Het VR-platform: de hardware

Langzamerhand zult u zich wel afvragen wat voor computers en software nu eigenlijk nodig zijn om VR te maken. We vinden dat niet het belangrijkste aspect van VR, maar hieronder dan toch wat gegevens. Hier en daar zijn al wat computermerken genoemd en is er wat gezegd over de diverse sensors en de stereobril; maar kunnen we VR nu ook op een PC thuis verwachten en met welke systemen werken de professionele ontwikkelaars?
Het antwoord op deze vraag is niet zo duidelijk, het hangt ervan af wat we al als echte VR zien. Misschien dat we beperkte VR in de vorm van stereoscopische computerspelletjes of het gebruik van een handschoen voor de interactie al vrij snel en relatief goedkoop zullen zien opduiken. Echte VR, met 360 graden zicht en stereobril en een redelijke resolutie, vraagt op dit moment nog te veel investeringen om het op huiskamerniveau eerder dan 1997 te verwachten.

VR-rekenwerk: zware klus

Laten we voorop stellen dat VR een heel zware computerklus is. In de eerste plaats moet er een voldoende gedetailleerde omgeving worden gemaakt, doorgerekend en worden afgebeeld. Die grafische informatie moet echter ook nog ruimtelijk worden gezien, dus van ieder punt moet niet alleen de vlakke projectie, maar ook de plaats in drie dimensies vastliggen. Verder wil de VR-bewoner ook nog gaan bewegen, dus dan komt er een dynamisch aspect bij. Systemen zonder Šspeciale grafische en numerieke coprocessors om de vele wiskundige bewerkingen op de vectoren en matrices waaruit de ruimte is opgebouwd uit te voeren, komen dus niet in aanmerking. Een 486 of Pentium PC dient al aardig te worden opgepept met grafische kaarten en een berg geheugen, wil er iets aardigs getoond kunnen worden. Tot dusver blijken de VR-werelden met dit soort hardware erg tekenfilmachtig, gezien de snelheid lijkt het misschien zelfs meer op striptekeningen. Daar komt nog bij dat men voor goede stereoscopische 3D-effecten alles twee keer moet berekenen, en dat maakt het logisch om direct maar twee computers in tandem te gebruiken. Maar dat maakt goede coordinatie nodig, en dus behoefte aan gezamenlijk te gebruiken files en dergelijke; dat leidt weer tot de keuze voor zwaardere operating systems, zoals de UNIX-varianten, die op werkstations gebruikelijk zijn.

Eisen aan het platform

Het is duidelijk dat een platform voor Virtual Reality een aantal dingen moet omvatten. Er moet forse rekenkracht aanwezig zijn, en vooral van de grafische prestaties wordt veel gevraagd. Omdat een VR-wereld steeds moet worden herberekend moet het veel vectoren en polygonen (ruimtelijke vormen) per seconde aankunnen en ook de schaduwen en lichtval vragen de krachtigste graphics processors. Zelfs met de modernste machines is het resultaat nog steeds duidelijk kunstmatig; voor we aan levensechte VR toe zijn, zal de hardware nog sneller moeten worden. Gelukkig is dat voor de meeste toepassingen niet echt nodig, de menselijke geest neemt genoegen met illusies; het gaat niet om het herscheppen van de realiteit, Šmaar juist om het ontscheppen (not recreation but uncreation). Het werken met symbolen en archetypen kan veel indringender zijn dan alleen maar mooie plaatjes en animaties.
Jammer genoeg is de IBM-compatible PC in de gewone uitvoering niet echt geschikt voor VR; de interfaces zijn te beperkt en alleen met hele snelle Pentium-machines en hele dure grafische kaarten is dit platform voor VR te gebruiken. De `amateur' kan met aangepaste Sega-brillen en Cybermaxx en de Nintendo Power Glove wel iets doen; in het boek VR Playhouse van de Waite Group staan programma's en schema's om die aan te passen.
Men kan ook kijken naar de Apple Mac, de Amiga en de professionele `graphics workstations'. De Mac wordt nog niet veel gebruikt, behalve voor ontwerpwerk in de basisfase, zoals VPL dat deed. Apple wil echter graag zijn machines voor dit doel gebruikt zien en werkt er dan ook actief aan om de Mac alsnog als VR-platform te gebruiken. Maar het ziet er naar uit, dat men toch eerder naar de Pentium, Alpha of Power-PC zal stappen.

