CC BY
983
Системы виртуальной реальности и их применение
Развитие информационных технологий, особенно основанньх на использовании электронной и вычислительной техники, привело к появлению методов и средств, основанных на принципах виртуальности, апофеозом которых являются системы виртуальной реальности. Первые прототипы систем виртуальной реальности создавались применительно к сфере развлечений и нашли ограниченную поддержку среди общества. Но начиная с 80-х годов XX в., после появления мощных вычислительных средств, для таких технологий открылись новые перспективы. Разработки в этом направлении получили финансовую поддержку, в том числе и государственную. С тех пор системы виртуальности нашли самое широкое применение военном деле, торговле, промышленности, медицине, образовании и многих других Ключевые аюва сисгта сферах деятельности человека. Освещены наиболее интересные практические приложения систем
вирт/альной реальности, виртуальной реальности, существующие на сегодняшний день. Рассмотрена история возникновения
исгория науки и техники. систем виртуальной реальности, а также принцип работы техники в составе подобных систем.
Суворов К.А.,
магистр кафедры 'Телевидение и звуковое вещание", МТУСИ, [email protected]
Что может человек сказать об окружающей его действительности? Только то, что может ощутить по средствам своих органов чувств. Совокупность сенсорных ощущений дает представление о внешней среде. Но каждый из органов чувств имеет свою разрешающую способность и информация, полученная от них, может интерпретироваться в зависимости от психического состояния сознания. То есть, человек может иметь дело только с представлениями о действительности (субъективной реальностью), а не с самой действительностью. Тогда получается, что изменяя информацию, предоставляемую для органов чувств можно изменить представление о действительности, и ощутить свое присутствие в каком-то другом мире. В каком? В иллюзорном или виртуальном. "Виртуальный" означает проявляющий свойства некоторой вещи (явления), но не являющийся формально этой вещью (явлением). Отцом концепции виртуальной реальности считается Джерон Ланье, основатель VPL Recearch Inc. в Пало-Аль-тато, штат Калифорния. Сам Ланье дает такое определение виртуальной реальности: "Виртуальная реальность — это иммерсивная и интерактивная имитация реалистичных и вымышленных сред, т.е. некий иллюзорный мир, в который погружается и с которым взаимодействует человек, причем создается этот мир имитационной системой, способной формировать соответственные стимулы в сенсорном поле человека и воспринимать его ответные реакции в моторном поле в реальном времени".
Чтобы очутиться в виртуальной реальности, нужны три базовых элемента, которые позволяют создать воображаемый мир:
• во-первых, чтобы видеть виртуальный мир, нужно имитировать визуальные стимулы. В техническом воплощении это могут быть очки, контактные линзы, мониторы или проекционные системы, но в любом случае стимулы для левого и правого глаза должны адекватно различаться. Таким образом, достигается объемность изображения;
• во-вторых, чтобы взаимодействовать с виртуальным миром нужно устройство, способное регистрировать движение человека. Это может быть виртуальная перчатка, компьютерная мышь или вебкамера, регистрирующая положение глаз, рук или других частей тела. Техническое воплощение этого устройства устанавливает язык взаимодействия с виртуальным миром;
• и третий обязательный компонент — мощный компьютер, способный оперативно обрабатывать изображения и производить необходимые вычисления.
Остальные расширения способны задействовать другие информационные каналы, такие как слух, осязание, вкус, обоняние и тем самым усилить ощущение погружения в виртуальный мир.
Виртуальный мир это среда для создания решений, реализация которых оказываются быстрее и дешевле аналогичных решений в реальном мире. Кроме того, ошибки, совершенные в виртуальной реальности ничего не стоят для реальной жизни. Поэтому сегодня виртуальные технологии используются во многих областях деятельности человека.
Рассмотрим историю возникновения систем виртуальной реальности. Как было показано ранее, такие системы состоят из трех базовых компонентов: имитатор стимулов, датчик движения и вычислительный комплекс. Поэтому история развития системы неразрывно связана с развитием каждого компонента системы. Но так как работа посвящена системам виртуальной реальности, то будем останавливаться лишь на основных событиях в развитии компонентов системы.
