Что вы думаете о том, когда слышите слова «виртуальная реальность» (Virtual Reality, VR)? Вы представляете себе кого-то носящего неуклюжий шлем, подключенный к компьютеру толстым кабелем? Вы думаете Нео и Морфеус тащатся от Матрицы? Или вы вздрагиваете только лишь от одного термина?
Если последнее относится к вам, то вы, вероятно, учёный-компьютерщик или инженер, многие из которых в настоящее время попросту избегают слов «виртуальная реальность», даже когда они работают над технологиями, которые напрямую связаны с этим. Сегодня вы, скорее всего, чаще слышите термин «виртуальная среда» (Virtual Environment, VE), который люди используют для обозначения того, что общественность знает как виртуальная реальность. В сегодняшней свежей статье я буду использовать взаимозаменяемые термины.
Виртуальная реальность. Что это такое
Именование технологии расходится в разные стороны, но концепция остаётся той же — используя компьютерные технологии, создаётся имитация трёхмерного мира, которым пользователь может управлять и исследовать, чувствуя себя как в настоящей реальности. Учёные, теоретики и инженеры разработали десятки устройств и приложений для достижения этой цели. Существуют различные мнения о том, что именно представляет собой истинный экспириенс виртуальной реальности (VR), но в целом она должна включать в себя следующее:
- Трёхмерные изображения, которые кажутся в натуральную величину с точки зрения пользователя
- Возможность отслеживать движения пользователя, в частности голову и движения глаз, и, соответственно, корректировка изображения на дисплее пользователя, чтобы отразить изменение в перспективе
В этой статье мы рассмотрим определяющие характеристики виртуальной реальности, некоторые технологии, использующиеся в системах виртуальной реальности, несколько приложений, а также некоторые опасения по поводу виртуальной реальности и краткую историю дисциплины. В следующем разделе я расскажу вам, как специалисты определяют действительные виртуальные среды, и начнём мы с погружения.
Виртуальная реальность. Погружение
В окружающей среде виртуальной реальности пользователь испытывает так называемое погружение или чувство того, что он находится внутри чего-то и являются частью того мира. Также человек, находящийся в виртуальной реальности, способен взаимодействовать со своим окружением в значимых отношениях. Сочетание чувства погружения и интерактивности называется телеприсутствием. Компьютерный учёный Джонатан Стиор определил его, как «степень, в которой чувствуешь присутствие в опосредованной среде, а не в непосредственной физической среде». Другими словами, эффективный опыт VR заставляет вас становиться не сознающими свою реальную среду и сосредоточить внимание на существовании внутри виртуальной среды.
Программист предложил два основных компонента погружения: глубина информации и широта информации. Глубина информации относится к количеству и качеству данных в сигналах, которые пользователь получает, взаимодействуя в действительной виртуальной среде. Для пользователя это — разрешение картинки, сложность графики окружающей среды, изощрённость звукового выхода системы и так далее. Стиор определяет объём информации, как «количество одновременно представленных сенсорных измерений». Опыт виртуальной среды имеет широкий объём информации, если она стимулирует все чувства человека. Большинство действительных событий виртуальной среды располагает по приоритетам визуальные и аудио компоненты по другим сенсорно-стимулирующим факторам, но всё большее количество учёных и инженеров изучают способы интеграции осязания пользователя. Системы, которые предоставляют пользователям обратную связь и взаимодействия с сенсорным экраном называют тактильной системой.
Для эффективного погружения необходимо, чтобы пользователь мог изучить то, что оказывается в натуральную величину в виртуальной среде и быть в состоянии изменить перспективы органично. Если виртуальная среда состоит из одной подставки в центре комнаты, у пользователя должна быть возможность просмотреть это место из любого угла и точка зрения должна смещаться в зависимости от того, куда смотрит пользователь. Доктор Фредерик Брукс, пионер в технологии и теории VR, говорит, что дисплеи должны проецировать изображения с частотой кадров не менее 20-30 кадров в секунду, чтобы создать убедительный пользовательский опыт.
