Virtuaalitodellisuus

Virtuaalitodellisuus eli tekotodellisuus (keinotodellisuus, lumetodellisuus, engl. virtual reality) on tietokonesimulaation tuottamien aistimusten avulla luotu keinotekoinen ympäristö. Virtuaalitodellisuus voi joko pyrkiä simuloimaan jotakin todellista ympäristöä tai se voi luoda täysin kuvitteellisen ympäristön. Useimmat virtuaalitodellisuuden ympäristöt perustuvat lähes kokonaan visuaaliseen vaikutelmaan, joka luodaan joko tietokoneen näytölle, laajakankaalle tai erityiselle stereoskooppiselle katselulaitteelle. Joissakin simulointiympäristöissä käytetään lisäksi muita aistiärsykkeitä, kuten simuloitua äänimaailmaa tai tuntoaistiin perustuvia liikeärsykkeitä.

Yhdysvaltain laivaston sotilas harjoittelemassa laskuvarjohyppyä virtuaalitodellisuuteen perustuvalla simulointilaitteella.

Laajennettu todellisuus on kattotermi, joka sisältää virtuaalitodellisuuden.

Tekniikka

Nykyinen virtuaalitodellisuuden malli perustuu päähän puettaviin virtuaalitodellisuuslaseihin, joiden linsseihin tietokone piirtää ympäristön. Laitteisto seuraa pään liikkeitä, joten päätä kääntämällä voi katsella ympärilleen. Vaihtoehto tälle mallille on virtuaalitodellisuuden toteuttaminen jonkinlaisen kammion tai huoneen avulla.

Ensimmäiset virtuaalitodellisuuden osaset on kehitetty jo 1950-luvulla. Vuonna 1960 patentoitiin Telesphere Mask, joka oli ensimmäinen päässä pidettävä näyttö molemmille silmille. Vuonna 1961 Philco Corporation kehitti sotilaskäyttöön yhden ruudun Headsight-laitteen, joka oli ensimmäinen pään liikkeitä seuraava puettava näyttö.

Elokuvantekijä Morton Heiligin rakensi vuonna 1962 Sensorama-kolikkoautomaatin, joka jäljitteli New Yorkin katujen hajuja sekä simuloi tuulta ja moottoripyörän tärähdyksiä käyttäjän ajaessa ympäri keinotekoista Brooklynia. Automaattia käytettiin istumalla istuimeen ja työntämällä pää takaa avoimeen kammioon. Cambridgen yliopiston professori Ivan Sutherlandin vuonna 1968 kehittämä ”The Sword of Damocles” oli ensimmäinen tietokoneohjattu lisätyn todellisuuden laite. Laitteessa käyttäjän päähän kiinnitettiin stereoskooppisen näyttölaite, joka heijasti todellisuuden päälle 3D-rautalankamalleja, joita käyttäjä pystyi katsomaan eri perspektiivistä liikuttamalla päätään. Laite oli kuitenkin niin isokokoinen ja painava, että se piti ripustaa laboratorion katosta roikkuvaan telineeseen.

VR:n isoisäksi on kutsuttu Yhdysvaltain ilmavoimien upseeria Tom Furnessia, joka kehitti hävittäjien lentosimulaattoreita. Furness kehitti ensimmäiset lentäjän kypärään asennetut näyttölaitteet. Furnessin tunnetuin kehitelmä on ”Super Cockpit” -simulaattori. Tässä F-16-hävittäjän sensorien tieto tuotiin suoraan lentäjän kypärään. AR-järjestelmä piirsi kolmiulotteisen kartan ympäristöstä ja muuta dataa näkymän päälle.

1980-luvulla Atarilla työskennellyt Jaron Lanier perusti Thomas Zimmermanin kanssa VPL Researchin tuottamaan virtuaalitodellisuuden kuluttajasovelluksia. VPL Researchin merkittävin tuote on Dataglove-hansikas, jolla tietokonetta ohjataan käden liikkeillä. Mattel yksikertaisti datahansikasta ja lisensoi sen Nintendolle, joka julkaisi joulumarkkinoille 1989 Power Gloven. Tuote lakkautettiin kuitenkin jo seuraavana vuonna.