Среди имитаторов слуховых стимулов можно отметить "Фонограф" Томаса Эдисона, 1877 г. Это было первое устройство воспроизведения и записи звука. Огромным импульсом в развитии визуальной имитации стало появление кинематографа. 28 декабря 1895 г. в Париже братьями Люмьер был продемонстрирован "синематограф", представлявший собой универсальный проекционный, съемочный и копировальный аппарат.
В начале 30-х годов XX в. пилот-любитель Эдвин Линк создал первый авиа-тренажер. Фактически он представлял собой деревянный фюзеляж с кабиной, раскрашенной в синий цвет, и установленный на комплекте органных мехов, которые должны были накачивать или спускать воздух для того, чтобы тренажер кренился, набирал высоту или пикировал. За годы Второй Мировой войны более 10 000 таких тренажеров были использованы в целях повышения безопасности обучения и сокращения его времени при подготовке более 500 000 пилотов.
В 1940 г. в Нью-Йорке был продемонстрирован первый фильм с объемным звучанием: "Фантазия" студии Уолта Диснея. Многоканальная система записи и воспроизведения была названа "Фанта-саунд".
Швейцарец Ханс Лаубе в 1939 г. продемонстрировал систему "Scentovision" на Всемирной выставке в Нью-Йорке. Это явилось первой имитационной системой запахов.
В 1950-х кинематографисту Мортону Хейлигу пришла в голову простая, но гениальная в своей простоте мысль — а что если станет возможным воздействовать не только на зрение посетителя кинотеатра, но и на другие, по возможности все, органы чувств?
Свою революционную идею он изложил в статье "Кино будущего" ('The Cinema of the Future", 1955) и в книге "Театр опыта" ("Experience Theater"), в которой говорилось о вовлечении в процесс восприятия того, что будет происходить на экране, всех чувств. Не остановившись на литераторстве, он в 1961 г. запатентовал, а в 1962 г. построил воплощение своей идеи, прототип "машины реальности" под названием "Сенсорама". Первый патент на головной дисплей
Рис. 1. Эдвнин Линк за тренажером Link Trainer (а) и патент на изобретение (б)
Telesphere Mask, также принадлежит Мортону Хейлигу.
"Сенсорама" погружала зрителя в иную реальность с помощью стереоизображения, объемного звучания, ветра, вибрации и запаха. Sensorama представляла собой, как бы сейчас сказали, автоматизированное рабочее место. Человек садился на стульчик, засовывал голову в специальную камеру и совершал виртуальную поездку на мотоцикле по улицам Бруклина. Но мину этой системы в отсутст-
Рис. 3. Первый шлем виртуальной реальности
тографиях.
В середине 1980-х появились системы, в которых пользователь мог манипулировать с трехмерными объектами на экране благодаря их отклику на движения руки. Первой из ник стала перчатка DataGlove, фирмы VPL Researc.
В 1992 г. была сконструирована первая проекционная система САVE. Одна из таких систем называется CAVE (Cave Automatic Virtual Environment). По сути это помещение размером ЗхЗ м, стены, пол и потолок которого представляют собой экраны из цельного плексигласа. Нижняя плита имеет толщину почти 7 см, что позволяет ей с легкостью выдерживать вес трех исследователей. С помощью
Рис. 2. а) Патент Мортона Хейлига на головной дисплей Telesphere Mask; б) Мортон Хайлиг снимает кино для "Сенсорамы" тремя камерами в одной; в) "Сенсорама"
вии интерактивности. Эти виртуальные экскурсии являлись пассивным переживанием. То есть эта система не имела датчиков движения и вычислительного комплекса.
В 1941 г. Немецкий ученый Конрад Цузе создаёт первую вычислительную машину Z3, обладающую всеми свойствами современного компьютера.
1957 год — американской фирмой NCR создан первый компьютер на транзисторах.
В 1967 г. Айвен Сазерленд описал и сконструировал первый шлем, изображение на который генерировалось при помощи компьютера. Шлем Сазерленда позволял изменять изображения соответственно движениям головы (зрительная обратная связь).