Виртуальную реальность называют многими другими названиями, кроме виртуальной среды. Другие термины для виртуальной реальности включают в себя киберпространство (слово придумано писателем-фантастом Уильямом Гибсоном), искусственную реальность, дополненную реальность и телеприсутствие.
Виртуальная реальность. Окружающая среда
Другие сенсорные выходные данные из системы виртуальной среды следует корректировать в режиме реального времени, в то время как пользователь исследует окружающую среду. Если окружающая среда включает в себя трёхмерный звук, пользователь должен быть убеждён, что ориентация звука изменяется естественным способом, поскольку он маневрирует через окружающую среду. Сенсорная стимуляция должна быть последовательной, если пользователь хочет чувствовать себя погруженным в виртуальную среду.
Время между тем, когда пользователь совершает какое-либо действие и когда виртуальная среда начинает отображение этого действия, называется задержкой. Задержка обычно подразумевает собой задержку между моментом, когда пользователь поворачивает голову или перемещает свой взгляд, изменяя тем самым точку зрения, хотя этот термин может быть использован для задержки в других сенсорных выходных данных. Исследования с авиационными тренажёрами показывают, что люди могут обнаружить задержку более чем за 50 миллисекунд. Когда пользователь обнаруживает задержку, она заставляет его осознать нахождение его в искусственной среде и разрушает тем самым чувство погружения.
Интерактивный эффект начинает, говоря простым языком, исчезать, если пользователь начинает ощущать реальный мир вокруг него. Только настоящие интерактивные эффекты или настоящая атмосфера погружения заставляют пользователя забыть свою реальную среду. Для того, чтобы достичь цели, истинного погружения, разработчики должны придумать методы ввода, которые являются более естественными для пользователей. Пока пользователь знает об устройстве взаимодействия, он на самом деле не погружается в виртуальный мир. В следующем разделе мы рассмотрим другой аспект телеприсутствия: интерактивность.
Виртуальная реальность. Интерактивность
Погружение в виртуальную среду — это одно, но для пользователя, чтобы чувствовать себя по-настоящему частью этого несуществующего пространства, также должен присутствовать элемент взаимодействия. Приложения с использованием системы виртуальной среды, находящиеся на ранней стадии, на данный момент позволяют пользователю иметь относительно пассивный опыт.
Сегодня вы можете найти виртуальные американские горки, к примеру, которые используют тот же самый вид технологии. DisneyQuest в Орландо, штат Флорида, обладает своими кибепространственными горами, где люди могут разрабатывать собственные американские горки, а затем с помощью специального оборудования испытывать свои творения. Система на самом деле очень захватывающая, но кроме начальной стадии проектирования нет никакого взаимодействия, поэтому данный случай не является примером настоящей и полноценной виртуальной среды.
Интерактивность зависит от многих факторов. Стиор предполагает, что те самые три фактора — это скорость, дальность и картография. Учёный определяет скорость как уровень, включающий действия пользователя в компьютерную модель и отображающий виртуальный мир таким образом, которым может чувствовать сам человек. Диапазон всего этого относится к тому, сколько возможных исходов могло следовать из любого пользовательского действия. Картография — способность системы привести к естественным результатам в ответ на действия пользователя.
Навигация в виртуальной среде является одним из видов интерактивности. Если пользователь может направить своё движение в киберпространстве — это можно назвать интерактивным опытом. Большинство виртуальных сред включают в себя другие формы взаимодействия, так как пользователям может легко стать скучно после нескольких минут использования одной из этих форм. Учёный Мэри Уиттон указывает, что плохо разработанная форма взаимодействия может резко снизить чувство погружения, в то время как поиск путей возможного решения и налаживания данной проблемы могут увеличить его. Когда виртуальная среда по-настоящему интересна и привлекательна, пользователь в большей степени готов убрать своё недоверие на второй план и погрузиться в этот нереальный мир.
Истинная интерактивность также включает в себя возможность изменять окружающую среду виртуального мира. Хорошая виртуальная среда будет реагировать на действия пользователя таким образом, что имеет смысл, даже если это имеет смысл только в пределах действительной виртуальной среды. Если виртуальная среда изменяется диковинными и непредсказуемыми способами, она рискует разрушить чувство телеприсутствия пользователя.