Illinoisin yliopistossa kehitettiin 1990-luvun alussa CAVE Automatic Virtual Environment -niminen virtuaalitodellisuustila, kolmelle seinälle heijastetaan kuva ympäristöstä, ja lisäksi käyttäjän pitämät virtuaalitodellisuuslasit piirtävät objekteja. Silicon Graphics ja Pyramid Systems alkoivat 1990-luvun lopulla markkinoida vastaavia Computer Assisted Virtual Environment -virtuaalitiloja huipputehokkaan tietokonegrafiikan sovelluksena. Tuolloin oli myös jo kehitetty virtuaalitodellisuuden kuvauskieli VRML

Pelikonsolivalmistaja Sega suunnitteli Genesis-konsolille Sega VR -virtuaalitodellisuuslasit, mutta tuotetta ei ikinä julkaistu. Ilmeisesti ensimmäinen kuluttajille päätynyt tuote oli Nintendon Virtual Boy vuonna 1995.

Vuonna 2012 alettiin kerätä joukkorahoitusta Oculus Rift -virtuaalilasien kehittämiseksi. Projekti keräsi 250 000 dollarin tavoitteensa neljässä tunnissa. Hanketta tukivat useat pelinkehittäjät, kuten Doom ja Quake-pelien luoja John Carmack, Valven Gabe Newell (mm. Half-Life, Portal) ja Epic Gamesin Cliff Bleszinski (Unreal-pelimoottori). Facebook osti Oculuksen vuonna 2014 kahdella miljardilla dollarilla.

Vuonna 2014 Google julkaisi ohjeita halpojen "Cardboard" -virtuaalitodellisuuslasien valmistamiseksi pahvista, näyttönä pahvin sisään laitetty kännykkä. Vuosikymmenen aikana Sony (PlayStation VR), Samsung (Samsung Gear VR), LG (LG 360 VR), Microsoft (Microsoft HoloLens) ja Valve (Valve Index) julkaisivat omat virtuaalitodellisuuslasinsa. Valve julkaisi Half-Life: Alyx -pelin 2020. Alyxia on pidetty ensimmäisenä VR:n läpimurtopelinä ja sen on sanottu tuoneen miljoona uutta VR:n käyttäjää.

Multimediataide

Mediataiteessa virtuaalitodellisuudella (VT) tai keinotodellisuudella tarkoitetaan mediainstallaatioita ja -tiloja, joissa tietokoneella tuotettu kolmiulotteinen kuvatila tuotetaan katsojalle siten että hän kokee olevansa kuvan sisällä (immersiivinen 3D-kuvatodellisuus). VT-tiloja voidaan kokeilla niin sanotun VT-kypärän tai -lasien kautta, jossa stereokuva tuotetaan suoraan silmien eteen sijoitettujen monitorien kautta tai niin sanotuilla cave-installaatioilla, joissa käytetään kolmea tai useampaa projisointipintaa, joiden kuvatilan sisällä ihmiset voivat seisoa, liikkua tai liikuttaa tilassa olevia kuvaobjekteja. Tilaan on luotu usein myös kolmiulotteinen äänimaailma.

Koulutussimulaattorit

Lentokoneiden ja avaruusalusten ohjaamisen harjoitteluun käytettävät lentosimulaattorit kuuluvat vanhimpiin esimerkkeihin virtuaalitodellisuutta luovista simulointiympäristöistä. Lentosimulaattoreiden käyttöliittymä jäljittelee oikean lentokoneen ohjaamoa, ja tietokoneen luomat simuloidut maisemaprojektiot muistuttavat todellisen aluksen ohjaamosta avautuvia näkymiä lennon kaikissa vaiheissa. Nykyisin vastaavanlaisia simulaattoreita käytetään yhä laajemmin monissa vaativissa koulutustehtävissä, joissa harjoittelu todellisessa ympäristössä olisi liian kallista tai vaarallista. Uusimpiin sovelluksiin kuuluu lääketieteellinen koulutus, esimerkiksi leikkausten harjoittelu virtuaalitodellisuudessa.

Virtuaalimaailmat

3D-virtuaalimaailman Head Mounted Display -näyttölaite ja siihen kytketty ohjauslaite, "hansikas".