В 1968 г. Дугласом Энгельбартом был изобретен первый компьютерный датчик движения — компьютерную мышь.
Первой реализацией виртуальной реальности считается "Кинокарта Аспена" (Aspen Movie Map), созданная в Массачусетском Технологическом Институте в 1977 г. Эта компьютерная программа симулировала прогулку по городу Аспен, штат Колорадо, давая возможность выбрать между разными способами отображения местности. Летний и зимний варианты были основаны на реальных фо-
цифровых проекторов на экраны передается изображение с разрешением около 100 миллионов пикселей. Чтобы обеспечить нужное качество 3D-изображений без потерь в скорости обработки информации, используются мощные графические процессоры. Движения человека, находящегося в комнате виртуальной реальности, положение рук, ног, головы, даже — глаз, отслеживаются компьютером, который обеспечивает полную интерактивность действия.
14 февраля 1995 г. Фраунгоферским институтом в Германии была запатентована первая система пространственного звучания, основанная на принципе Гюйгенса по названием "Wave field synthesis".
В России исследования систем виртуальной реальности начались после первой российской конференции "Графикон" в 1991 г., на которой стали появляться доклады, посвященные проблемам визуализации. В 1994 г. был создан Институт физико-технической информатики (ИФТИ), основным направлением деятельности которого стала разработка систем визуализации и виртуального окружения для российской космической и атомной промышленности, науки и образования.
А среди изобретений российских ученых можно отметить братьев Латытовых В 1995 г. они изобрели виртуальную сферу, устройство для перемещения внутри киберпространства. Оно представляет собой полую сферу, достаточно большую, чтобы1 в ней свободно размещался и двигался человек. Устанавливается сфера на колеса-оторы и благодаря этому свободно вращается в любом направлении.
На рисунке 7 представлена обобщенная классификация систем виртуальной реальности, как внешняя, так и внутренняя. Внешняя здесь означает область применения СВР, это сама цель их создания. Внутренняя характеризует специфику программного и аппаратного комплекса СВР, то есть, каким образом цель будет достигнута.
Рассмотрим представленные на этом рисунке области применения СВР и соответственную внутреннюю классификацию:
Правоохранительные органы
Американская полиция использует систему виртуальной реальности для обучения своих офицеров экстремальным ситуациям, когда надо быстро принять правильное решение "стрелять — не стрелять". Компьютером генерируется правдоподобная ситуация и у офицера появляется уникальная возможность приобретения опыта, без риска для собственной жизни и жизни жертвы преступления.
Военное дело
Военные прикладывают продолжительные и постоянные усилия к тому, чтобы приспособить виртуальную реальность к нуждам ре-
Рис. 7. Классификация систем виртуальной реальности
ального мира. Это относится, в первую очередь, к имитации маневров, которые в реальности очень дороги и наносят окружающей среде большой ущерб.
Самой известной имитационной системой является СИМНЕТ, разработанная DARPA и армейскими лабораториями. Система построена на основе одного из боевьх американских танков. Внутри блока солдаты занимают те же места, что и в реальной военной технике или командных центрах. Глядя в "окно", они видят имитацию поля боя со всем ландшафтом и техническими средствами, управляемыми другими участниками сражения. В настоящее время имитаторы СИМНЕТ соединяются в сети до 1000 единиц, что дает возможность имитировать крупные маневры. Войска стран НАТО также постепенно переходят к работе с этой системой.
Проект "Диспетчер спутников" (Satellite Modeler SM) является виртуальным приложением, позволяющим аналитику-пользователю входить в виртуальную среду, которая имитирует околоземное пространство и визуализирует орбиты спутников вокруг Земли. При увеличении числа спутников на орбите увеличивается трудность и важность определения пространственных взаимоположений этих спутников и необходимость корректировки орбит.
