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Realtà virtuale

Fisica & Videogiochi: come funziona la realtà virtuale?

Come funziona un visore? Come si traccia il movimento delle mani? Perché Nintendo è pioniera della realtà virtuale? Scoprite tutto in questo articolo.

Bentornati alla rubrica dedicata alla scienza nei videogiochi: quest'oggi, spinti dalla curiosità che può generare un gioco come Skyrim VR, andremo a vedere come funzionano i visori per la realtà virtuale e i rilevatori di movimento a essi associati.

Dopo decenni di tentativi falliti e anni di successi altalenanti, sembra che i dispositivi di realtà virtuale stiano lentamente riuscendo ad accaparrarsi una fetta stabile del mercato videoludico e non.

Il sogno di mettersi un casco ed entrare nel mondo virtuale è un elemento di fantascienza da sempre diffusissimo e fa una certa impressione che tali tecnologie, a volte impensabili solo pochi decenni addietro, stiano entrando nelle nostre case.

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Forse nel futuro ci collegheremo ad internet come nel "Neuromante" di William Gibson.

Ma pare che le cose stiano per cambiare: Bethesda ha portato nelle case dei videogiocatori le versioni VR di titoli di altissimo calibro come Skyrim, Fallout 4 e Doom. Potrebbe trattarsi proprio di quella spinta che mancava a questa tecnologia per diventare, da oggetto di nicchia, un mercato trainante, magari accompagnata da un calo del prezzo. Ma cos'è la realtà virtuale e da dove nasce l'idea di inserirla nel panorama videoludico?

Gli albori della realtà virtuale

Una realtà virtuale è un mondo che possiamo riconoscere come una realtà indipendente e differente da quella reale, generata però in maniera appunto virtuale: in quest'ottica qualunque gioco tridimensionale con una certa possibilità di movimento e interazione con l'ambiente può essere considerato una "Realtà Virtuale", a partire ad esempio dai primissimi Elder Scrolls, Ultima Underworld e tutto il filone di System Shock e Deus Ex, che ha portato al genere dei cosiddetti "Immersive Sim".

Quello che manca ai suddetti giochi è ovviamente l'immersione sensoriale: il gioco è al di la di uno schermo e l'interazione è mediata da un gamepad o da un mouse e una tastiera, interazioni ben note ai videogiocatori ma tutt'altro che "naturali".

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In "Ready Player One" la realtà virtuale è anche più importante della realtà

I tentativi di immersione cominciano già nella seconda metà del secolo scorso: i più degni di nota abbracciano principalmente fini militari o di areonautica civile, mediante simulatori di volo, ma non sono mancati tentativi videoludici. In particolare, a metà anni '90, Nintendo sviluppò il primo dispositivo di realtà virtuale per il mercato casalingo (quelli per il mercato arcade erano già stati sviluppati): si trattava del Virtual Boy, una console formata da un gamepad e un arcaico visore 3D che all'epoca aveva un display in tinte di rosso e nero. Il Virtual Boy era in grado, a partire da una grafica bidimensionale, di fornire un'illusione di visione 3D tramite il fenomeno della stereoscopia.

La stereoscopia

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La stereoscopia si basa sulla percezione umana del mondo circostante mediante la vista: quando entrambi i nostri occhi osservano un oggetto, essendo leggermenti distanziati tra loro, la posizione dell'oggetto rispetto al centro dell'occhio sarà leggermente differente. Questa differenza nella posizione di un corpo tra l'immagine proveniente dall'occhio destro e quella proveniente dall'occhio sinistro permette al nostro cervello di ricostruire un'immagine tridimensionale dell'ambiente circostante, dando un senso di profondità che si accentua tanto più le immagini sono simili: infatti gli oggetti molto distanti da noi appariranno quasi nella stessa posizione tra i due occhi, comunicando al nostro cervello che sono molto distanti. Potete provare voi stessi osservando prima con un occhio e poi con l'altro un oggetto distante, poi uno vicino!

Questa percezione può essere ovviamente utilizzata per dare un falso senso di profondità: ricordiamo ad esempio i vecchi filmati, cartoni animati e immagini realizzati con la tecnica dell'anaglifo, ovvero la colorazione dell'immagine in tinte di rosso e blu (o rosso e verde). Indossando degli occhiali con apposite lenti colorate, ogni occhio percepisce solo una parte dell'immagine e la sovrapposizione delle due, anche qui leggermente diverse, fornisce un effetto di profondità che il creatore dell'anaglifo può modificare con una certa precisione.

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L'evoluzione di questa tecnica è il moderno cinema 3D: in questo caso, nei film più curati, tutte le scene vengono girate con una coppia di telecamere apposite per dare una sensazione realistica di tridimensionalità, mentre nei film a budget inferiore l'effetto viene ottenuto digitalmente a posteriori. La pellicola viene poi proiettata in maniera che la luce dei due filmati venga emessa con una differente polarizzazione.

