Как это работает: виртуальная реальность

Что вы думаете о том, когда слышите слова «виртуальная реальность» (Virtual Reality, VR)? Вы представляете для себя кого-либо носящего неловкий шлем, присоединенный к компу толстым кабелем? Вы думаете Нео и Морфеус тащатся от Матрицы? Либо вы вздрагиваете лишь только от 1-го термина?

Ежели крайнее относится к для вас, то вы, возможно, ученый-компьютерщик либо инженер, почти все из которых в текущее время просто избегают слов «виртуальная реальность», даже когда они работают над технологиями, которые впрямую соединены с сиим. Сейчас вы, вероятнее всего, почаще слышите термин «виртуальная среда» (Virtual Environment, VE), который люди употребляют для обозначения того, что общественность знает как виртуальная действительность. В нынешней свежайшей статье я буду применять взаимозаменяемые определения.

Виртуальная действительность. Что же все-таки это такое
Именование технологии расползается в различные стороны, но концепция остается той же — используя компьютерные технологии, создается имитация трехмерного мира, которым юзер может управлять и изучить, чувствуя себя как в истинной действительности. Ученые, теоретики и инженеры разработали 10-ки устройств и приложений для заслуги данной цели. Есть разные представления о том, что конкретно представляет собой настоящий экспириенс виртуальной действительности (VR), но в целом она обязана включать в себя последующее:

    Трехмерные изображения, которые кажутся в истинную величину исходя из убеждений юзера
    Возможность выслеживать движения юзера, а именно голову и движения глаз, и, соответственно, корректировка изображения на экране юзера, чтоб отразить изменение в перспективе


В данной статье мы разглядим определяющие свойства виртуальной действительности, некие технологии, использующиеся в системах виртуальной действительности, несколько приложений, также некие опаски по поводу виртуальной действительности и короткую историю дисциплины. В последующем разделе я расскажу для вас, как спецы определяют действительные виртуальные среды, и начнем мы с погружения.

Виртуальная действительность. Погружение
В окружающей среде виртуальной действительности юзер испытывает так называемое погружение либо чувство того, что он находится снутри чего-то и являются частью того мира. Также человек, находящийся в виртуальной действительности, способен вести взаимодействие со своим окружением в важных отношениях. Сочетание чувства погружения и интерактивности именуется телеприсутствием. Компьютерный ученый Джонатан Стиор обусловил его, как «степень, в какой ощущаешь присутствие в опосредованной среде, а не в конкретной физической среде». Иными словами, действенный опыт VR принуждает вас становиться не сознающими свою настоящую среду и сосредоточить внимание на существовании снутри виртуальной среды.
Программер предложил два главных компонента погружения: глубина инфы и широта инфы. Глубина инфы относится к количеству и качеству данных в сигналах, которые юзер получает, взаимодействуя в реальной виртуальной среде. Для юзера это — разрешение рисунки, сложность графики окружающей среды, изощренность звукового выхода системы и т.д.. Стиор описывает размер инфы, как «количество сразу представленных сенсорных измерений». Опыт виртуальной среды имеет широкий размер инфы, ежели она провоцирует все чувства человека. Большая часть реальных событий виртуальной среды располагает по ценностям зрительные и аудио составляющие по иным сенсорно-стимулирующим факторам, но все большее количество ученых и инженеров изучают методы интеграции осязания юзера. Системы, которые предоставляют юзерам оборотную связь и взаимодействия с сенсорным экраном именуют тактильной системой.
Для действенного погружения нужно, чтоб юзер мог изучить то, что оказывается в истинную величину в виртуальной среде и быть в состоянии поменять перспективы органично. Ежели виртуальная среда состоит из одной подставки в центре комнаты, у юзера обязана быть возможность просмотреть это место из хоть какого угла и точка зрения обязана сдвигаться зависимо от того, куда глядит юзер. Доктор Фредерик Брукс, пионер в технологии и теории VR, гласит, что мониторы должны проецировать изображения с частотой кадров более 20-30 кадров за секунду, чтоб сделать убедительный пользовательский опыт.

Виртуальную действительность именуют почти всеми иными наименованиями, не считая виртуальной среды. Остальные определения для виртуальной действительности содержат в себе киберпространство (слово выдумано писателем-фантастом Уильямом Гибсоном), искусственную действительность, дополненную действительность и телеприсутствие.

Виртуальная действительность. Окружающая среда
Остальные сенсорные выходные данные из системы виртуальной среды следует корректировать в режиме настоящего времени, в то время как юзер изучит окружающую среду. Ежели окружающая среда содержит в себе трехмерный звук, юзер должен быть убежден, что ориентация звука меняется естественным методом, так как он маневрирует через окружающую среду. Сенсорная стимуляция обязана быть поочередной, ежели юзер желает ощущать себя погруженным в виртуальную среду.

