Trzeci wymiar

Korzystanie z oprogramowania 3D wymaga zastosowania nowego sprzętu

Korzystanie z oprogramowania 3D wymaga zastosowania nowego sprzętu

Zafascynowani siecią i multimediami nie zwracamy uwagi na to, że cały nasz informatyczny świat jest dwuwymiarowy, tak jakbyśmy byli jakimiś "płaszczakami" z innej planety, a nie istotami przestrzennymi. Czy mamy prawo żądać od komputerów trzeciego wymiaru i czy jest on nam w ogóle potrzebny?

Nieznośna płaskość mediów

Wszystkie media informatyczne, którymi się posługujemy, są płaskie. Z papierem (drukowane środki przekazu), starszym niż komputery, sprawa jest oczywista. W konsekwencji, wszystko co ma z nim do czynienia, działa również dwuwymiarowo: skanery, drukarki, czytniki dokumentów, plotery. Pracujemy z płaskimi ekranami, a myszkę przesuwamy w jednej i tej samej płaszczyźnie. Czy to wystarcza?

Jasne, można by odpowiedzieć bez większego zastanowienia. Skoro tak było "od zawsze"? W sumie jesteśmy konserwatywni - po opanowaniu określonej technologii chętnie się do niej przyzwyczajamy i nie lubimy zamieniać stabilnej sytuacji na niepewność nowej. Bezwładność naszego myślenia to jeden z większych hamulców rozwoju technicznego. Za to usprawiedliwienia i indywidualne argumenty potrafimy znajdować po mistrzowsku.

Kiedy kilka lat temu rozpoczynał się tryumfalny pochód MS-Windows, wielu odnosiło się do tej nowinki sceptycznie, mimo wcześniejszych sukcesów podobnych programów innych firm: "komendy znam na pamięć, nie będę przebijał się przez siedmiopoziomowe menu żeby skasować zbiór danych, to dobre dla laików". Przejście z wersji 3.0 na 3.1 było już łatwiejsze.

J-23 w kolorze

Podobnie było z kolorowymi monitorami - "profesjonalista" traktował je jako zbędny gadżet. To prawda, że w trybie znakowym, z monochromatyczną kartą Hercules dało się pracować, ale dlaczego rezygnować z właściwości tak typowych dla otaczającego nas świata, jak barwy? W wersji czarnoübiałej można było oglądać Klossa - znawcy tematu twierdzą, że gdyby go komputerowo pokolorować, to straciłby walory filmu dokumentalnego(?!) - we współczesnych systemach informatycznych kolor jest czymś oczywistym, choćby w kontekście ergonomicznym.

Na poziomie narzędzi i aplikacji wielowymiarowość w informatyce nie jest niczym nadzwyczajnym. Każdy język programowania potrafi operować wielowymiarowymi tablicami. W zastosowaniach gospodarczych tendencja rozpowszechniania się wielowymiarowych baz danych zaczyna odgrywać większą rolę niż próby orientacji na obiektowość. Gdyby tak jeszcze dałoby się poobracać sześcianik z danymi na trójwymiarowym ekranie! Co na to optyka monitorów?

Technologia lampowa trzyma się nieźle

Monitory zdają się lekceważyć tempo przemian obowiązujących w świecie mikroprocesorów. Otoczeni układami scalonymi do granic nieoznaczoności Heisenberga, musimy pracować z lampami kineskopowymi, bez których nasze komputery niewiele miałyby do pokazania. To prawda, że technologia ciekłokrystaliczna LCD (liquid crystal display) na dobre zadomowiła się we wszelkiego rodzaju konfiguracjach przenośnych typu laptop czy notebook, ale jakość obrazu jest gorsza niż uzyskiwana na ekranach komputerów stacjonarnych.

Od lat standardową wielkością monitora jest 14". Monitory 15", a nawet 17" wnoszą niewiele nowego, mimo znacznie wyższej ceny w tym ostatnim przypadku. Przy monitorze 17" i dobrym wzroku można pracować z rozdzielczością 1024 x 768, zamiast 640 x 480, ale wystarczy przyłożyć kartkę A4 do ekranu, aby przekonać się, iż mieści się ona na nim tylko w poziomie, i to z trudem.