Ma cos'è la polarizzazione? Osserviamo una particella di luce, il fotone, mentre viaggia. A ogni fotone è associata una piccola onda elettromagnetica con una certa frequenza: essa fornisce l'energia che il fotone trasporta e definisce in quale categoria ricade, essendo di fatto onde radio, microonde, raggi infrarossi, luce visibile, raggi ultravioletti, raggi X e raggi Gamma tutti oggetti della stessa natura e differenti solo per la loro lunghezza d'onda.

I nostri occhi, ad esempio, sono in grado di percepire solo la luce visibile (ed è per questo che l'abbiamo definita così!). Diminuendo la frequenza di un fotone sotto quella della luce rossa, esso scompare alla nostra vista diventando un raggio infrarosso, mentre aumentandola oltre il violetto scompare comunque diventando un raggio ultravioletto.

Questa oscillazione è sempre perpendicolare al moto del fotone, ma a parte questo vincolo è libera di muoversi in qualunque direzione (o addirittura in una combinazione di direzioni diverse). Polarizzare un'onda significa definire qual è la direzione in cui essa oscilla. 

La polarizzazione, avviene tramite un oggetto chiamato Polarizzatore: questi oggetti non solo forniscono polarizzazione all'onda ma, se essa è già stata polarizzata, selezionano i fotoni con la loro stessa polarizzazione e bloccano quelli con polarizzazione parallela (cioè "opposta").

Gli occhiali del cinema 3D sono semplicemente coppie di polarizzatori: il film viene proiettato sullo schermo con due polarizzazioni opposte e, quando raggiunge gli occhiali, ogni lente seleziona una delle due polarizzazioni escludendo i fotoni dell'altra. In questo modo a ogni occhio arriva luce polarizzata differentemente e, inviando sullo schermo immagini leggermente differenti per le due polarizzazioni, si ottiene l'effetto tridimensionale.

Leggi anche: Storia della realtà virtuale

Un ambiente creato ad hoc dal computer per essere visualizzato con un visore di realtà virtuale ha dei problemi similari a quelli di una qualunque immagine stereoscopica: l'immagine dev'essere ricreata due volte da due punti leggermente diversi ed essere trasmessa ai due occhi mediante due schermi o due parti separate dello schermo per comunicare il senso di profondità. Questo aumenta la potenza di calcolo richiesta ed è per questo che simili tecnologie hanno richiesto molto tempo per essere sviluppate e tendono ad essere costose, avere requisiti hardware importanti e mostrare spesso giochi piuttosto semplici.

L'interazione naturale

Parallelamente allo sviluppo di visori che permettessero una maggiore immersione, si è sviluppato un altro concetto fondamentale per la moderna realtà virtuale seguendo un cammino parallelo e apparentemente svincolato: quello dei controlli naturali. Mentre tutti puntavano su gamepad sempre più ergonomici, con il giusto quantitativo di grilletti, pulsanti, levette analogiche e croci direzionali, nel lontano 2006 Nintendo fece uscire la sua Wii.

La console ebbe un grande successo commerciale grazie anche al Wiimote, un controller totalmente differente che si impugnava con naturalezza e, entro un grado di precisione forse non eccellente, era in grado di tracciare la sua posizione nello spazio, leggendo i movimenti come colpi di spada, canna da pesca e o racchetta da tennis che si poteva controllare in maniera molto più naturale e immediata rispetto alla "pressione di un tasto": come faceva?

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Allo stesso modo in cui il nostro cervello, a partire dalla differenza tra le immagini dei due occhi e della distanza dalle pupille, è in grado di stimare la distanza di un oggetto, si può stimare la propria posizione osservando due oggetti dei quali conosce la reale distanza. Questo metodo è stato ampiamente usato nell'antichità in entrambe le sue varianti (conoscendo la distanza tra due oggetti lontani o osservando lo spostamento di un oggetto tra due posizioni differenti) e prende il nome di Triangolazione.

ll Wiimote, in particolare, è in grado di definire la propria posizione mediante una telecamera a infrarossi che va a leggere la posizione di alcuni led posizionati in una barra da collocare sopra o sotto lo schermo: in questo modo, conoscendo la distanza fra i led, il controller è in grado di stimare la propria posizione sapendo come sono disposti tra loro i led che vede.

Questa informazione viene poi corredata da un accelerometro e, in caso di Wiimote Plus, da un giroscopio: il primo è un sensore in grado di descrivere in che direzione e con che intensità il sensore subisce un'accelerazione.

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La triangolazione di Wii all'opera

Un simile dispositivo può essere ottenuto, ad esempio, mediante alcune coppie di componenti elettronici in grado di fornire valori di un parametro elettrico che dipende dalla loro distanza: se uno dei due componenti è ben saldo al resto del controller mentre l'altro è collegato mediante un apparato di molle e ha una certa libertà di movimento, si può ottenere facilmente un accelerometro.

