6.8. Виртуальная реальность

Термин «виртуальная реальность» можно определить как новую информационную технологию, позволяющую пользователю в реальном времени находиться и перемещаться в иллюзорном трехмерном пространстве (вверх, вниз, вправо, влево, вглубь, наружу).

Можно считать виртуальную реальность дальнейшим развитием технологии мультимедиа.

Впервые технология виртуальной реальности (ВР) была использована для обучения военных летчиков.

Виртуальная реальность позволяет создать для медицинских работников иллюзию реально проводимой хирургической операции. Архитектор может рассмотреть интерьер и внешний вид спроектированного им здания. Конструктор (или инженер) может создавать трехмерное изображение объекта и испытывать созданную модель, находясь внутри ее.

Для демонстрации мод используют виртуальные модели, которые заимствуют лучшие черты известных манекенщиц.

Виртуальный музей позволяет посетителям увидеть любой экспонат коллекции в трехмерном виде и с разных сторон. Имитация танкового боя дает экономию средств военным ведомствам за счет отказа от проведения реальных маневров.

ВР применяется при тренировке летчиков, космонавтов и спортсменов. Разработан специальный тренажер, имитирующий спуск на спортивных санях. Спортсмены могут, не выходя из здания, опробовать любые трассы и пройти подготовку к соревнованиям.

Виртуальные банки и виртуальные магазины входят в обыденную жизнь людей. При этом действия в виртуальном универсаме напоминают обычную покупку в традиционном магазине. Можно рассматривать и выбирать товары, переходя от одной полки к другой. Затем нужно расплатиться в виртуальной кассе с помощью кредитной карточки, а товар будет доставлен на, дом с помощью реальных транспортных средств. ВР является одним из захватывающих средств развлечений.

Например, во время моделирования полета в космическом корабле происходят столкновения с астероидами и нападения инопланетян. Ускорение и замедление корабля имитируются перемещениями кресла. Полет сопровождается звуковыми и световыми эффектами.

Имитация пикирования к земле или мертвая петля в маленьком спортивном самолете заставляют весь организм напрячься. Человек теряет связь с действительностью и чувствует себя парящим в кабине самолета над простирающимися до горизонта холмами и равнинами. Принцип имитации ускорений (перегрузок и силы тяжести) основывается на использовании управляемой центрифуги с независимым вращением по трем осям.

С помощью виртуального учителя есть возможность изучать боевые искусства и танцы.

Можно ожидать, что виртуальная реальность найдет широкое применение при изучении стереометрии, черчения, при решении конструкторских задач.

Технология ВР формирует трехмерное изображение, стереофонический звук, тактильные ощущения, воздействует на чувства равновесия.

Напомним, что тактильные ощущения – это ощущения прикосновения, осязания.

Кратко рассмотрим технологию создания объемного изображения.

Расстояние между центрами зрачков человека обычно составляет 6 – 7 см, и каждый глаз по-разному видит объемный объект. Наши глаза и мозг способны примерно определить размеры объектов, расстояние до объектов и их взаимное расположение, основываясь на различии двух изображений, воспринимаемых левым и правым глазом.

Для формирования стереоэффекта нужно для каждого глаза сформировать отдельное изображение. Технически создать иллюзию объемного изображения можно несколькими способами.

1. Перед каждым глазом помещается отдельный небольшой монитор. При этом на левом мониторе формируется изображение для левого глаза, а на правом мониторе – изображение для правого глаза. Таким образом, изображения для двух глаз разделены в пространстве.

Этот способ технически реализуется с помощью шлема, содержащего два дисплея.

2. Перед глазами помещаются фильтры (жидкокристаллические линзы), которые с большой частотой в противофазе закрывают и открывают обзор. В это время изображение формируется на единственном большом мониторе, на котором синхронно с работой фильтров появляется изображение поочередно для левого и правого глаза. Другими словами, этот способ можно описать так: правый фильтр закрывается (становится непрозрачным), когда на дисплее появляется изображение для левого глаза, и наоборот. Этим осуществляется временное разделение формирования изображения для двух глаз. Как правило, два соседних кадра содержат изображения для разных глаз.

Этот способ технически реализуется с помощью очков.

3. Перед правым глазом помещается синий фильтр, а перед левым глазом – красный фильтр. На экране монитора одновременно формируется два изображения, одно красное – для левого глаза, второе синее – для правого глаза. При наблюдении через красный фильтр красное изображение становится практически невидимым, а синее изображение кажется черным. При наблюдении такого изображения через синий фильтр наоборот: синее изображение невидимо, а красные линии кажутся черными. Совместное действие двух фильтров вызывает иллюзию объемного изображения. Этот способ позволяет формировать только черно-белое изображение. Два одновременно формируемых на дисплее изображения спектрально разделены.