В следующем разделе мы рассмотрим некоторые из аппаратных средств, используемых в системах виртуальных сред.
Погружение против взаимодействия
Разработчики обнаружили, что пользователи испытывают более сильное чувство телеприсутствия тогда, когда взаимодействие осуществляется легко и интересно, даже если виртуальная среда не фотореалистична, в то время как реалистичные киберпространства, которые не имеют возможности для взаимодействия с пользователем, вызывают совершенную потерю интереса относительно быстро.
Виртуальная реальность. Аппаратные системы
В настоящее время большинство систем VE рассчитаны на управление нормальными персональными компьютерами. Персональные компьютеры достаточно сложные, чтобы разработать и запустить программное обеспечение, необходимое для создания виртуальных сред. Графика, как правило, обрабатывается мощными видеокартами, изначально предназначенными для тяжёлых трёхмерных игр. Та же видеокарта, которая позволит игроку играть в World of Warcraft, вероятно, подойдёт и для продвинутого киберпространства.
Также системам виртуальной реальности необходимы способы отображения изображений для пользователя. Многие системы используют HMD (Head-Mounted Display или, говоря простым языком, «одеваемые на голову дисплеи», также известные ещё более сухим языком как шлемы виртуальной реальности). Обычно такие системы представляют из себя неуклюжие штуки, в которые встроены два дисплея (два дисплея для двух глаз, соответственно). Таким образом, создаётся полноценный стереоскопический эффект с иллюзией глубины. Старые модели шлемов виртуальной реальности использовали катодно-лучевые трубки (Cathode Ray Tube, CRT) — традиционный тип проекторов. Это дисплеи, которые по своим размерам были громоздкие, но выдавали хорошего качества и разрешения картинку. Помимо них использовались ещё жидкокристаллические дисплеи (Liquid Crystal Display, LCD). Последние были значительно дешевле, но были не в состоянии конкурировать с качеством LRT-дисплеев. Сегодня ЖК-дисплеи гораздо более продвинутые, с улучшенными разрешением и насыщенностью цветов, и стали более распространёнными, чем LRT-дисплеи.
Другие системы VE проецируют изображения на стенах, полу и потолке комнаты. Называются подобные системы аббревиатурой CAVE (Cave Automatic Virtual Environments, ПЕЩЕРА) — это иммерсивная виртуальная реальность, где прожекторы направлены на три, четыре, пять или шесть стен размером с комнату куба. Название является отсылкой на аллегорию пещеры в «Государстве» Платона, в котором философ созерцал восприятие, реальность и иллюзию.
Университет штата Иллинойс, Чикаго, разработал первый в мире дисплей CAVE, используя проекционную технику для перевода изображений на стену, пол и потолок маленькой комнаты. Пользователи могут перемещаться по «пещере», и при этом должны носить специальные очки, чтобы создать завершенную иллюзию перемещения через виртуальную реальность. Системы CAVE предоставили пользователям гораздо более широкое поле зрения, что помогает при погружении в киберпространство. Конечно, и без минусов не обошлось — «пещеры» очень дорогие и требуют существенно больше места, чем другие системы.
Тесно связанными с технологией отображения являются системы слежения. Системы слежения анализируют ориентацию точки зрения пользователя так, что компьютерная система посылает правильные изображения визуального отображения. Большинство подобных систем требует от пользователя привязки в буквальном смысле к кабелям с блоком обработки, ограничивая таким образом диапазон движения, доступных ему. Разработки технологий слежения имеют тенденцию отставать от других технологий VR, потому что рынок таких технологий, главным образом, сосредоточен на VR. Поэтому нет такого же интереса к развитию подобных технологий и вообще новых способов отслеживания данных.
