Hoe werkt virtual reality?

Dankzij de uitrol van de HTC Vive en Oculus Rift wordt 2016 aanzien als het jaar van virtual reality. Ook Google en Samsung dragen hun steentje bij door VR-brillen aan te bieden voor mobiele toestellen. Hoe slagen deze fabrikanten erin om gebruikers volledig onder te dompelen in een virtuele wereld?

Diepte

Het belangrijkste onderdeel van virtual reality is het visuele aspect. Fabrikanten proberen je hersenen te doen geloven dat je je in een echte 3-dimensionele ruimte bevindt. VR slaagt hier in de eerste plaats in door gebruik te maken van stereoscopische schermen. Bij deze techniek worden beelden van een scène vanuit een lichtjes verschillende hoek aan ieder oog getoond. Je hersenen zullen de twee beelden samenvoegen, waardoor er diepte wordt gecreëerd.

Verder wordt er gebruik gemaakt van parallax. Dit is het verschijnsel dat de schijnbare positie van een voorwerp ten opzichte van een ander voorwerp varieert als het vanuit verschillende posities bekeken wordt. Zo zal een object op de voorgrond sneller bewegen dan een object op de achtergrond wanneer je je hoofd zijwaarts beweegt. Je hersenen gebruiken parallax om de relatieve diepte tussen objecten te bepalen. In VR zal men dit verschijnsel proberen na te bootsen om wederom diepte te creëren in het beeld. Schaduwen maken het plaatje compleet.

Framerate

Om je hersenen te doen geloven dat je je in een echte wereld bevindt, dienen voldoende beelden per seconde worden getoond. Hiervoor bestaan twee belangrijke waardes, namelijk de frames per second en de refresh rate. Deze eerste waarde bepaald hoe snel je grafische kaart beelden kan tonen. Zo betekent 60 FPS dat je GPU 60 beelden per seconde kan tonen.

De refresh rate is daarentegen van belang voor je monitor en wordt uitgedrukt in Hertz. De HTC Vive en Oculus Rift hebben beide 90 Hz-schermen, terwijl de Playstation VR over een scherm van 60 Hz beschikt. Wanneer je een Vive koppelt aan een computer die slechts 60 FPS haalt, zal het scherm beperkt worden tot 60 Hz. Hierdoor zal een deel van de frames verloren gaan, wat kan leiden tot artifacten in het beeld.

Om artifacten te voorkomen wordt gebruik gemaakt van Vertical Sync. Deze technologie beperkt de framerate zodat deze gelijk is aan de refresh rate van je monitor. Hierdoor gaan er niet langer frames verloren. Wie optimaal gebruik wil maken van zijn VR-bril en bewegingsziekte wil vermijden, doet er goed aan een grafische kaart te gebruiken die een framerate heeft die even groot is als de refresh rate van de bril.

Blikveld

Om het visuele plaatje van VR af te maken, dient er eveneens rekening gehouden te worden met je blikveld. Wanneer je je hoofd en ogen stil houdt, heb je een blikveld van 180 graden. Door je ogen te bewegen, kan je 270 graden zien. Om de realiteit te kunnen benaderen, dient een VR-bril een zo breed mogelijk blikveld te hebben.

De HTC Vive en Oculus Rift beschikken beide over een blikveld van 110 graden, het Google Cardboard heeft een kijkhoek van 90 graden en de GearVR heeft een blikveld van 96 graden. Allen zitten ze dus nog ver weg van de 270 graden die we in de echte wereld kunnen zien. De 20 graden meer dan andere VR-brillen die de Vive en Rift halen, zullen echter al een grote impact hebben op de ervaring.

Vertragingen

Iedere vertraging langer dan 20 milliseconden kan de magie van VR doorprikken. Er zijn een hoop variabelen die voor vertragingen zorgen, waaronder CPU, GPU, het scherm en de kabels. Het scherm zal een gemiddelde vertraging hebben van rond de vijf milliseconden. De tijd dat de monitor nodig heeft om een pixel te veranderen neemt nog eens drie milliseconden in beslag.

Zoals je merkt, tikken de milliseconden vertraging erg snel aan. Om vertragingen binnen de perken te houden, dien je een monitor te gebruiken met een hoge refresh rate. De vuistregel voor vertraging is immers 1000 (ms)/refresh rate (Hz). Aangezien er voor een hogere refresh rate eveneens een GPU met een hoge frame rate nodig is, is dit echter niet zo eenvoudig als op het eerste zicht lijkt.

Controllers

Kijken in een virtuele ruimte is leuk voor enige tijd, maar om echt geëngageerd te blijven, dien je te kunnen interageren met de virtuele wereld. De HTC Vive wordt daarom geleverd met twee bewegingscontrollers. In deze controllers zitten infraroodsensoren, die communiceren met twee sensoren die je in de hoeken van een kamer hebt geplaatst. Dit geeft je de mogelijkheid om vrij rond te bewegen in de virtuele ruimte.

Bij VR-brillen voor smartphones wordt er daarentegen gebruik gemaakt van de gyroscoop, accelerometer en magnetometer om je positie te bepalen. De accelerometer wordt gebruikt om driedimensionale bewegingen te detecteren, terwijl de gyroscoop schuine bewegingen detecteert. De magnetometer kan daarentegen gebruikt worden om je relatieve positie ten opzichte van de aarde te bepalen.

Geluid

Bij virtual reality worden zoveel mogelijk van je zintuigen ondergedompeld in een fictieve wereld, ook je oren vormen hier geen uitzondering op. Uiteraard kan een VR-bril via een hoofdtelefoon geluiden en muziek laten horen, maar om het geluid levensechter te maken, kan er eveneens gebruik gemaakt worden van spatiaal geluid. Hierbij wordt er rekening gehouden van de plaats waarvan een geluid afkomstig is. Staat een telefoon links van je te rinkelen, dan zal dit geluid ook van links komen.

Rekenkracht

Zoals hierboven besproken zijn er een hoop mogelijkheden met virtual reality. Om hiervan te kunnen genieten, dien je echter wel over een computer te beschikken met een hoop rekenkracht. Steam raadt aan om minstens een Intel i5 Haswell en Nvidia GTX 970 of AMD Radeon R9 290 te gebruiken. Dit zal waarschijnlijk de aanname van VR vertraging.

Google probeert dit probleem tegen te gaan met zijn Cardboard. Iedere smartphone met Android KitKat of nieuwer kan hiervan gebruik maken. Bovendien zijn de brillen van Google erg goedkoop.