Jak funguje VR

Co je virtuální realita (VR) a jaký je její cíl

Virtuální realita je technická disciplína, jejímž cílem je přesvědčivá simulace přítomnosti uživatele v digitálním prostředí. Kombinuje stereoskopické zobrazení, snímání pohybu hlavy a těla v šesti stupních volnosti (6DoF), prostorový zvuk, haptiku a nízkolatenční renderování, aby mozek přijal počítačem generovaný svět jako „věrohodný“.

Základní stavební prvky VR systému

• Head-Mounted Display (HMD): brýle s displeji a optikou pro každé oko.
• Tracking: snímání polohy a orientace (6DoF) hlavy, rukou a dalších objektů.
• Interakce: ovladače s tlačítky a analogovými vstupy, sledování rukou (hand tracking), případně eye tracking.
• Audio: binaurální/ambisonický prostorový zvuk s HRTF.
• Výpočet: samostatná jednotka v HMD, PC/konzole (PCVR) nebo edge/cloud rendering.

Displeje a optika: jak se vytváří stereoskopie

• Typy panelů: LCD (IPS/fast-switch) a OLED/MicroOLED (vyšší kontrast, rychlejší odezva), MicroLED (vysoký jas, jemnost).
• Rozlišení a PPD: vnímavá ostrost se popisuje pixels-per-degree; cílem je minimalizovat viditelnou mřížku (SDE).
• Obnovovací frekvence: 72–144+ Hz s cílem snížit motion-to-photon latenci a kinetickou nevolnost.
• Optika: Fresnel, pancake (polarizační vrstvy pro kratší optical path), asférické; ovlivňuje FOV, odlesky a geometrické zkreslení.
• IPD a dioptrická korekce: mechanické či softwarové seřízení vzdálenosti čoček (interpupilární vzdálenost), vložky pro dioptrie.

Geometrická a barevná korekce obrazu

Optika způsobuje zkreslení a chromatickou aberaci. Renderovací pipeline aplikuje předkorekci (lens distortion & chromatic correction), timewarp/spacewarp pro kompenzaci pohybu hlavy mezi renderem a zobrazováním a asynchronní reprojekci ke snížení vnímané latence.

Tracking: 3DoF vs. 6DoF a principy snímání

• IMU (gyroskop, akcelerometr, magnetometr): poskytuje rychlou, ale driftující orientaci (3DoF), slouží pro predikci.
• Outside-in: externí kamery/majáky (optické, IR), vysoká přesnost a nízká latence, nutná instalace v prostoru.
• Inside-out: kamery na HMD, vizuálně-inerciální odometrie (VIO) a SLAM/Visual-SLAM pro 6DoF bez externích senzorů.
• Fúze senzorů: kombinace IMU + vizuální body + případné referenční signály (IR LED, ultrazvuk) v Kalmanových/Bayesovských filtrech.

Eye tracking a foveované vykreslování

Sledování pohledu (glint/corneal reflection + IR osvit + kamery) umožňuje foveované renderování, kdy se vysoké rozlišení a kvalita stínování alokuje jen do malé oblasti, kam se dívá fovea, a periferie je renderována v nižší kvalitě. To výrazně šetří výpočetní výkon a energii. Zároveň umožňuje přesnější IPD auto-fit, dynamic distortion a přirozenější interakce.

Interakce: ovladače, hand tracking a haptika

• Ovladače: šestistupňové sledování, triggery, thumbsticky, kapacitní senzory dotyku prstů, vibromotory či lineární aktuátory.
• Hand tracking: počítačové vidění (skelet ruky) a modelování kloubů v reálném čase; vhodné pro přirozené gesto-UI.
• Haptika: vibrační, ultrazvuková (bezkontaktní), force feedback v rukavicích; cíl: uzavřít sensorimotor loop.

Prostorový zvuk a HRTF

VR využívá binaurální renderování s HRTF (Head-Related Transfer Function), často doplněné head-lock vs. world-lock referencí a akustickými simulacemi (occlusion, reverb). Auralizace musí být synchronizovaná s trackingem hlavy, aby zvukové pole zůstávalo stabilní v prostoru.

Renderovací pipeline a latence

• Cíl latence: motion-to-photon pod ~20 ms (ideálně < 12 ms) pro komfort.
• Predikce pozice hlavy: extrapolace IMU dat na čas budoucího snímku.
• ATW/ASW: Asynchronous (Space/Time) Warp – reprojekce předchozího snímku pro hladké vnímání při poklesu FPS.
• Varifokální/fázově modulované displeje (výzkum): zmírňují konflikty akomodace-konvergence.

Optimalizace výkonu: foveace, LOD a reprojekce

• Fixed/Gaze-tracked foveation: statická či dynamická foveace dle eye trackingu.
• LOD a occlusion culling: úrovně detailu, frustum/portal culling, GPU instancing.
• DLSS/FSR/XeSS pro VR: upscaling s časovou stabilizací, pozor na artefakty v periferním vidění.

