Zařízení typu CAVE na ČVUT v Praze

V roce 2006-7 se v nám v rámci Rozvojového projektu MŠMT podařilo v IIM postavit zařízení pro virtuální realitu, které má své uplatnění v široké sféře aplikací z oblasti vizualizace. Zařízení bylo poprvé sestaveno pod názvem CAVE (CAVE Automatic Virtual Enviroment) v laboratoři EVL (Electronic Visualisation Laboratory) na Univerzitě v Illinois a prezentováno na konferenci Siggraph v roce 1992. Použití CAVE spadá zejména tam, kde uživatel potřebuje vstoupit do nějaké struktury nebo interiéru, který ho obklopuje. Proto jsou nejčastějšími uživateli architekti, chemici nebo designeři.

Co je to tedy CAVE
Celé zařízení je založeno na projekci stereoskopického obrazu na stěny kvádru o rozměrech 2-3m. Obraz je promítaný na 3, 4 a v extrémních případech i na všech 6 stěn kvádru a je v reálném čase počítaný na výkoném výpočetním klastru (několik paralelně synchronizovaných počítačů). Uživatel je se speciálními brýlemi uvnitř kvádru a je obklopen stereoskopickým obrazem z několika stran, takže okamžitě kolem sebe vnímá prostorově virtuální svět jako by stál přímo v něm. Může se tak ocitnout uvnitř chodby nějaké budovy a během okamžiku se ocitne na dně mořského šelfu.

Jak funguje CAVE na ČVUT v Praze
Náš CAVE systém je kvádr s půdorysem 2.40mx2.40 a výškou 2m. Stěny nejsou tvořeny plátnem, ale speciálními třemi matnicemi (levá, pravá a přední stěna), které lépe drží svůj tvar. Matnice jsou zavěšeny na konstrukci zajišťující jejich správné dosednutí v rozích.



Systém využívá zadní aktivní stereo-projekci (projektory jsou umístěné vně kvádru). Tedy k projekci je použitý stereoskopický projektor na, který příslušný počítač posílá prokládaně obrázek pro levé a pak pro pravé oko. Tato výměna se periodicky opakuje s frekvencí 120Hz. Uživatel má na očích aktivní brýle, které přijímají od výpočetního klastru infračervený signál a vždy, když se právě promítá obraz pro levé oko, brýle automaticky zakryjí pravou zornici a naopak.



Z prostorových důvodů je často použito zrcadlo (v tomto případě fóiové bez ochranného skla), kterým se zlomí světelný kužel projektoru. Tím se ušetří místo, ale zrcadlo citelně navyšuje cenu celého zařízení a komplikuje proces kalibrace obrazu na matnicích. U většiny pracovišť však bylo k použití zrcadel přistoupeno.

Výpočetní jádro
Výpočetní klastr se skládá ze 3 počítačů a každý počítá obraz pro jednu stěnu. Často odpovídá počet strojů počtu stěn, ale není to pravidlo. Počítače jsou synchronizovány na dvou úrovních. Na úrovni aplikace kdy na každém stroji běží jedna instance stejného programu. Aby každý počítač zobrazoval ve stejný okamžik pohled odpovídající pohedům vypočteným ostatními stroji, musí nejprve proběhnout mezi běžícími programy komunikace po síti. To vyžauje dedikované síťové spojení všech počítačů např. pomocí ethernetové sítě.

Druhá úroveň synchronizace probíhá na úrovni grafických karet, které jsou také spojeny dalším vedením a předávají si iformace o synchronizačním signálu tak, aby výměna levé-pravé oko proběhla na všech stěnách ve stejný okamžik.

Software
Programové vybavení je i v případě tak specializovaného zařízení dnes již poměrně různorodé. Scénu je možné v zařízení zobrazit pomocí aplikací, které umějí zobrazit 3D data a je možné je nastavit tak, abychom mohli najednou zobrazit více pohledů. Mezi takové aplikace patří speciální verze prohlížečů formátu VRML, který se používá pro popis virtuálních scén. Použít lze i některé síťové hry typu Quake, které je možné použít jako prohlížeč vlastních scén. Existují i speciálně pro CAVE (nebo podobná zařízení) vyvinuté aplikace např. Syzygy nebo VDM pro zobrazování chemických struktur.



Pro vývoj a provozování vlastních aplikací nebo pro portování původně jedno obrazovkových aplikací založených na knihovně OpenGL existují knihovny které umějí zajistit synchronizaci a poskytují služby aplikaci, která běží na systému. Takovou knihovnou je např. CAVELib, kterou u nás využívají studenti pro své projekty.

Další fotografie v e-Galerii.

Technické parametry

projekční plocha	pevné matnice
počet stěn (projektorů)	3
rozměry	240x240x200cm
projektor	InFocus, 800x600 nativně, 1024x768 provoz
počet zrcadel	1
počet počítačů	3
konfigurace počítačů	CPU E6600, 2GB RAM, 250GB HD, Nvidia Quadro FX 4500G, 1Gbit Ethernet
Vnitřní spojení v klastru	jednoduchý 1Gb switch
Operační systémy	Linux Gentoo, 64bit, 32bit, WindowsXP 32bit
Brýle	Shutter glasses IR synchronizace přes emitor napojený na graf. kartu hlavního PC v klasteru
Frekvence přepínání levého a pravého kanálu	120Hz
trackovací zařízení	řeší se v r. 2008
Software	CAVELib, Syzygy, vlastní VRML browser OpenVRML, VDM, Quake III map viewer
Zobrazovací výkon	cca 5mil. polygonů při cca 10fps
	40tis. polygonů při cca 100fps
rozměr místnosti	12x8x3m
doba realizace	stavba 4 měsíce, celková realizace 7 měsíců

 

 
nahoru