Virtuaalimaailma on tietokoneen luomaan virtuaalitodellisuuteen perustuva ympäristö, johon käyttäjä voi liittyä jäseneksi tai "asukkaaksi" ja jossa hän on vuorovaikutuksessa muiden käyttäjien tai simuloitujen asukkaiden kanssa. Ympäristö visualisoidaan kaksi- tai kolmiulotteisella grafiikalla, jossa kullakin käyttäjällä on yleensä joko ihmisenkaltainen tai muu käyttäjän valitsema simuloitu hahmo. Virtuaalimaailmaan voi osallistua yhtä aikaa joko vain yksi käyttäjä tai monia käyttäjiä yhtaikaa. Internet-pohjaisissa virtuaalimaailmoissa voi olla yhtaikaa jopa tuhansia käyttäjiä, kuten tunnetussa Second Life -virtuaalimaailmassa. Myös monet online-tietokonepelit perustuvat virtuaalimaailman ideaan.

Viihdekäytössä esimerkiksi pelien yhteydessä on mahdollista käyttää virtuaalitodellisuuden luomiseksi virtuaalitodellisuuslaseja (ent. virtuaalikypärä).

Virtuaalimaailma on usein hyvin samankaltainen todellisen maailman kanssa, jolloin ohjelmisto simuloi muun muassa tavanomaisia fysiikan peruslakeja ja tyypillisiä elävien olentojen liikkumisen ja ihmisten kommunikaation sääntöjä. Monen käyttäjän maailmoissa käyttäjät ovat tällöin toistensa kanssa aktiivisessa vuorovaikutuksessa ja muovaavat toistensa kokemaa virtuaalitodellisuutta. Yhden käyttäjän tietokonepelit puolestaan voivat olla virtuaalimaailmoja, joissa käyttäjä on vuorovaikutuksessa vain simulointiohjelmiston luomien asukkaiden kanssa.

Virtuaalitodellisuusterapia

Virtuaalitodellisuutta hyödynnetään nykyisin myös terapiassa erilaisten pelkojen eli fobioiden hoitoon. Sitä voidaan soveltaa muun muassa julkisten, ahtaan ja korkean paikan kammon (agorafobia, klaustrofobia, akrofobia), lentopelon, hämähäkkipelon ja esiintymispelon hallintaan. Tutkimusten mukaan virtuaalitodellisuudessa koettu pelkoärsyke aiheuttaa samanlaisia reaktioita kuin todellisuudessa koettu, mutta virtuaalitodellisuuden etuna on pelkoa aiheuttavan tilanteen kontrolloitavuus. Hoitomuoto on myös edullisempaa, sillä terapia voidaan toteuttaa terapeutin vastaanotolla eikä altistumista tarvitse järjestää todellisissa olosuhteissa. Kuten reaalimaailmassa myös virtuaalitodellisuudessa altistuminen pelkotilanteelle voi aiheuttaa väliaikaista pahoinvointia, joten terapiaistuntojen on oltava ainakin alussa melko lyhyitä. Virtuaalitodellisuutta on kehitetty ja tutkittu myös fyysisen kuntoutushoidon tarkoituksiin.

Kiinteistöjen esittely

Virtuaalitodellisuusteknologiaa on ryhdytty yhä enemmän käyttämään hyväksi kiinteistösektorilla. Teknologian avulla voidaan internet-sivustoilla esittää esimerkiksi myynnissä olevista kiinteistöistä simuloituja panoraamakuvia, joita käyttäjä voi ohjata haluamiinsa suuntiin vaakasuunnassa yleensä koko 360 asteen kiertomahdollisuudella ja pystysuunnassakin yleensä rajoitetusti. Lisäksi kuvaa voi zoomata, ja usein tarkastelupistettä voi liikutella tiettyihin suuntiin kiinteistön sisällä. Näin kiinnostuneet voivat saada kiinteistöstä vaivattomasti melko kattavan ja lähellä todellisuutta olevan kuvan.

Myös monet turistinähtävyydet käyttävät samaa tekniikkaa sivustoillaan, jolloin kiinnostuneet voivat tutustua kohteeseen varsin perusteellisesti virtuaalitodellisuuden keinoin.

Suunnittelu

CAVE-virtuaalitilan käyttöä Illinoisin yliopistossa Chicagossa.

Virtuaalitodellisuusteknologian avulla voidaan testata esimerkiksi suunnitellun uudisrakennuksen toimivuutta tai siltahankkeen sopivuutta ympäristöön. Suomessa esimerkiksi Tampereen teknillisessä yliopistossa on käytössä Virtual Reality Center (VRC), jonka avulla voidaan virtuaalisesti siirtyä rakennus- ja kaavoitussuunnitelmien mukaiseen todellisuuteen. VRC:n palveluja on hyödyntänyt muun muassa Tampereen kaupunki halutessaan mahdollisimman hyvän käsityksen siitä, millaiseksi kaupunkikuva muodostuisi esimerkiksi jonkin uudisrakennushankkeen toteutuessa arkkitehtien suunnitelmien pohjalta.