Время меж тем, когда юзер совершает какое-либо действие и когда виртуальная среда начинает отображение этого деяния, именуется задержкой. Задержка обычно предполагает собой задержку меж моментом, когда юзер поворачивает голову либо перемещает собственный взор, изменяя тем точку зрения, хотя этот термин быть может применен для задержки в остальных сенсорных выходных данных. Исследования с авиационными тренажерами демонстрируют, что люди могут найти задержку наиболее чем за 50 миллисекунд. Когда юзер обнаруживает задержку, она принуждает его понять нахождение его в искусственной среде и разрушает тем чувство погружения.

Интерактивный эффект начинает, говоря обычным языком, исчезать, ежели юзер начинает чувствовать настоящий мир вокруг него. Лишь истинные интерактивные эффекты либо реальная атмосфера погружения принуждают юзера запамятовать свою настоящую среду. Для того, чтоб достигнуть цели, настоящего погружения, создатели должны придумать способы ввода, которые являются наиболее естественными для юзеров. Пока юзер знает о устройстве взаимодействия, он по сути не погружается в виртуальный мир. В последующем разделе мы разглядим иной нюанс телеприсутствия: интерактивность.

Виртуальная действительность. Интерактивность
Погружение в виртуальную среду — это одно, но для юзера, чтоб ощущать себя по-настоящему частью этого несуществующего места, также должен находиться элемент взаимодействия. Приложения с внедрением системы виртуальной среды, находящиеся на ранешней стадии, сейчас разрешают юзеру иметь относительно пассивный опыт.

Сейчас вы сможете отыскать виртуальные южноамериканские горки, например, которые употребляют этот же самый вид технологии. DisneyQuest в Орландо, штат Флорида, владеет своими кибепространственными горами, где люди могут разрабатывать собственные южноамериканские горки, а потом при помощи специального оборудования испытывать свои творения. Система по сути чрезвычайно захватывающая, но не считая исходной стадии проектирования нет никакого взаимодействия, потому данный вариант не является примером истинной и настоящей виртуальной среды. Если говорить о виртуальной реальности и играх, то стоит поиграть в игры выход из комнаты, благодаря полному погружению в среду вы сможете получить новые впечатления от обычных квестов.

Интерактивность зависит от почти всех причин. Стиор подразумевает, что те же три фактора — это скорость, дальность и картография. Ученый описывает скорость как уровень, включающий деяния юзера в компьютерную модель и отображающий виртуальный мир таковым образом, которым может ощущать сам человек. Спектр всего этого относится к тому, сколько вероятных исходов могло следовать из хоть какого пользовательского деяния. Картография — способность системы привести к естественным результатам в ответ на деяния юзера.
Навигация в виртуальной среде является одним из видов интерактивности. Ежели юзер может навести свое движение в киберпространстве — это можно именовать интерактивным опытом. Большая часть виртуальных сред содержат в себе остальные формы взаимодействия, потому что юзерам может просто стать скучновато опосля нескольких минут использования одной из этих форм. Ученый Мэри Уиттон показывает, что плохо разработанная форма взаимодействия может резко понизить чувство погружения, в то время как поиск путей вероятного решения и налаживания данной трудности могут прирастить его. Когда виртуальная среда по-настоящему увлекательна и презентабельна, юзер в основном готов убрать свое недоверие на 2-ой план и погрузиться в этот мистический мир.

Настоящая интерактивность также содержит в себе возможность изменять окружающую среду виртуального мира. Отменная виртуальная среда будет реагировать на деяния юзера таковым образом, что имеет смысл, даже ежели это имеет смысл лишь в границах реальной виртуальной среды. Ежели виртуальная среда меняется диковинными и непредсказуемыми методами, она рискует повредить чувство телеприсутствия юзера.

В последующем разделе мы разглядим некие из аппаратных средств, применяемых в системах виртуальных сред.

Погружение против взаимодействия
Создатели нашли, что юзеры испытывают наиболее мощное чувство телеприсутствия тогда, когда взаимодействие осуществляется просто и любопытно, даже ежели виртуальная среда не фотореалистична, в то время как близкие к реальности киберпространства, которые не имеют способности для взаимодействия с юзером, вызывают совершенную утрату энтузиазма относительно стремительно.

Виртуальная действительность. Аппаратные системы
В текущее время большая часть систем VE рассчитаны на управление нормальными компьютерами. Индивидуальные компы довольно сложные, чтоб создать и запустить программное обеспечение, нужное для сотворения виртуальных сред. Графика, обычно, обрабатывается сильными видеоплатами, вначале созданными для томных трехмерных игр. Та же видеоплата, которая дозволит игроку играться в World of Warcraft, возможно, подойдет и для продвинутого киберпространства.