W pozycji horyzontalnej

Fizycznie pasuje "bez ledwości", ale już w kontekście oprogramowania nie mamy miejsca na dodatkową powierzchnię roboczą. A przecież tak naprawdę często chcemy oglądać (i obrabiać) nasz dokument w - jakże częstej - pozycji pionowej. Tak więc w wariancie minimum, krótsza krawędź ekranu musiałaby mieć długość tej, która dzisiaj jest dłuższa! Format A4 to 210 na 297 mm. Przy tych proporcjach, wychodząc od 17" widzimy, że nawet monitor 21" nie rozwiąże naszych problemów. Wystarczy zobaczyć jak wygląda typowy ekran podczas pracy np. z Corel Draw.

Najlepiej więc od razu zaopatrzyć się w spory telewizor. Wówczas można będzie dosłownie potraktować hasło WYSIWYG - dostaniesz to, co widzisz (what you see is what you get). W przeciwnym razie skazani jesteśmy na męczenie się z zoomingiem i kombinowanie różnymi opcjami typu preview (przegląd strony przed wydrukiem), choć i wtedy zdarzają się przykre niespodzianki.

Zbyt duże wymagania? Hm. A gdzież jest ich granica? Może trzeba było ją postawić wówczas, gdy pod pojęciem "monitor" rozumiano teleksowe wydruki na konsoli "mózgu elektronowego", a 12" wyświetlacz traktowano jak cudo techniki. Teraz jest już za późno, a rada znajdzie się na wszystko, nawet na pisanie tekstów 1:1, zwłaszcza jeśli głębiej sięgnąć do kieszeni. Znane są bowiem rozwiązania sprzętowe, w których monitor może pracować w pozycji poziomej i pionowej.

Oszukać mózg

Cały czas mówimy jednak o dwóch wymiarach, a miało ich być o 50% więcej. Czy można zobaczyć trzy wymiary na płaszczyźnie? Spójrzmy na dzieła holenderskiego malarza Eschera. Zapewne łatwiej niż w artystycznym albumie znajdziemy je w dziełach poświęconych ... matematyce czy krystalografii.

Escher tworzył bowiem grafiki, w których przestrzenne obiekty odzwierciedlane były w sposób sprzeczny z naszymi doświadczeniami wzrokowymi. Jego prace stanowią wyzwanie dla wzroku i podobnie jak obrazy w stylu "magiczne oko" pokazują, że to, co widzimy, jest zależne od tego, w jaki sposób nasz mózg interpretuje sygnały odbierane oczami.

Nadal nie jest jasne, w jaki sposób mózg tworzy przestrzenne modele otaczającej nas rzeczywistości. Wiadomo jednak, że potrzebne jest do tego dwoje oczu, gdyż każde z nich widzi przedmiot pod innym kątem, rejestrując minimalne różnice odległości. Dlaczegóż więc nie robić monitorów, które pokazywałyby efekty, jakie może sobie obejrzeć dziecko w stereoskopowej zabawce? Trzeba powiedzieć, że już półtora wieku temu Anglik Wheatstone skonstruował pierwszy ekran 3D przy pomocy systemu luster - wówczas jeszcze bez komputera, choć działo się to niemal dokładnie w tym samym czasie, kiedy Charles Babbage pracował nad swoim "silnikiem analitycznym".

Trzeci wymiar można zobaczyć na ekranie, zakładając specjalne okulary polaryzacyjne. Oczywiście obraz musi być specjalnie spreparowany, tak aby każde oko dostało inny obraz tego samego obiektu, co jest podstawą uzyskiwania wrażenia głębi. Jednakże stopień akceptacji takich rozwiązań przez użytkownika jest niewielki. Po zdjęciu wzrokowej "protezy" czar pryska. A jeśli przerywamy pracę z komputerem, to musimy oglądać zwykły świat przez różowo-niebieskie (dosłownie) okulary. Karierę zaczyna więc robić autostereoskopia.

Podzielony obraz

W koncepcji firmy Sanyo Image Splitter wygląda to następująco. Powierzchnia ekranu składa się z wąskich pasków, które na przemian zawierają obraz dla lewego i prawego oka. Są to więc w gruncie rzeczy dwa obrazy w jednym. Teraz należy spowodować, żeby każde oko zobaczyło tylko to, co jest przeznaczone dla niego. Zadanie realizuje specjalna maska, będąca częścią ekranu - właśnie ów rozdzielnik obrazu (image splitter) - przez którą musi "przebićsię" nasz wzrok. Podobną koncepcję opracowała firma Dimension Technologies.

