Virtuaalitodellisuuslaboratorion laiteympäristön kehittäminen - ohjaimet ja ohjelmistot

Tämä diplomityö on tehty osana HumanICT-projektia, jonka tavoitteena on kehittää uusi, virtuaalitekniikoita hyödyntävä, työkoneiden käyttäjäliityntöjen suunnittelumenetelmä. Työn tarkoituksena oli kehittää VTT:n Tuotteet ja tuotanto tutkimusyksikköön kuluvan Ihminen-kone-turvallisuus ryhmän nykyistä virtuaalitodellisuuslaboratoriota siten, että sitä voidaan käyttää työkoneiden suunnittelussa sekä monipuolisissa ergonomiatarkasteluissa. Itse ympäristön kehittäminen pitää sisällään uuden ohjainjärjestelmän suunnittelun sekä sen implementoinnin nykyisin käytössä olevaan virtuaaliympäristöön. Perinteisesti ohjaamosimulaattorit ovat olleet sovelluskohteisiin räätälöityjä, joten ne ovat kalliita ja niiden konfiguroinnin muuttaminen on vaikeaa, joskus jopa mahdotonta. Tämän työntarkoituksena oli kehittää PC-tietokoneeseen ja yleiseen käyttöjärjestelmään perustuva ohjainjärjestelmä, joka on nopeasti kytkettävissä erilaisiin virtuaaliympäristön sovelluksiin, kuten ohjaamomalleihin. Työssä tarkasteltiin myös tapoja mallintaa fysikaalisia ilmiöitä reaaliaikasovelluksissa, eli on-line simuloinnissa. Tämän tarkastelun perusteella etsittiin ja valittiin jatkokäsittelyyn ohjelmistoja, joiden reaaliaikaisen dynamiikan simulointialgoritmitolivat kaikkein kehittyneimpiä ja monipuolisia.

Visualisointiympariston suunnittelu

Diplomityossa kartoitetaan Visualisointiympäristön rakentamiseen ja toteuttamiseen soveltuvia tekniikoita. Kartoituksen perusteella laadittiin lista tarvittavista komponenteista Visualisointiympäristön toteuttamiseksi Lappeenrannan teknillisen yliopiston konetekniikan osastolle mekatroniikan ja virtuaalisuunnittelun laboratoriolle. Työssä tarkastellaan keinotodellisuuden ulottuvuuksia ja esitellään sen hyödyntämismahdollisuuksia eri aloilla nyt ja tulevaisuudessa. Keinotodellisuuteen liittyvät tekniikat eri toteuttamistapoineen esitellaan käyttäen esimerkkeinä tällä hetkellä markkinoilla olevia tuotteita. Lopuksi arvioitiin virtuaalitekniikan kehitystä ja sen merkitystä tulevaisuudessa. Tutkimus osoittaa, etta keinotodellisuudelle löytyy runsaasti sovelluksia eri aloilla, ja edullisen PC-tekniikan kehittyessä kustannukset laskevat jatkuvasti, jolloin vähitellen keinotodellisuus yleistyy.

Eleohjaus Google Cardboard-virtuaaliympäristöön käyttäen älypuhelimen kameraa

Tässä opinnäytetyössä on toteutettu ja arvioitu virtuaalitodellisuuteen soveltuvaa käyttöliittymää. Motivaationa työlle oli Google Cardboardin mahdollistama todentuntuinen virtuaalikokemus älypuhelimen hinnalla. Cardboard-ympäristöön ei kuitenkaan ollut olemassa kattavaa käyttöliittymää ja tämän työn tavoitteena olikin selvittää, onko älypuhelimen kameraa mahdollista käyttää eleohjauksen toteuttamiseen niin että ohjaus on käytettävyydeltään kelvollinen ja se tukee läsnäolon tunteen syntymistä. Asian selvittämiseksi kehitettiin testipeli, jolla eleohjausta verrattiin Cardboardin oletuskäyttöliittymään. Koehenkilöt saavuttivat ehdotetulla käyttöliittymällä testipelissä keskimäärin 45-% korkeampia pistemääriä ja lisäksi he arvioivat sen olleen toimiva ja sen synnyttämän läsnäolon tunteen olleen voimakkaampaa.

Virtuaalitodellisuuden aiheuttama fyysinen pahoinvointi ja sen minimointi

Ensimmäiset virtuaalitodellisuudet kehitettiin jo 1960-luvulla, mutta tästä huolimatta virtuaalitodellisuussovellukset eivät ole vieläkään yleistyneet kotikäytössä. Yksi merkittävä ongelma, joka on hidastanut virtuaalitodellislaitteiden yleistymistä on, virtuaalitodellisuus-pahoinvointi. Se on virtuaalitodellisuuden aiheuttama fyysisen pahoinvoinnin tila, jonka yleisimmät oireet ovat väsymys, päänsärky, tokkuraisuus, oksentelu ja yleinen epämukavuuden tunne. Virtuaalitodellisuuspahoinvoinnin perimmäisestä aiheuttajasta on useita teorioita, joista yleisesti hyväksytyin ja tunnetuin on aistiristiriitateoria. Aistiristiriitateorian mukaan pahoinvointia aiheuttaa visuaalisten ärsykkeiden ja tasapainoaistin välinen ristiriita. Pahoinvointiin vaikuttavat myös useat eri tekijät virtuaalitodellisuudessa, joista valtaosa liittyy virtuaalitodellisuudessa liikkumiseen. Esimerkiksi portaiden kiipeäminen ja hyppiminen aiheuttavat pahoinvointia. Liikkumisen lisäksi esimerkiksi näkökentän laajuus ja kuvan matala päivitysnopeus aiheuttavat joissain käyttäjissä pahoinvointia. Lisäksi virtuaalitodellisuuslaitteiden käytön kesto lisää pahoinvointia. Myös jotkin käyttäjän ominaisuudet lisäävät pahoinvointia. Esimerkiksi käyttäjän sukupuoli ja kansalaisuus vaikuttavat pahoinvointiin. Naiset kärsivät virtuaalitodellisuuspahoinvoinnista tutkitusti miehiä enemmän. Lisäksi käyttäjän iän on todettu vaikuttavan pahoinvointiin. Pahoinvointiin voi tottua eli jatkuva virtuaalitodellisuuslaitteiden käyttö vähentää pahoinvointia. Virtuaalitodellisuuspahoinvointia voidaan yrittää minimoida useilla tavoilla. Virtuaalitodellisuuden päivitysnopeuden täytyy olla tarpeeksi suuri, joten se ei saa olla graafisesti liian vaativa. Käyttäjän liikkuminen vaikuttaa myös pahoinvointiin, erityisesti portaiden kiipeäminen ja hyppiminen lisäävät pahoinvointia, joten näitä tulisi välttää. Lisäksi rauhoittava musiikki vähentää joillain käyttäjillä pahoinvoinnin oireita. Virtuaalitodellisuuden asetusten tulisi olla säädettävissä, koska esimerkiksi näkökentän laajuus ja silmien etäisyys vaikuttavat pahoinvointiin. Ainoa tapa varmistaa, kuinka paljon pahoinvointia virtuaalitodellisuus aiheuttaa, on laaja testaaminen.