Большая часть применений авиа-тренажеров приходится на тренажеры боевых машин. Летая в виртуальном пространстве, летчики имеют возможность видеть не только "виртуальную реальность", но и те объекты, которые не увидишь во время реального полета, как, например, зоны видимости радарных установок системы ПВО. В реальном полете используют системы дополненной реальности, когда на шлем пилота проецируется информация о дальности, направлении видимых объектов и те же зоны видимости радаров. А еще в реальных самолетах, с помощью камер рассоложенных на корпусе самолета и проекции на шлем пилота, пилот может видеть даже сквозь фюзеляж самолета.
Торговля
Самой современной, мобильной, удобной, но пока еще плохо изученной формой реализации товаров принято считать интернет-торговлю. СВР постепенно внедряются в интернет-торговлю, и ее влияние станет мощней, когда стоимость девайсов ВР станет доступной для среднего пользователя ПК. Пока же, с помощью компьютера снабженным подключением к интернету и веб-камерой пользователь может выбирать одежду в интернет-магазине, буквально примеряя ее на себе.
В США на одной из бирж была установлена система виртуальной реальности, где рынок ценных бумаг был представлен в виде океана. Высота волны обозначала изменение котировок, погода внешние условия (политические и экономические), чистота воды символизировала "чистоту " сделок. Таким образом, для того, чтобы оценить ситуацию на фондовых рынках мира достаточно было одного взгляда. Новая система подачи информации также позволила существенно уменьшить число естественных ошибок брокеров.
Промышленность
Одной из первых на эксперимент, по применению виртуальной реальности в производстве, решилась американская корпорация General Motors. Риск оказался оправданным: созданный в 1994 г. в Детройте центр виртуальной
реальности обошелся концерну в 5 млн. долларов, а полученная экономия при разработке новых моделей — около 80 млн. Дело в том, что применение системы виртуальной реальности позволяет убрать из процесса разработки новой модели такие операции, как создание пластилинового макета, продувка модели в натуральную величину в аэродинамической трубе и крэш-тесты. Все эти манипуляции инженеры и дизайнеры производят в виртуальном пространстве, где изменениям подвергается не физический, а электронный прототип нового автомобиля. Сходным образом решаются и проблемы эргономики салона, компоновки моторного отсека и ремонтопригодности узлов и агрегатов будущей машины. Например, если какой-либо узел оказывается труднодоступным, модель от инженеров вновь поступает к дизайнерам, которые "на лету" корректируют элемент кузова, мешающий подобраться к нужному месту. Затем электронная модель вновь передается инженерам.
Наука
В химии ВР помогает моделировать силы молекулярного притяжения и отталкивания. Погружаясь в разработанную систему ВР химики, в прямом смысле слова, руками могут ощутить эти силы, строя объемные модели молекул в виртуальном пространстве.
В архитектуре и дизайне ВР позволяют оптимизировать расходы на строительные материалы, испытать модель планируемого здания на прочность, скажем при землетрясениях или других природных явлений. В СВР на равнее с визуализацией используют и аурализацию
— представление незвуковой информации в звуковом виде. Эту возможность используют для моделирования и оптимизации акустики концертных залов. Эти методы позволяют моделировать акустику даже несуществующих уже древних храмов и амфитеатров по их описаниям или оставшимся руинам. С помощью программ аурали-зации создаются и совершенствуются методы расчета акустики помещений. ВР используется в планировании городов для оптимальной застройки с учетом загрузки городских дорог, скорости ветра и многих других факторов. Реконструкция исторических событий также представляет научный интерес. В общем и целом системы виртуальной реальности требуются в случае работы с пространственными данными, которые сложно представить в совокупности. Образование
Сегодня комплексом аппаратно-программных средств оснащают школы, ВУЗы, другие образовательные или учебно-методическое учреждение. Пока эти комплексы являются экспериментальной лабораторией, где преподаватели и учащиеся получат возможность: совершить "путешествие" по стране, миру или вселенной; принять участие в исторических событиях; наблюдать редкие физические явления и манипулировать с различными объектами; проводить химические опыты; анализировать объемные диаграммы; решать задачи по стереометрии и много другое (без опасности для здоровья, затрат времени и средств на реальные поездки, реактивы и дополнительное оборудование).