Устройства ввода также важны в системах виртуальной реальности. В настоящее время устройства ввода варьируются от контроллеров с двумя или тремя кнопками для электронных печаток до программного обеспечения для распознавания голоса. Не существует стандартной системы контроля по дисциплине. Учёные и инженеры, посвятившие свою жизнь виртуальной реальности, постоянно изучают способы сделать внедрение человека в виртуальную реальность как можно более естественной, чтобы увеличить чувство телеприсутствия. Некоторые из наиболее распространённых форм устройства ввода:
- Джойстики
- Трекболы
- Палочки-контроллеры
- Электронные перчатки
- Распознавание голоса
- Трекеры движения
- Беговые дорожки
Виртуальная реальность. Игры
Учёные также изучают возможность разработки биосенсоров для использования VR. Биосенсоры можно обнаружить и интерпретировать нервы и мышечную активность. При правильной калибровке биосенсора, компьютер может интерпретировать как пользователь движется в физическом пространстве и перевести соответствующие движения в виртуальную реальность. Биосенсоры могут быть присоединены непосредственно к коже человека, или могут быть интегрированы в перчатки или трико. Одним из ограничений для биосенсора являются костюмы — они должны создаваться на заказ для каждого человека или датчики попросту не будут выстраиваться на теле пользователя правильно.
Nintendo Wii
Мэри Уиттон из UNC-Chapel Hill считает, что индустрия развлечений будет стимулировать большинство технологий VR идти вперёд. Индустрия видеоигр в частности способствовала достижению графических и звуковых возможностей, что инженеры могут использовать в конструкции систем виртуальной реальности. Единственное, что является интересным по мнению Уиттона — палочка-контроллер в игровой консоли Nintendo Wii. Контроллер находится в свободной продаже, обладает некоторым набором функций слежения и привлекает к себе людей, которые обычно не играют в видеоигры. С отслеживающим устройством ввода, которые традиционно отстают от других технологий виртуальной реальности, этот контроллер может быть первым из новой волны технологических достижений, полезных для систем виртуальной реальности.
Некоторые программисты фантазируют на данную тему, представляя развитие Интернета в трёхмерном виртуальном пространстве, где необходимо переходить виртуальные ландшафты для доступа к информации и развлечениям. Веб-сайты могут принимать трёхмерные формы, что позволяет исследовать интересности пользователям гораздо более буквальным образом, чем раньше. Кроме того, программисты разработали несколько различных языков программирования и веб-браузеров для достижения этого необычного видения. Некоторые их них включают:
- Язык моделирования виртуальной реальности (Virtual Reality Modeling Language, VRML) — самый первый трёхмерный язык моделирования для всемирной паутины.
- 3DML — трёхмерный язык моделирования, где пользователь может посетить место (или веб-сайт) через большинство интернет-браузеров после установки плагина.
- X3D — язык, который заменил собой VRML в качестве стандарта для создания виртуальных сред в Интернете.
- Совместная проектная деятельность (Callaborative Design Activity, COLLADA) — формат, используемый для превращения файлов в трёхмерные программы.
Конечно, эксперты по VE утверждают, что без систем HMD (шлемов виртуальной реальности), системы на основе Интернета не являются настоящими виртуальными средами. Им не хватает важных элементов погружения, особенно отслеживания и отображения изображений в натуральную величину.
Виртуальная реальность. Сферы применения
В начале 1990-х годов экспозиция общественности относительно виртуальной реальности редко выходила за пределы относительно притивной демонстрации нескольких угловатых цифер, гонящихся вокруг шахматной доски — всё это было ещё совсем сыро. В то время как индустрия развлечений по-прежнему заинтересована в приложениях виртуальной реальности, играх и театральных впечатлениях, по-настоящему интересные варианты использования систем VR можно обнаружить в других областях.
Некоторые архитекторы создавали и создают по сей день виртуальные модели своих строительных планов, чтобы люди могли, хоть и виртуально, ощутить структуру до её основания. Клиенты могут передвигаться через экстерьеры и интерьеры, задавать интересующие вопросы или даже предложить какие-либо изменения в дизайне. Виртуальные модели могут дать вам гораздо более точное представление о том, как здание или комната будет выглядеть в конечном варианте.