De Amiga

In de budgetklasse is het vooral de Commodore Amiga, die het best geschikt is voor interactieve VR-experimenten. Die machine is vanaf het begin uitgerust met erg goede video- en audiochips en kan eenvoudig worden uitgebreid met het enorme geheugen dat nodig is voor dit soort toepassingen. Met de relatief eenvoudige koppelingen naar video en audio is de Amiga de ideale multimedia-machine. Nu ook de hoofdprocessor van de Amiga steeds sneller wordt kan de machine al aardig gebruikt worden voor `Desktop Virtual Reality', zoals Eric Gullichsen (oprichter Sense8) dat noemt. Het probleem is dat Commodore de laatste jaren niet erg veel moeite doet om zijn Šmachines voor dit doel te promoten. De ontwikkelaars klagen allemaal over gebrek aan medewerking. Ook zijn de laatste Amiga's niet helemaal compatible met de oudere modellen, en is ondertussen de prijs van een compleet Amiga-systeem aardig opgelopen. Toch draait een van de leukste en op dit moment menselijkste toepassingen van VR, namelijk het `Mandala'-systeem van Vivid Effects Inc. uit Toronto, op een Amiga. Het is geen `first person'-simulatie zoals de VPL-aanpak, maar werkt meer volgens de lijnen van Krueger's Videospace, dus met een `projected' zelfbeeld in een virtuele wereld. Door met een camera het beeld van de `speler' op te nemen, dat te digitaliseren (in real-time) en in een door de computer gegenereerde werkelijkheid te projecteren, kan men zichzelf op het scherm in die omgeving zien. Wanneer er op het scherm bijvoorbeeld een drumstel staat, kan men voor de camera staand op dat drumstel spelen door gewoon de handen te bewegen; er is dus geen handschoen of helm nodig. Het is heel amusant, men kan op die manier muziek maken, maar ook met een bal spelen of in een videospel optreden. Alle bewegingen worden overgebracht op het scherm en men ziet zichzelf daar bewegen. Er is (nog) geen stereo-effect, maar demonstraties van dit systeem zijn leuk om te zien. Volwassenen en kinderen begrijpen direct waar het om gaat; dit is VR op gewone-mensen-niveau. Mandala gaat hiervan een consumentenversie voor de PC uitbrengen voor een paar honderd dollar. In het hoofdstuk over CyberArt komen we hier nog op terug.

De zware platforms

Hoge eisen dus, maar er zijn toch maar weinig supercomputers zoals die van Cray die hiervoor worden ingezet. VR is nog geen mainstream research en dus zoekt men naar goedkopere platforms, die toch de gewenste computerkracht hebben, maar meer kunnen dan de PC of zelfs de Amiga. Daarvoor zijn zogenaamde `graphics workstations' met voldoende krachtige subsystemen voor de plaatjes de logische Škeus. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de meeste Virtual Reality experimenten plaatsvinden op UNIX workstations. Er zijn wat experimenten met het Intel 486 en Pentium-platform, maar de meest gebruikte machines komen uit de workstation-hoek. Silicon Graphics Inc. met zijn diverse grafische workstations is het meest populair. Ook de Sun SPARC-workstations worden wel genoemd, maar in de praktijk werken mensen als Jaron Lanier, Jeffrey Shaw en andere VR-ontwikkelaars met de Silicon Graphics machines, die zijn er zelfs in speciale uitvoeringen met een graphics subsysteem dat `Reality Engine' heet. Omdat UNIX als operating system met name een vrijwel ongelimiteerde geheugenruimte biedt, kan men de voor de Virtual Reality wereld noodzakelijke grote brokken gegevens makkelijk manipuleren. Om de zaken dan ook nog goed af te beelden zijn de grafische mogelijkheden van belang.

Silicon Graphics

Het bedrijf Silicon Graphics Inc. (SGI) is niet de grootste maker van workstations, maar doet het in een aantal segmenten vrij goed en heeft ook chipmaker MIPS overgenomen en daarmee haar positie bij de graphics workstations verbeterd. Vooral het voor Virtual Reality belangrijke toepassingsgebied van de 3Dimensional graphics, ofwel 3D-workstations, vormt het bastion van Silicon Graphics. En dan praten we over CAD/CAM, maar ook over animatie en visual simulation in de creatieve toepassingen. Het marktaandeel van Silicon Graphics in de 3D workstation-markt is groot. En het bedrijf is daarin sterker dan concurrenten HP, Sun en DEC. SGI is in 1981 opgericht door James Clark.
De eerste 3D graphics workstations kwamen in 1984 op de markt. Naast de snelheid van de machines ligt de kracht van Silicon Graphics ook in zijn software-aanpak, bijvoorbeeld de SGI Graphics ŠLibrary die is ingezet voor functies om snel objecten in 3D af te beelden en te manoeuvreren. Zelfs IBM heeft software van SGI overgenomen en gebruikt dat nu in de System RS/6000 UNIX-lijn. SGI maakt voornamelijk gebruik van RISC-based CPU's van dochterbedrijf MIPS, die te vinden zijn in de relatief kleine Personal Iris-machine tot in de zeer krachtige Challenge en Onyx high-end systemen.