Медицина
На сегодняшний день уже существуют виртуальные анатомические атласы, например, в Национальной библиотеке медицины в США. Эти атласы представляют различные органы и системы сред-
нестатистических мужчины и женщины. Компьютер может воссоздавать не только внешние, но и механические параметры органов. Принципиальное отличие виртуальной анатомии состоит в том, что наблюдатель может быть помещен в любую точку как во вне, так и внутри организма, а также пропутешествовать вдоль тех или иных каналов и систем. Используя электромагнитные, пневматические и гидравлические системы, возможно моделирование виртуального скальпеля или другого инструмента в виртуальной перчатке. Оказывается, практиковаться на виртуальных трупах куда дешевле, чем на реальных, и более гуманно, чем на подопытных животных
Оригинальный подход к избавлению от страхов разрабатывается под руководством доктора Ганс Сибург, руководителя лаборатории биологической информатики и теоретической медицины в Калифорнийской медицинской школе. Он использует два метода би-хевиориальной терапии в зависимости от сложности и индивидуальности заболевания. В первом случае человек, страдающий страхом, подвергается воздействию последовательности пугающих стимулов
— от самого слабого к более сильному, используя при этом релаксацию, транквилизаторы, медитацию. Во втором случае ему требуется вторично пережить воздействие потока действительных фоби-ческих стимулов. Облегчение и избавление от страха происходит путем привыкания, адаптации и когнитивной проверки отсутствия опасности. Считается, что бихевиориальная терапия на сегодняшний день является аиболее эффективным психотерапевтическим подходом применительно к фобическим реакциям.
Заключение
Системы виртуальной реальности представляют новую ступень в техническом развитии человечества. Не все технические проблемы в этой области решены, но начало уже положено и остальное дело времени. Иммерсионная система виртуальной реальности предоставит чрезвычайно универсальные инструменты для воплощения фантазии человека. В дальнейшем они станут более доступны для массового потребителя, а программное обеспечение сделает общение пользователя с виртуальной средой интуитивно понятным.
Литература
1. http://ru.wikipediа.org/wiki/Виртуальная_реальность
2. Поповьян С. Эдвин Линк изобретатель , "Форум" 01' (6) 2010.
3. Проворнов С.М. Основы кинотехники. Конспект лекций. — Л.,: ЛИКИ, 1975.
4. Kimble G, Cinema Technology, "This is cinerama" № 12. 2002.
5. Самсонов С. Наука и жизнь, "Приглашает сферорама". — 1988. — № 4. стр.33.
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Синерама.
7. Груздева И. "Сенсорама и первый HMD", http://irina-gruzdeva.blogspot.com/ 2010/09/hmd.html.
8. Болотов К "Sensorama — первый в мире виртуальный симулятор", 14 марта 2003, http://www.membrana.ru/particle/1689.
9. Болотов К "Виртуальная терапия страха и боли", 31 января 2003, http://www.membrana.ru/particle/2582.
10. Афанасьав К "Компьютерные перчатки", Константин Афанасьав, http://www.prorobot.ru/08/komputers-perchatki4.php.
11. Болотов К "Стремление портить воздух. Часть первая: кино с запахом", http://www.membrana.ru/particle/2558.
12. Аналитический вестник Совета Федерации ФС РФ, № 7(138), 2001.
13. Вигер И. "Компьютерра" №5 от 24 февраля 2004 года "Реальные деньги виртуальной реальности", http://otfline.computerra.ru/2004/529/ 32083.
The virtual reality systems and their use
Suvorov K.A
Abstract
The development of informative technologies especially based on the electronic and computing equipment led to the emergence of methods and means based on the concept of virtuality, and an apotheosis of which is the virtual reality systems. First prototypes of the virtual reality systems were created in reference to entertainments and found limited support of society. But from the 80's of 20th century after the appearance of powerful computer tools new perspectives were opened for technologies like this. Researches in this course got a funding including a public financing. Since that time the virtual reality systems found the widest application in military, commerce, industry, medicine, education and a lot of other fields of human activity.
This report regards the most interesting practical applications of the virtual reality systems that exist today. A history of the virtual reality systems was considered as well as the principle of the technique as part of such systems.
Keywords: virtual teality systems, history of science and technology
