...
...

Основные принципы систем Виртуальной Реальности 1

Разные люди толкуют термин Виртуальная Реальность (ВР) по-разному. Некоторые под ВР понимают специфический набор технологий (в который входит головной дисплей, сенсорные перчатки и устройство для ввода/вывода аудио информации). Другие расширяют применение данного понятия, включая сюда современные книги, фильмы или чистую фантазию. Все они по-своему правы, ибо Виртуальная Реальность - еще достаточно молодая область деятельности человека, в которой пока нет жестко устоявшихся принципов.

Наилучшее определение Виртуальной Реальности, которое я нашел, звучит так: "Виртуальная Реальность - это способ визуализации и манипулирования информацией, а также путь взаимодействия человека с компьютером и чрезвычайно сложными системами данных."

Визуализационная часть данного определения относится к способности компьютера генерировать для пользователя компьютерного мира (computer world, virtual world) визуальную, аудиальную и другую сенсорную информацию. Компьютерный мир может представлять собой CAD-модель, научную симуляцию или организованную тем или иным образом базу данных.

Пользователь ВР может взаимодействовать с миром и напрямую манипулировать объектами внутри этого мира с помощью тех или иных устройств. Некоторые из миров могут быть анимированы (физическую симуляцию или простые анимационные скрипты) и отражать не только последствия действий пользователя, но и другие независимые процессы. Под взаимодействием с виртуальным миром понимается как минимум контроль в режиме реального времени над точкой обзора мира, и, по мнению многих, является критическим тестом, определяющим ВР.

Появление ВР и ее развитие повлекло за собой рождения ряда вспомогательных терминов и понятий, таких как "Синтетическое окружение" (Synthetic Environments), "Киберпространство" (Cyberspace), "Искусственная реальность" (Artificial Reality), "Симуляторные технологии" (Simulator Technology) и др. С развитием компьютерных сетей, увеличением вычислительной мощности компьютеров, микроминиатюризации и других технологий за последние десять лет ВР потихоньку вышла из рамок теорий и узкоспециализированных областей применения, обретая все большее количество приверженцев и расширяя свое влияние.

На сегодняшний день существует уже достаточно широкий спектр приложений и задач, использующих ВР, которые варьируются от игр до архитектурного и бизнес-планирования. Множество из этих приложений представляют собой виртуальные миры, которые очень схожи с реальным (например, CAD или архитектурное моделирование). Некоторые из приложений предлагают пути визуализации, структурирования миров и представления данных с более выгодной для решаемой задачи позиции, которая, однако, никак не согласуется с тем, что мы можем наблюдать в реальном мире, как, например, научные симуляторы (scientific simulators), системы телеприсутствия (telepresense system) или системы контроля за авиотраффиком. Существуют и другие приложения, воплощение которых методами ВР будет сильно отличаться от того, с чем можем столкнуться в жизни. Эти воплощения, пожалуй, наиболее трудные для реализации и в то же время наиболее интересные. Визуализирование потоков информации, изменение тенденций мировых финансовых рынков, управление и использование корпоративных информационных баз - все это, реализованное в рамках ВР, выводит человечество на новый уровень абстрактного мышления, а следственно и расширяет спектр успешно выполняемых человеком задач.

Типы ВР-систем
Основное различие существующих ВР-систем лежит в плоскости способов и режимов их взаимодействия с пользователем. Некоторые наиболее распространенные из этих режимов и способов и будут рассмотрены в данной главе.

Системы типа "Окно в мир" (WoW) или настольная ВР (Desktop VR)

Некоторые из системы ВР используют современные компьютерные мониторы для отображения визуальной части кибермира. Такие системы иногда называют настольной ВР или системой типа "Окно в мир" (Window on World System). Концепция таких систем берет свое начало в существующей истории компьютерной графики. В 1965 году Иван Сьюзерлэнд положил начало исследовательской программе по компьютерной графике, которая на бумаге называлась "Идеальный дисплей". Именно эта программа оказала основное влияние на последующие тридцать четыре года развития компьютерных технологий в области обработки и вывода изображений.

"Человек должен смотреть на экран дисплея как в окно, через которое он созерцает виртуальный мир. Основная задача компьютерной графики максимально приблизить картинку в окне к реальной и заставить объекты виртуального мира вести себя естественно."

Видеоналожение (Video Mapping)

Вариация на тему WoW. Основное ее отличие в том, что с помощью видеокамеры силуэт пользователя накладывается на двухмерную картинку, создаваемую компьютером. В результате пользователь смотрит на экран и видит свой силуэт, свое виртуальное тело внедренное в киберпространство. Именно это виртуальное тело и взаимодействует с виртуальным миром.

Основной теоретик и практик данной системы ВР - Мирон Крюгер, который занимался этой проблемой с конца шестидесятых. Он опубликовал две книги "Artificial Reality" и "Artificial Reality II", которые целиком посвящены системам видеоналожения и реализованным на их основе системам ВР.