Il giroscopio invece si basa sulla Conservazione del Momento Angolare, un fenomeno per il quale un oggetto in rotazione che non subisca forze in grado di modificare questo suo stato continua a ruotare indefinitamente: sebbene l'attrito con l'aria riesca ovviamente a fermare oggetti che ruotano, questo fenomeno viene ad esempio usato per conservare energia in maniera analoga alle batterie in grossi rotori mantenuti sotto vuoto e fluttuanti su cuscinetti magnetici che la Nasa sfrutta come riserve di energia per alcune missioni spaziali.

Costruendo un apparato in cui una parte è libera di ruotare indipendentemente dal resto del controller (un vero e proprio giroscopio), ruotando il suddetto si verrà a creare una differenza tra gli assi di rotazione dei due componenti anch'essa misurabile tramite una coppia di componenti elettrici come descritto per l'accelerometro

Lo stato dell'arte

I dispositivi usciti negli ultimi anni, tra cui i più famosi sono sicuramente HTC Vive, Oculus Rift e PSVR, sfruttano una combinazione di queste tecnologie.

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Tutti presentano un visore in grado di replicare un ambiente virtuale mediante due immagini prodotte in maniera indipendente per i due occhi, azione che richiede il supporto di hardware sufficientemente performanti come la PS4 o un PC con schede grafiche dedicate.

I visori hanno risoluzioni differenti, e questo può variare molto sia la qualità dell'esperienza che la potenza di calcolo necessaria. Oltre a questo, tutti i visori presentano un sistema di tracciamento della testa che viene fatto mediante un sistema di telecamere in maniera analoga a quanto descritto per il Wiimote.

Molti titoli possono essere giocati con il visore e un normale gamepad, che permette un'immersione parziale seppur già interessante (tanto che simili esperimenti sono stati replicati con un certo successo anche per hardware ben più semplici ed economici, come smartphone associati a controller bluetooth). Tuttavia un'immersione profonda richiede anche un controllo più naturale, la possibilità di "inserire" nel gioco le proprie mani e utilizzarle per interagire con l'ambiente circostante: tutti e tre i dispositivi citati hanno introdotto, chi prima e chi dopo, coppie di controller che mostrano una funzionalità leggermente evoluta rispetto al Wiimote, con una migliore sensibilità e una quantità di controlli arricchita.

L'esperienza è senz'altro nuova e stupefacente, anche se mostra ancora diverse pecche: i dispositivi tendono a essere pieni di cavi, possono richiedere configurazioni noiose e il posizionamento strategico di telecamere in giro per la stanza.

Alcuni non sono molto efficaci quando il giocatore si gira di spalle rispetto alle telecamere e in generale sono ancora piuttosto costosi, anche se con il passare del tempo si stanno facendo più economici.

Inoltre si rischia di incappare nel fenomeno del Motion Sickness, ovvero la percezione da parte del cervello di muoversi in un ambiente mentre le gambe, in realtà, sono ferme. Questo può portare a forte nausea e alcuni giochi hanno cercato di risolvere il problema con escamotage differenti.

Se, da una parte, Resident Evil 7 (giocabile totalmente in VR) non mostra grossi problemi a causa della lentezza dei suoi movimenti, altri titoli (tra cui Doom VFR e una modalità di Skyrim VR) hanno optato per una soluzione diversa, usando come strumento di movimento una specie di teletrasporto a corto raggio effettuato puntando un controller nel luogo che si vuole raggiungere e premendo un apposito tasto.

Sebbene la soluzione possa sembrare antiestetica, si tratta in realtà di un compromesso molto intelligente: un apparato che permetta fisicamente di muoversi sarebbe infatti complicato, costoso o richiederebbe stanze molto grandi (problema già presente per alcuni giochi). Forse in futuro arriveranno tecnologie in grado di permettere con facilità questo tipo di moto, ma per ora la soluzione non sembra inficiare il divertimento esattamente come decenni di giochi bidimensionali non ci hanno impedito di apprezzarli.

Sicuramente il fatto che grandi colossi come Bethesda stiano lavorando con la realtà virtuale rappresenta un potenziale trampolino di lancio per queste tecnologie, necessario anche per dare agli investitori la voglia di scommettere su questa tecnologia e gradualmente portarla a diventare economica, leggera e di facile uso.

Personalmente sono eccitato dall'idea di poter picchiare draghi, mutanti e demoni dell'inferno "con le mie stesse mani": e voi che ne pensate? Fatemelo sapere nei commenti!


Gianmario Marrelli è laureato in Fisica della Materia presso l'università di Firenze. È un appassionato di Scienza e Tecnologia, Musica, Giochi di Ruolo e da Tavolo, Videogiochi e Storia Medievale. Nella vita si occupa di Tecnologie Digitali applicate alla Didattica, formando i docenti sulle capacità didattiche degli strumenti digitali tra i quali anche i videogiochi.


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