Автомобильные компании используют технологию VR для построения виртуальных прототипов новых моделей автомобилей, тщательно проверяя их, прежде чем производить физическую модель. Дизайнеры могут вносить изменения, не имея кучу металлолома вокруг. Процесс разработки становится более эффективным и менее дорогим в качестве результата.
Виртуальные среды используются и в учебных программах для военных, космических программах и даже для студентов-медиков. Военные уже давно стали сторонниками технологии VR и её развития. Учебные программы могут включать в себя всё: начиная от моделирования транспортных средств и заканчивая боевым оружием. В целом, системы виртуальной реальности существенно безопаснее и, в конечном счёте, дешевле, чем альтернативные методы обучения. Солдаты, которые прошли через интенсивную подготовку VR, оказались столь эффективны, как те, кто обучается в традиционных условиях.
В медицине сотрудники могут использовать виртуальные среды для обучения всего: от хирургических процедур до диагностирования пациента. Хирурги используют технологию виртуальной реальности не только чтобы обучать и воспитывать, но и выполнять различные операции удалённо с помощью автоматизированных роботов. Первый робот-хирург был выпущен в 1998 году в больнице в Париже. Самой большой проблемой при использовании технологии VR в данном случае является задержка передачи изображения, а это не положительно может сказаться вообще на процессе операции и, соответственно, её итоге. Таким системам необходимо предоставлять тонко настроенную сенсорную обратную связь к хирургу.
В следующем разделе мы рассмотрим некоторые аспекты и трудности с технологией виртуальной реальности.
Виртуальная реальность. Аспекты и трудности
Проблем в области виртуальной реальности много, и они очень серьёзные — это и системы слежения, и поиск более естественных способов предоставления пользователям взаимодействия с виртуальной средой, и сокращение времени построения виртуальных пространств, и многое другое. Есть несколько компаний, специализирующихся на трекинговых системах, которые занимались развитием технологии виртуальной реальности с первых дней её существования. Большинство из них — это небольшие фирмы и продержались они на плаву недолго. Вообще создание виртуального пространства очень сложный процесс, поэтому нередко для очередного творения необходима команда программистов, и времени это может занять более чем год, чтобы дублировать реальные объекты в точности в виртуальную реальность.
Ещё одной проблемой для разработчиков систем виртуальной реальности является создание системы, которая была бы лишена плохой эргономики. Многие системы опираются на специальное оборудование, различную технику, тем самым обременяя пользователя или ограничивая свои возможности с помощью физических тросов. Без тщательно продуманных аппаратных средств пользователь может иметь проблемы с равновесием, инерцией, потерять чувство телеприсутствия или даже испытывать киберсикнесс — эдакая киберболезнь, симптомы которой могут включать в себя полную дезориентацию и тошноту. Не все пользователи могут заболеть киберсикнессом — некоторые люди способны исследовать виртуальные миры часами без каких-либо последствий, в то время как другие могут чувствовать тошноту после того, как побывали в киберпространстве всего несколько минут.
Некоторые психологи озабочены тем, что погружение в виртуальную среду может психологически повлиять на человека. Они предполагают, что системы виртуальной реальности могут ставить пользователя в ситуации с применением насилия, а также могут привести человека к бесчувственности. По сути, психологи говорят очевидное — развлекательные, на первый взгляд, системы виртуальной реальности могут породить поколение психопатов. Кроме того, психологи утверждают, что некоторым людям не стоит беспокоится о десенсибилизации, но предупреждают, что настоящий, истинный экспириенс VE может привести к своего рода кибернаркомании.
Другая проблема — уголовные деяния. В виртуальном мире определяющие действия, такие как убийства или сексуальные преступления, проблематичны. Получается, если у человека не выходит сделать желаемое в киберпространстве, он постарается сделать это в настоящем мире — разве такое не может произойти? Исследования показывают, что люди могут иметь реальные физические и эмоциональные реакции на раздражители в виртуальной среде, и поэтому вполне возможно, что сделав виртуальное нападение человек может получить по-настоящему эмоциональную травму. Следующий раздел расскажет вам историю технологии виртуальной реальности. Что ж, погрузимся же в историю столь удивительного творения человеческого разума.