Видеоналожение используется в нескольких широко известных коммерческих системах, наиболее известной из которых является Mandala, которая используется на телевизионном кабельном канале Nickelodeon для игрового шоу "Nick Arcade", где участники программы попадают в большую видеоигру. Упрощенная технология видеоналожения очень часто используется на телевидении, при оформлении различных передач.

Погружающие системы (Immersive Systems)

Совершенные ВР-системы полностью погружают пользователя в виртуальный мир, создавая при этом ощущение присутствия. Для достижения этой цели необходимо как минимум три условия: создание и вывод реалистичного видеоизображение с углом обзора не менее 180 градусов, трехмерный звук, как можно более полная и реалистичная эмуляция кинестетических эффектов (эффект прикосновения к поверхности и т.д.).

Для вывода реалистичного изображения с большим углом обзора и трехмерного звука в системах ВР используются так называемые виртуальные шлемы или, если их более правильно назвать, головные дисплеи (Head Mounted Display, HMD), которые по форме напоминают шлем или маску, содержащую видео и аудиомониторы. Еще одной вариацией является использования нескольких больших проекционных систем на стенах маленького закрытого помещения и surround-звука, что позволяет создавать иллюзию большого пространства в маленьком физическом пространстве.

Эмуляции кинестетических эффектов - это самая больная тема практически для всех существующих на сегодняшний день систем ВР, претендующих называться системами полного погружения. По определению, полное погружение - это имитация воздействия виртуального мира на все органы чувств человека, как это происходит в реальности. И если развитие технологий компьютерной графики и звука уже позволяет создавать стерео-картинку высочайшего качества и трехмерный позиционируемый звук, то передача кинестетической (осязательной) информации реализована очень слабо. Лишь немногие и чрезвычайно дорогие системы, реализованные на основе скафандра с экзоскелетом, позволяют имитировать нечто подобное на реалистичную кинестетическую информацию. Сделано это с помощью множества маленьких полых камер, расположенных на поверхности скафандра, которые мгновенно наполняются сжатым воздухом, когда требуется сымитировать прикосновение некоего виртуального объекта к той или иной части тела.

Системы дистанционного присутствия

Системы дистанционного присутствия, или, как их еще называют, системы телеприсутствия, существуют и эффективно используются уже достаточно давно. Основной идеей этих систем является соединение удаленных сенсоров, расположенных на каком-либо объекте в реальном мире с оператором-человеком. Эти удаленные сенсоры могут размещаться на роботе или радиоуправляемом устройств, а человек, получая видо-информацию, например, о передвижении этого робота, может с помощью компьютера корректировать его путь.

Такого рода системы телеприсутствия используются современными пожарниками для тушения сложных пожаров с применением роботов. Сложные системы телеприсутствия используются в хирургии, особенно в нейрохирургии и хирургии глаза. Практически все исследования, которые проводились автоматическими космическими станциями, обладали системой дистанционного управления и дистанционного присутствия.

Смешанная реальность (Mixed Reality)

Слияние систем дистанционного присутствия и системы, основывающейся на ВР, дает совершенно новую технологию, которая получила название "Смешанная реальность". В системах смешанной реальности компьютерное изображение генерируется исходя из информации, выводимой датчиками систем дистанционного присутствия. Такие системы часто можно наблюдать в современной военной авиации, когда пилот видит сгенерированные компьютером карты, необходимые технические данные, подающиеся на головной дисплей, и одновременно с этим имеет возможность визуально контролировать реальную ситуацию в воздухе.

Аппаратное обеспечение ВР

Как вы уже, наверное, поняли, для реализации ВР требуется набор достаточно сложных компьютерных устройств, специально разработанных для применения в этой области.

Генераторы изображения

Генерация изображения для систем ВР - задача, требующая наибольшего количества времени. Вся загвоздка здесь в том, что для систем ВР, обеспечивающих полное погружение, требуется генерировать изображение в режиме реального времени, максимально быстро и без заметных задержек. Быстрая компьютерная графика открывает перед системами ВР большое количество возможностей и ряд областей применения, не доступных до сих пор.

К счастью, развитие компьютерных игр и технологий, с ними связанных, привело к тому, что сейчас на рынке появилось множество не очень дорогих и достаточно мощных 2D/3D графических ускорителей. Ранее эта ситуация выглядела несколько иначе...

Для реализации качественной трехмерной графики в режиме реального времени (и не только) используются в основном продукты компании Silicon Graphics, которая поставляет их на графические станции различного уровня сложности. Цены на продукцию SGI варьируются от $10000 до $100000. Однако если системе ВР не требуется сверхреалистичность и сверхмощность, то некоторые проекты можно уже реализовать и с помощью обыкновенных 3D ускорителей для домашнего пользования.