Graphics subsysteem

De kern van de SGI-prestaties ligt in het grafische subsysteem. Het SGI graphic subsystem bestaat uit vier onderdelen, namelijk: een geometrisch subsysteem, een scanconversie-subsysteem, een raster-subsysteem en een display-subsysteem. Om een idee te geven van de grafische kracht van de SGI-systemen: de krachtigste Onyx en PowerVision gebruiken tot acht MIPS-processors. En daarmee kan PowerVision 1 tot 2 miljoen polygonen per seconde genereren, naast 1 miljoen anti-aliased vectoren per seconde, en 1+ miljoen anti-aliased points per seconde. Daar komen nog verbeteringen bij zoals motion-blur en depth-of-field waarmee men met de focus kan spelen en bijvoorbeeld de achtergrond wat vager kan laten worden. Voor Virtual Reality toepassingen is environment-mapping een groot voordeel. Daarmee kan men de omgeving met bijvoorbeeld lichtbronnen en lichtval vaststellen en pas daarna het object in die ruimte plaatsen. Als het object draait of beweegt, dan zullen de lichtbronnen en andere omgevingsfactoren op de juiste manier in het object worden gereflecteerd. Silicon Graphics was een van de eerste bedrijven dat inzag dat een stereoscopische projectie van belang was voor CAD-toepassingen. Men praat dan graag van vierdimensionale (4D-)systemen en SGI heeft daar software en hardware voor. Dit was Šeen van de redenen waarom de machine vaak wordt uitgekozen voor Virtual Reality experimenten. Door een stereoscopische bril of door gebruik te maken van een stereo-display met LCD-shutterbril kan men met een Silicon Graphics machine stereoscopische effecten bereiken.

Standaardisatie

Erg veel afstemming tussen de verschillende bedrijven die aan VR doen, is er nog niet. Ieder vindt zijn systeem het beste, hoogstens wil men zich aanpassen aan de onderdelen die men van anderen betrekt, zoals de VPL EyePhone. Om de gegevens over een bepaalde `wereld' tussen systemen te kunnen uitwisselen, hadden VPL en AutoDesk wel contact over een `virtual world file format interchange standard', die ze de DUCK standaard noemen. Dat staat voor `Digital Unreal Computer Kinetics', maar de naam ontstond eigenlijk toen Randy Walser van AutoDesk het beeld van een rubber eend uit een VPL virtuele wereld wilde gebruiken. DUCK moet net zo'n eenvoudige interface gaan vormen als MIDI nu voor muziek is. Er is ondertussen een standaardisatie-voorstel voor 3D stereoscopische beelden van een groep bedrijven met onder meer StereoGraphics, Tektronics, AutoDesk, Matrox, Metheus, Pixelworks, Point Line Graphics en Aritek.
Er is op PC-niveau, dat wil zeggen voor de interface-kaarten zoals die in de PC's en AT's zitten, enige vorm van hardware-standaardisatie voor de stereo-videosignalen zoals die in VR gebruikt worden. Dat lijkt vrij beperkt, maar dat valt mee omdat men zulke kaarten ook kan gebruiken in de toch vrij krachtige 80486-machines en Pentium-PC's, die al boven de 40 MIPS presteren (MIPS = miljoen bewerkingen per seconde, vroeger konden alleen mainframe-computers dat). Dennis Adams van Point Line Graphics en Albert Xthona van Metheus hebben die stereo-videostandaard ontwikkeld, en de softwarebedrijven als AutoDesk, CadKey, ŠIthaca, VersaCad, maar ook kaartmakers als Matrox, Metheus, Nth Graphics en display-maker Tektronix hebben medewerking toegezegd. Met die standaardisatie kan men conventionele beeldbuizen met een LCD-shutterbril voor het stereo-effect of de al eerder genoemde stereobrillen en helmen aansturen.