Software stack: OpenXR, runtime a herní enginy

• OpenXR: standardizované API pro VR/AR; abstrakce headsetů a ovladačů, rozšíření pro hand/eye tracking, haptiku.
• Runtimy: systémové vrstvy výrobce HMD pro správu tracking pipeline, reprojekce, guardian/safety hranic.
• Enginy: Unity, Unreal Engine, Godot s podporou stereorenderingu, single-pass/multiview, XR pluginy.

Distribuce výpočtu: standalone, PCVR a cloud/edge

• Standalone: SoC v HMD, mobilní GPU, přísné limity výkonu a tepla; agresivní optimalizace a foveace.
• PCVR: rendering na výkonném PC, přenos videostreamu k HMD kabelem (DisplayPort/USB-C) nebo přes Wi-Fi 6E/7.
• Cloud/edge VR: renderování v datovém centru; klíčová je síťová latence, jitter, adaptivní kodeky (H.265/AV1) a predikce.

Lokomoce a design interakcí

• Reálná chůze a room-scale: nejpřirozenější, omezená fyzickým prostorem; redirected walking pro optické „ohýbání“ trajektorie.
• Teleport: okamžitý přesun; minimalizuje kinetickou nevolnost.
• Smooth locomotion: plynulý pohyb thumbstickem; vyžaduje stabilní FPS, vignette a další mitigace.
• Interakční paradigmy: direct manipulation (uchopení), ray-casting (UI), proxemics a haptická zpětná vazba.

Kinetická nevolnost (VR sickness) a její mitigace

• Minimalizace latence a judderu: vysoké FPS, stabilní reprojekce, nízká perzistence panelu.
• Stabilní referenční rámec: statický kokpit/HUD, vignette při akceleracích.
• Motion design: vyhýbat se nečekaným rotacím, preferovat snap-turn; konzistentní fyzika.
• Adaptace uživatelů: progresivní exposure, volitelné komfortní režimy.

Bezpečnost a ergonomie

• Guardian/chaperone: virtuální hranice brání kolizím s reálnými objekty.
• Hmotnost a rozložení: vyvážení HMD, měkčené popruhy; tlak na lícní kosti a nos, ventilace proti zamlžování.
• Hygiena a oční zdraví: výměnné nástavce, čištění, limitace doby používání, správné IPD.

Mapování prostoru a kolize s prostředím

Kamery HMD rekonstruují okolí (mesh) pro passthrough a kolizní detekci. Pro přesnější interakce lze používat scene understanding (stěny, stoly) a smíšenou realitu (MR) s dynamickým maskováním (occlusion) reálných objektů.

Data, soukromí a etika

• Citlivost biometriky: eye tracking, pohybová data a hlas mohou identifikovat uživatele; nutné jasné souhlasy a privacy-by-design.
• Bezpečné zpracování: šifrování na zařízení, minimalizace telemetrie, on-device inference pro citlivé signály.
• Well-being: omezení pro děti, přestávky, varování při únavě či ztrátě stability.

Ověřování vstupu a kalibrace

• Room setup: definice hrací zóny, výška uživatele, kalibrace ovladačů.
• Eye/hand calibration: validace přesnosti eye trackingu (9–16 bodů), zarovnání rukou a prstů pro lepší pinch detekci.

Vývojářské postupy a optimalizace pro VR

• Comfort first: design pro 90/120 Hz, konzistentní framerate; fallback na reprojekci bez výrazných artefaktů.
• UI ve 3D: world-space panely, správná vzdálenost (0.5–2 m), velikost fontu dle PPD, parallax správně.
• Interakční fyzika: předvídatelné uchopení, kolizní objemy, „sticky“ prahy pro jemné manipulace.
• Profiling: GPU/CPU bound analýza, draw call budget, useknutí overdraw, single-pass instanced rendering.

Standardy, kompatibilita a budoucí trendy

• Standardizace: OpenXR sjednocuje cílení na různá HMD, rozšíření pokrývají foveaci, passthrough a hand tracking.
• XR konvergence: prolínání VR a MR (průhledové režimy s barevným passthrough, „mixed reality compositing“).
• Varifokální a light-field displeje: přiblížení přirozenému zaostřování, menší zraková únava.
• Neural rendering: neRF/Gaussian splatting, DLSS-like pro VR, generativní prostředí a interakce.

Příklady aplikačních domén

• Herní a social VR: přítomnost, kooperace, avatarové systémy.
• Průmysl a simulace: výcvik, digitální dvojčata, ergonomie a bezpečnostní scénáře.
• Zdravotnictví: rehabilitace, léčba fóbií, terapie bolesti, chirurgické plánování.
• Vzdělávání a design: kolaborativní 3D prototypování, vizualizace dat, virtuální laboratoře.

Závěr: systémová disciplína pro věrohodnou přítomnost

VR je systém složený z optiky, senzoriky, renderingu, audia a interakce, kde každý milisekundový detail rozhoduje o komfortu. Úspěch stojí na standardech (OpenXR), nízké latenci, přesném trackingu, ergonomii a promyšleném designu interakcí. S nástupem foveovaného a varifokálního zobrazení, robustnější haptiky a cloudového renderingu se VR přibližuje přirozenému vnímání a otevírá nové obzory v zábavě, práci i vzdělávání.