Техническая реализация этого способа достаточно проста. Для наблюдения стереоэффекта требуются двухцветные очки.

4. Перед левым глазом помещается прозрачный фильтр, а перед правым глазом практически черный фильтр. Эффект трехмерного изображения проявляется только при наблюдении движущихся объектов. Физиологической основой для подобной иллюзии является различие во времени реакции каждого глаза при распознавании движущегося изображения. Для статических картин иллюзия объемности не возникает.

Существует также технология формирования виртуальной реальности с помощью проекционных устройств, создающих иллюзию окружающего мира, путем проекции изображения на стены и потолок комнаты. Этот способ особенно эффективен при имитации подводного мира и боевых сражений.

Программные продукты и аппаратные средства виртуальной реальности имитируют реальную действительность с такой степенью достоверности, что можно «потрогать» объекты, находящиеся в этом призрачном мире, и они соответствующим образом будут реагировать на прикосновение. Процедуру вхождения в виртуальный мир часто называют погружением. Конечно, это не следует понимать буквально, как это показано на рисунке слева.

Для взаимодействия с виртуальной реальностью применяются специальные устройства ввода-вывода: шлемы-дисплеи, информационные перчатки и информационный костюм.

Рука пользователя, одетая в информационную перчатку, может быть спроецирована (перенесена, погружена) в трехмерную компьютерную среду. Манипулируя информационной перчаткой, пользователь в состоянии взаимодействовать с виртуальным миром, управляя объектами.

На следующем рисунке показана конструкция информационной перчатки.

Рассматриваемая информационная технология позволяет ощутить форму предмета, например сферичность шара. Этот эффект достигается тем, что в информационную перчатку вмонтированы устройства тактильной обратной связи, В нужный момент времени эти устройства надавливают на конники пальцев, создавая, эффект, иллюзии касания, виртуального объекта, позволяют ощутить «тяжесть» объекта.

Перчатка может оценивать положение и изгиб каждого пальца.

Это обеспечивается использованием оптико-волоконных нитей, фиксирующих количество света, проходящего через каждую нить.

Контакт пользователя с системой может осуществляться голосом, при этом управляющие команды вводятся в ЭВМ с помощью микрофона.

Специальное устройство джойстринг обеспечивает эффект обратной силовой связи. При управлении с помощью джойстринга виртуальным автомобилем, который делает крутой поворот на большой скорости, возникает ощущение вырывающегося из рук руля.

Конструкция шлема отслеживает движение головы, и синхронно с наклоном и поворотом головы меняется картина обзора. Встроенная в шлем система датчиков фиксирует движения головы и передает данные на компьютер, который постоянно заново пересчитывает перспективу при малейшем движении испытуемого в виртуальном мире.

Для описания виртуальной реальности создан специальный язык – VRML (Virtual Reality Modelling Language), на базе которого различные фирмы создают программные средства.

ВР позволяет изнутри рассмотреть систему кровообращения, побывать внутри сердца, позвоночного столба, пищевода. Рассмотреть со всех сторон скелет. Увидеть строение глаза, уха, мышц. Увидеть, как возникает атеросклероз. Изучить механизм движения отдельных частей скелета. Иллюзия объемности столь велика, что создается впечатление, что кисть скелета сильно выдвигается из дисплея.

Ведутся работы по созданию виртуального муляжа человеческого тела, с помощью которого студенты-медики смогут изучать анатомию.

Традиционные системы ВР позволяют имитировать движение, однако пользователь в это время неподвижно располагается в кресле. Братья Нурахмед и Нурулла Латыповы (Россия) изобрели устройство для свободного перемещения пользователя по виртуальному миру.

Это устройство названо авторами «Виртуальная сфера». Оно представляет собой полую сферу, размер которой таков, что позволяет внутри ее двигаться взрослому человеку. Диаметр сферы 2,6 м, вес всего около 100 кг. Сфера устанавливается на колеса-опоры, которые могут вращаться вокруг любой из своих осей. Благодаря такой опоре и сама сфера свободно вращается в любом направлении.

Перед тем как войти в сферу через люк, пользователь надевает специальный костюм. На спине костюма находится компьютер-ноутбук. К ЭВМ подключены встроенные в костюм датчики и шлем.

Положение и жесты пользователя определяются по показаниям датчиков, фиксирующих величину углов между частями тела.

С ее помощью пользователь сможет обучаться боевым искусствам, спортивным, танцевальным движениям в интерактивном (диалоговом) режиме с компьютерным учителем, делать пешеходные прогулки по самым знаменитым городам мира.

Можно предположить, что в недалеком будущем с помощью технологии виртуальной реальности дополнительно будут осуществляться воздействия на обоняние, вкусовые ощущения, на эмоции и чувства (например, вызывать чувства жажды, радости или страха).