Ekran podzielony jest na 2 x 320 paski o szerokości zaledwie jednego piksela. Paski o numerach parzystych tworzą obraz dla lewego oka, a o nieparzystych dla prawego. Specjalna maska jest tu niepotrzebna, ponieważ jej rolę odgrywa odpowiednie (również paskowe) podświetlenie ekranu. Tak skonstruowany ekran (LCD) może być wykorzystywany trójwymiarowo (320 kolumn) lub konwencjonalnie w trybie 2D (640 kolumn). Odmian "samostereoskopii" jest więcej. Producenci stosują przeróżne kombinacje luster i soczewek. Wszystkie te koncepcje mają dwie cechy wspólne:

- nie oglądamy obiektu rzeczywiście trójwymiarowego, a jedynie jego iluzję

- stożek, w którym powstaje efekt przestrzenny, jest niewielki.

Zwłaszcza ta druga kwestia jest główną słabością autostereoskopii. Nawet przed potężnym ekranem 40" jest miejsce jedynie dla 2 obserwatorów znajdujących się w odległości dokładnie 1 m. Zastosowanie tego monstrum (150 kg): minikina, salony gier, muzea, punkty informacyjne. A co z holografią? Nadmieńmy przy tym, że nasz wkład w rozwój tej technologii jest niemały - do jej prekursorów należał polski fizyk, profesor Politechniki Warszawskiej, Mieczysław Wolfke.

25 megabajtów na centymetr sześcienny

W tej metodzie trójwymiarowość jest niemal idealna - hologram zawiera pełną informację o przedmiocie i parametrach jego optycznego otoczenia (w holografii można także stosować promieniowanie rentgenowskie czy mikrofalowe, istnieje też holografia akustyczna). Skoro informacje, to wystarczy wziąć urządzenie wyspecjalizowane w ich przetwarzaniu (komputer), aby tworzyć hologramy "lewą ręką z zamkniętymi oczami". Okazuje się, że nie jest to wcale proste, a raczej nie takie szybkie.

Specjaliści z MIT (Massachusetts Institute of Technology) pokazali, że komputerowy hologram (CGH - Computer Generated Hologram) przedmiotu o kubaturze 1000 cmł, to niebagatelny wolumen danych: 25 GB (25MB/cmł). W ten sposób na dysku PC moglibyśmy sobie zapamiętać jakieś 40 cmł otoczenia. Ale nawet wtedy niewiele moglibyśmy zobaczyć, bo jaki sprzęt zapewni nam prędkość transmisji danych 500 GB/s (!) potrzebną dla skromnych 20 klatek na sekundę?

Dobijmy jeszcze wizję holovideo informacją o czasie, jaki potrzebny jest porządnej stacji roboczej dla przeliczenia danych holograficznych: liczy się go w godzinach.

Fakty te uczą nas znowu pokory, o której tak często zapominamy, ekscytując się osiągnięciami współczesnej informatyki. Jest to także pasjonujące wyzwanie i obiecująca perspektywa dla firm komputerowych - jeśli użytkownik zapragnie trójwymiarowych wrażeń, to trzeba będzie produkować jeszcze większe dyski, jeszcze szybsze mikroprocesory i jeszcze bardziej wyrafinowane oprogramowanie. Bardziej odległym marzeniem jest tworzenie trójwymiarowych obiektów w ... powietrzu.

Wykorzystuje się przy tym tzw. wyświetlacze wielopowierzchniowe (multiplanar display). Pod tą szumną nazwą ukrywają się zwykle wirujące tarcze lub spirale, których powierzchnie są odpowiednio oświetlane. W ten sposób w przestrzeni powstaje obraz obiektu, który teoretycznie można oglądać ze wszystkich stron. Ograniczeniem jest tutaj mechanika rotora i skomplikowane sterowanie. Młoda to i niedoskonała jeszcze technologia. Na wszelki wypadek zapamiętajmy jednak, że rozdzielczość ekranów multiplanarnych podaje się w voxelach (volume picture element).

Latająca mysz

Paleta graficznego oprogramowania 3D jest już bardzo szeroka, wskażmy kilka przykładów ze środowiska MS-Windows:

- 3D Studio (Autodesk)

- Crystal Topas (Crystal Graphics)

- Real 3D (Realsoft)

- Animation Master (Hash)

- 3D F/X (Asymetrix)

- Arena Design (Wise).

Wymienione programy przeznaczone są dla "normalnych" komputerów, ale pewnym ułatwieniem w operowaniu tymi pakietami mogą być trójwymiarowe myszki.