Виртуальная реальность. История
Концепция виртуальной реальности возникала в течение десятилетий. Обществу стало известно об удивительной технологии в начале 1990-х годов. В середине 1950-х годов кинематографист по имени Мортон Хейлиг предположил театральный опыт, который будет стимулировать чувства всех зрителей. Он создал единственную консоль в 1960 году и назвал её Sensorama — она включала в себя стереоскопический дисплей, вентиляторы, эмитенты ароматов, стереоспикеры и движущиеся стулья. Он также изобрёл свой эдакий шлем виртуальной реальности, только человек не полностью погружался в киберпространство, а мог просто смотреть телевизор в формате 3D.
Инженеры Philco Corporation разработали первый в мире шлем виртуальной реальности («одеваемый на голову дисплей», Head-Mounted Display, HMD). Продукт получил название «Headsight». Шлем состоял из экрана и системы слежения, которая была связана с закрытой системой камер инженеров. Они предназначены в HMD для использования в опасных ситуациях — пользователь может наблюдать реальную среду дистанционно, регулируя угол камеры просто поворачивая голову. Лаборатория Bell Laboratories использовала подобную систему HMD для пилотов вертолётов. Работа шлемов была интегрирована с инфракрасными камерами, прикреплёнными к нижней части вертолётов, что позволяло пилотам иметь чёткое поле зрения по время полёта в темноте.
В 1965 году учёный по имени Иван Сазерленд изобрёл то, что он назвал «Ultimate Display». С помощью этого дисплея человек мог заглянуть в виртуальный мир, который выглядел как реальный, физический мир. Это видение исходило из практически всех разработок в области виртуальной реальности. Концепция Сазерленда состоит из:
- Виртуальный мир, который кажется реальным, трёхмерная звуковая система и тактильные раздражители
- Компьютер, который поддерживает модель мира в реальном времени (только представьте себе мощность этого компьютера в те годы)
- Манипулирование виртуальными объектами в реальном мире — интуитивно понятный способ
В следующем 1966 году Сазерленд создал шлем виртуальной реальности, который был привязан к компьютерной системе. Компьютер предоставлял все графики для дисплея (до этого момента работа шлемов VR могла быть интегрирована только с камерами). Он использовал специальную систему подвеса и провёл её к HMD, так как сама конструкция слишком тяжела для комфортного пользования человеком. HMD мог отображать изображения с эффектом стерео, создавая иллюзию глубины, и также отслеживались движения головы пользователя, поэтому поле зрения менялось соответствующим образом.
Заключительный раздел коснётся тематики развития технологии и её будущего.
Виртуальная реальность. Развитие и будущее технологии
Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (НАСА), Министерство обороны и Национальный научный фонд финансируют большую часть исследований и разработок для проектов виртуальной реальности. Также Центральное разведывательное управление (ЦРУ) выделило 80000 исследовательских долларов для проектов и разработок Ивана Сазерленда.
В течение многих лет технология VR оставалась вне поле зрения общества. Почти все развитие сосредоточено на транспортном моделировании до 1980-х годов (11 новых технологий того десятилетия). Тогда, в 1984 году, учёный по имени Майкл Макгриви начал экспериментировать с технологией VR в качестве способа интеграции человека в компьютерный интерфейс (Человеко-компьютерное взаимодействие, Human-Computer Interaction, HCI). Человеко-компьютерное взаимодействие по-прежнему играет большую роль в исследовании VR.
Джарон Ланье ввёл термин «Virtual Reality» в 1987 году. В 1990-х годах средства массовой информации прицепились к концепции виртуальной реальности и побежали за ней. В результате шумиха дала людям нереальные ожидания о том, на что способны технологии виртуальной реальности. Как общественность поняла, что виртуальная реальность ещё не была так сложна, интерес со временем ослаб. Термин «виртуальная реальность» начал исчезать с ожиданиями публики. Сегодня разработчики VE стараются не преувеличивать возможности или применения систем виртуальной реальности, и тенденция избегать термина «виртуальная реальность», как вы уже могли догадаться, старым порядком никуда не делась.