VRC:ssä virtuaalitodellisuus luodaan noin 150 neliön ikkunattomassa tilassa, jonka keskellä on pienempi esittelytila, ns. luola (engl. Cave). Luolassa voidaan 3D-simuloinnilla todentuntuisesti visualisoida arkkitehtien ja insinöörien suunnitelmat. Kaikille luolan seinille heijastetaan projektoreilla tietokoneen simuloima näkymä ja näin luodaan virtuaalitila, joka ympäröi käyttäjää. Tampereen korkeakouluilla on ollut myös yhteishanke, jossa on pyritty luomaan koko kaupungista virtuaalitietokanta. Tällöin 3D-mallinnuksen avulla voitaisiin tarvittaessa kulkea vaikkapa vielä suunnitteilla olevilla kaduilla tai astua sisään suunnitteilla oleviin rakennuksiin ja tutkia niiden tilavaikutelmaa.

Virtuaalinen matkailu

Virtuaalimatkailu tarkoittaa virtuaalista liikkumista paikasta toiseen tietokoneen visualisointimahdollisuuksia hyväksi käyttäen, yleensä internetin luomassa kyberavaruudessa.

Monet internetin matkailuportaalit (matkailualan palvelusivustot) tarjoavat virtuaalimatkailua harrastaville käyttäjille mahdollisuuden vierailla virtuaalisesti maailman eri matkakohteissa muun muassa web-kameroiden ja panoraamakuvaustekniikan avulla. Lisäksi niistä voi etsiä kaikenlaista matkailutietoa, varata ja ostaa matkoja sekä usein myös chattailla muiden matkailijoiden kanssa.

Myös esimerkiksi Google Maps -palvelu tarjoaa rajoitetusti mahdollisuutta kulkea virtuaalisesti valitulla karttaosuudella 360 asteen panoraamakameroiden avulla. Vastaavia panoraamakuvaukseen perustuvia palveluja on tarjolla eri sivustoilla yhä laajemmin. Lisäksi muun muassa Google tarjoaa käyttäjille tehokkaampaa virtuaalista karttaohjelmaa (Google Earth), joka yhdistää satelliitti- ja ilmakuvia sekä paikkatietoja muodostaen kolmiulotteisen kuvan maapallosta. Ohjelman kuva-aineisto on heijastettu pallopinnalle, josta syntyy lumemaapallo. Käyttäjä voi muuttaa karttapistettä, tarkastelukorkeutta ja katselukulmaa. Korkeuserojen mallinnuksen ansiosta esimerkiksi vuoristojen syvyysvaikutelma säilyy. Ohjelmiston tietokantoihin sisältyy 3D-mallinnus myös monien kaupunkien keskustoista.

Virtuaalitodellisuus populaarikulttuurissa

Populaarikulttuurissa virtuaalitodellisuus esiintyy vaihtelevissa määrin. Visiot vaihtelevat laajasti villeihin dystopia-aiheisiin kuvauksiin.

Eräitä huomattavia ovat:

• Neurovelho (kirja)
• Ready Player One (kirja)
• Ready Player One (elokuva)
• Ruohonleikkaaja (elokuva)

Katso myös

• Simuloitu todellisuus
• Mediataiteen peruskäsitteitä
• Virtuaalimaailmat
• Metaversumi
• Etäläsnäolo
• Tietokonegrafiikka
• Virtuaalitodellisuuslasit
• Laajennettu todellisuus
• Interaktiivinen video

Kirjallisuutta

• Tricart, Celine: Virtual Reality Filmmaking : Techniques & Best Practices for VR Filmmakers. New York : Focal Press, 2018. ISBN 978-1-138-23395-9.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Virtuaalitodellisuus Wikimedia Commonsissa

• How virtual reality works (englanniksi)
• Visualisointi ja virtuaalitodellisuus – Groningenin yliopisto (englanniksi)
• Virtual Reality Lab – Department of Architecture, United Arab Emirates University (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)
• Virtuaalitodellisuus.com (Arkistoitu – Internet Archive) - Suomalainen virtuaalitodellisuuteen ja peliteollisuuteen keskittynyt uutissivusto.
• Virtual Reality Steven M. LaValle (englanniksi)