Управление и управляющие устройства

Одним из ключевых моментов взаимодействия с виртуальным миром является координация изменения позиции некоего объекта в реальном мире (например, руки и или головы) с изменением позиции его воплощения в киберпространстве. Существует ряд методов отслеживания перемещений этого реального объекта (объектов) и контроля над этими перемещениями. В идеале такие технологии должны обеспечивать работу с тремя измерениями для позиции объекта (X,Y,Z) и тремя измерениями для определения его ориентации.

Наиболее простые из существующих управляющих устройств - это мышки, трекболы и джойстики. И хотя эти устройства являются двухмерными, грамотное программирование позволяет использовать их для контроля шести различных измерений (что, в принципе, и требуется). К настоящему времени появились уже и 3D и даже 6D джойстики, мыши и трекболы. Они реализованы на основе традиционных моделей с добавлением дополнительных кнопок, колес ротации и так далее. С помощью этих новых моделей можно осуществлять перемещение курсора не только по оси XY, но и Z, а также осуществлять ротацию во всех трех измерениях. Устройство компании Global Devices - 6D Contoroller - яркий пример такого шестимерного джойстика. Разработкой 3D и 6D джойстиков, мышек и трекболов занимаются такие крупные компании как Logitech и Mouse System Corp.

Еще одним общепринятым устройством, которое сразу же ассоциируется с системами ВР, являются сенсорные перчатки (instrumented gloves). Использование данного типа устройств для манипуляции объектам внутри компьютера запатентовано в США. Сенсорные перчатки оснащены специальными датчиками на каждом из пальцев, а также устройством отслеживания общей позиции и ориентации руки в такой перчатке. Например, компания VPL (которой и принадлежит патент) сделала свой продукт DataGloves на основе оптоволоконных сенсоров для пальцев и системы магнитного слежения для определения позиции в пространстве.

Концепция, примененная для создания сенсорных перчаток, была использована для создания специальных костюмов и скафандров с экзоскелетами, которые позволяют вводить в компьютер информацию о перемещениях и движениях не только руки, но и всего тела. Такие костюмы широко применяются для снятия реалистичных движений человека, которые впоследствии используются в компьютерной анимации.

Стереовидение (Stereo Vision)

Стереовидение тоже очень часто включается в системы ВР. Оно основывается на создании различных изображений для каждого глаза. Генерируются эти изображения с учетом смещение угла зрения на дистанцию, равную среднему расстоянию между глазами. В результате человек видит реалистичное и объемное изображение.

На сегодняшний день существует ряд технологий, позволяющих реализовать стереовидение. Для разделения двух картинок (необходимо, чтобы каждый глаз видел только свою картинку) применяются различные поляризационные фильтры с соответствующими фильтрами, располагающимися перед глазами (пример - стереофильмы); анаглифические картинки пользователь рассматривает с помощью красно-голубых очков, что дает эффект стеревидение без передачи цвета. Две различных картинки могут проецироваться по очереди на экран компьютера, а специальные очки с переключающимися затворами (shutter glasses) закрывают соответственно то один, то другой глаз. А так как скорость этих переключений очень высока, то мозг просто не успевает заметить этих переключений, в результате чего также создается эффект стереовидения.

Shutter glasses, пожалуй, наиболее распространенные непрофессиональные устройства для стереовидения. Различными фирмами выпущено несколько моделей таких очков для использования как с телевизором, так и с компьютером. Они получили достаточно широкую поддержку производителей бытового игрового и программного обеспечения (Sega, Nintendo). Производители многих компьютерных игр для PC также включают в свои продукты поддержку shutter glasses устройств.

Основным преимуществом shutter glasses является их сравнительная дешевизна. Однако, как сообщают некоторые ученые, проведенные медицинские исследования показали, что такие устройства не очень благоприятно влияют на зрение.

Головные дисплеи (Head Mounted Display)

Еще одним устройством, которое чаще всего ассоциируется с системами ВР, является головной дисплей. HMD - это, как правило, либо специальный шлем, либо очки с маленьким видеодисплеем, закрепленным перед глазами и оснащенный оптикой для фокусировки и растягивания воспринимаемой области обзора. Некоторые из HMD оснащены двумя дисплеями для создания стерескопического изображения. Другие же имеют один большой дисплей, который обладает лучшим разрешением, но не дает стереокартинки.

Недорогие HMD (в пределах от $1000 до $10000) используют LCD-дисплеи либо маленькие электронно-лучевые трубки (наподобие используемых в камкодерах). Более дорогие модели используют оптоволоконные технологии для передачи изображения с внешних устройств. HMD могут комбинироваться и со специальными датчиками, которые отслеживают повороты головы.

Основным недостатком всех существующих HMD является сравнительно низкое разрешение выдаваемого изображения и его некоторая размытость. Насколько я знаю, сейчас идут разработки специальных устройств, которые будут способны проецировать изображение прямо на сетчатку глаза, причем разрешение и качество картинки при этом будет на высшем уровне.

Максим Круглов
Продолжение следует.



© Компьютерная газета

полезные ссылки
Купольные камеры видеонаблюдения