirlenmesi sağlanır.

Açık alan pozisyon izleme özellikle artırılmış gerçeklik için önemlidir. Çünkü sanal gerçeklik uygulamaları genellikle dış mekânda kullanılmaz. Küresel uydu tabanlı sistemler genellikle konumlarını belirlemek için en az dört uyduya doğrudan görüş hattına ihtiyaç duyar. Uydularla bağlantı herhangi bir nedenle kesintiye uğradığında konum izleme hataları sıklıkla meydana gelmektedir. Bu durum genelde dağların ve ormanların ya da yüksek binaların bulunduğu şehir
merkezlerinde oluşmaktadır çünkü büyük nesneler uydu sinyallerine erişimi engellemektedir.

En sık kullanılanları işaretçi tabanlı, görsel eş zamanlı yerleştirme ve haritalama (Simultaneous Localization and Mapping-SLAM) ve derinlik tabanlı izleme teknikleri olarak sıralanabilir. Hesaplama karmaşıklığını azaltmak ve farklı aydınlatma koşullarında hataları önlemek için kamera tabanlı izleme teknikleri genellikle açıkça belirlenmiş işaretçiler kullanır. Tipik bir işaretsiz izleme yöntemi olan SLAM, daha önce bir işaretçi tanımlaması yapılmamış bir ortamda güvenilir işaretleyiciler olmadan mobil artırılmış ve sanal gerçeklik uygulamalarının kullanılmasını mümkün kılar. Derinlik tabanlı izlemede ise son yıllarda yaygınlaşan kızılötesi tabanlı derinlik sensörlerinden elde edilen derinlik haritaları kullanılır.

Görsel çıkış teknolojileri, dokunsal (haptik) geri bildirim teknolojileri ve ses çıkışı teknolojileridir.

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. Bu cihazlar genelde bir titreşim yoluyla dokunsal geri bildirim verdiği için gerçekçiliğin sağlanmasında çok başarılı değildir. Ancak Go Touch, Tactical Haptics, HaptX gibi şirketler tam donanımlı haptik eldivenler, yelekler, kıyafetler ve dış iskeletler geliştirerek kullanıcıların nesnelerin dokusunu, sıcaklığını ve şeklini hissetmesini sağlamayı hedefler.