Przykładem takiego urządzenia jest 3D-CyberBat, firmy Pegasus (Izrael). Nazwa myszki, pardon nietoperza (bat), jest niezwykle trafna, bowiem tak jak w przyrodzie dla ustalania pozycji w przestrzeni wykorzystywane są ultradźwięki.

Latająca mysz działa podobnie jak pióro świetlne, tyle że rysujemy nie na płaszczyźnie, a po prostu w powietrzu. "Nietoperz" ma kształt pierścienia, zakładanego na palec, z dwoma przyciskami dla kciuka i małym nadajnikiem (pozycjonerem). Odbiornik sygnałów znajduje się na monitorze. Przetwarzane są one przez oprogramowanie, które reaguje na zmiany położenia CyberBata - przykładowo, kursor zmniejsza się podczas oddalania urządzenia od ekranu.

Odbiornik zasilany jest ze złącza szeregowego, a nadajnik ma własną baterię, która pracuje energooszczędnie, odpowiednio się wyłączając (wg danych producenta wystarcza na rok).

Prawdę mówiąc, zasada działania komputerowego nietoperza jest taka, jak w zwykłej myszy - zamiast z koordynatami xy, pracujemy ze współrzędnymi xyz. Naturalna wydaje się też być metoda swobodnego operowania urządzeniem w przestrzeni; zwróćmy uwagę, że osoby, które nigdy nie widziały myszki, mają często przy pierwszych z nią kontaktach, tendencję do instynktownego unoszenia jej w powietrze.

Nie trzeba być kulturystą, aby wykonać mały test uwidaczniający słabą stronę CyberBata: podnieśmy i opuśćmy własną rękę jedne 100 razy w ciągu 2 min.

Wystarczy? A przecież ergonomia sprzętu musi uwzględniać, że będziemy pracować z nim wiele godzin. Chociaż, może to właśnie "trzeci wymiar" przyczyni się do rozwoju tężyzny fizycznej wśród informatyków, a lekarz, widząc zapadłą klatkę piersiową, zaleci: "trzeba więcej pracować z komputerem". Całkiem poważnie natomiast potraktowała ten problem firma Spacetec (USA) - jej Spaceball jest, a jakże, kulą, której obracanie powoduje obracanie się obiektu na ekranie.

Cyfrowa fabryka snów

Jeśli chcemy wprowadzić do komputera dane rzeczywistego przedmiotu trójwymiarowego, pomoże nam w tym odpowiedni skaner. Microscribe-3D (Immersion, USA) z wyglądu przypomina trójprzegubowe ramię robota, zakończone końcówką skanującą. Wystarczy przejechać nią po powierzchni obiektu, aby zapamiętać go, jako plik DXF (standard grafiki 3D). Oczywiście niezbędne jest przy tym odpowiednie oprogramowanie, jak choćby HyperSpace, które "inteligentnie" uzupełni brakujące powierzchnie między poszczególnymi punktami krańcowymi przedmiotu.

Postawmy również pytanie: dla kogo to wszystko? Medycyna, architektura, modelowanie techniczne, CAD - to tylko kilka możliwości stosowania "trójwymiarowego" hardware'u. Bez takiego sprzętu utrudniony będzie dalszy rozwój interaktywnych aplikacji symulacyjnych (wirtualna rzeczywistość) i "prawdziwej" animacji. Charakterystyczne, że również i w tej dziedzinie daje o sobie znać nowy duch naszych czasów: postęp generowany jest nie przez wojskowych, ale przez cywilne potrzeby.

Motorem opisywanych zmian jest w znacznej mierze przemysł rozrywkowy: trójwymiarowe gry komputerowe, a zwłaszcza kompleks filmowy i związane z nim aplikacje CGI (Computer Generated Imagery). W roku 1994 obroty na rynku CGI wynosiły ok. 11 mld USD. Według instytutu badawczego Carl Machower & Associates, wzrosną one w roku 1999 do ponad 20 mld rocznie. Jest więc co dzielić. Wie o tym firma SGI (Silicon Graphics), która po fuzji z Wavefront Technologies i Alias Research, stała się prawdziwym potentatem w branży i swoim projektem "Maya" chce przeforsować nowe standardy techniczne. Podobne cele postawili sobie wielcy Hollywoodu: Steven Spielberg i Jeffrey Katzenberg założyli Studio Dream Works (SKG). SKG i SGI podjęły współpracę, a jej efektem ma być Digital Animation Dreammachine (DAD) - studio filmowe przyszłego stulecia.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200