Также системам виртуальной действительности нужны методы отображения изображений для юзера. Почти все системы употребляют HMD (Head-Mounted Display либо, говоря обычным языком, «одеваемые на голову дисплеи», также известные еще больше сухим языком как шлемы виртуальной действительности). Обычно такие системы представляют из себя неловкие штуки, в которые интегрированы два монитора (два монитора для 2-ух глаз, соответственно). Таковым образом, создается настоящий стереоскопический эффект с иллюзией глубины. Старенькые модели шлемов виртуальной действительности употребляли катодно-лучевые трубки (Cathode Ray Tube, CRT) — обычный тип проекторов. Это мониторы, которые по своим размерам были массивные, но выдавали неплохого свойства и разрешения картину. Кроме их использовались еще жидкокристаллические мониторы (Liquid Crystal Display, LCD). Крайние были существенно дешевле, но были не в состоянии соперничать с качеством LRT-дисплеев. Сейчас ЖК-дисплеи еще наиболее продвинутые, с усовершенствованными разрешением и насыщенностью цветов, и стали наиболее всераспространенными, чем LRT-дисплеи.
Остальные системы VE проецируют изображения на стенках, полу и потолке комнаты. Именуются подобные системы аббревиатурой CAVE (Cave Automatic Virtual Environments, ПЕЩЕРА) — это иммерсивная виртуальная действительность, где прожекторы ориентированы на три, четыре, 5 либо 6 стенок размером с комнату куба. Заглавие является отсылкой на аллегорию пещеры в «Государстве» Платона, в каком философ увидел восприятие, действительность и иллюзию.

Институт штата Иллинойс, Чикаго, разработал 1-ый в мире экран CAVE, используя проекционную технику для перевода изображений на стенку, пол и потолок малеханькой комнаты. Юзеры могут передвигаться по «пещере», и при всем этом должны носить особые очки, чтоб сделать завершенную иллюзию перемещения через виртуальную действительность. Системы CAVE предоставили юзерам еще наиболее обширное поле зрения, что помогает при погружении в киберпространство. Естественно, и без минусов не обошлось — «пещеры» чрезвычайно дорогие и требуют значительно больше места, чем остальные системы.
Тесновато связанными с технологией отображения являются системы слежения. Системы слежения анализируют ориентацию точки зрения юзера так, что it система отправляет правильные изображения зрительного отображения. Большая часть схожих систем просит от юзера привязки в буквальном смысле к кабелям с блоком обработки, ограничивая таковым образом спектр движения, доступных ему. Разработки технологий слежения имеют тенденцию отставать от остальных технологий VR, так как рынок таковых технологий, приемущественно, сосредоточен на VR. Потому нет того же энтузиазма к развитию схожих технологий и вообщем новейших методов отслеживания данных.

Устройства ввода также важны в системах виртуальной действительности. В текущее время устройства ввода варьируются от контроллеров с 2-мя либо 3-мя клавишами для электрических печаток до программного обеспечения для определения голоса. Не существует обычной системы контроля по дисциплине. Ученые и инженеры, посвятившие свою жизнь виртуальной действительности, повсевременно изучают методы сделать внедрение человека в виртуальную действительность как можно наиболее естественной, чтоб прирастить чувство телеприсутствия. Некие из более всераспространенных форм устройства ввода:

    Джойстики
    Трекболы
    Палочки-контроллеры
    Электрические перчатки
    Определение голоса
    Трекеры движения
    Беговые дорожки


Виртуальная действительность. Игры
Ученые также изучают возможность разработки биосенсоров для использования VR. Биосенсоры можно найти и интерпретировать нервишки и мышечную активность. При правильной калибровке биосенсора, комп может интерпретировать как юзер движется в физическом пространстве и перевести надлежащие движения в виртуальную действительность. Биосенсоры могут быть присоединены конкретно к коже человека, либо могут быть интегрированы в перчатки либо трико. Одним из ограничений для биосенсора являются костюмчики — они должны создаваться на заказ для каждого человека либо датчики просто не будут выстраиваться на теле юзера верно.

Мэри Уиттон из UNC-Chapel Hill считает, что промышленность развлечений будет провоцировать большая часть технологий VR идти вперед. Промышленность видеоигр а именно содействовала достижению графических и звуковых способностей, что инженеры могут применять в конструкции систем виртуальной действительности. Единственное, что является увлекательным по воззрению Уиттона — палочка-контроллер в игровой консоли Nintendo Wii. Контроллер находится в вольной продаже, владеет неким набором функций слежения и завлекает к для себя людей, которые обычно не играют в видеоигры. С отслеживающим устройством ввода, которые обычно отстают от остальных технологий виртуальной действительности, этот контроллер быть может первым из новейшей волны технологических достижений, нужных для систем виртуальной действительности.
Некие программеры фантазируют на эту тему, представляя развитие Веба в трехмерном виртуальном пространстве, где нужно перебегать виртуальные ландшафты для доступа к инфы и утехам. Сайты могут принимать трехмерные формы, что дозволяет изучить интересности юзерам еще наиболее буквальным образом, чем ранее. Не считая того, программеры разработали несколько разных языков программирования и веб-браузеров для заслуги этого необыкновенного видения. Некие их их включают:

    Язык моделирования виртуальной действительности (Virtual Reality Modeling Language, VRML) — самый 1-ый трехмерный язык моделирования для глобальной сети.
    3DML — трехмерный язык моделирования, где юзер может посетить место (либо сайт) через большая часть интернет-браузеров опосля установки плагина.
    X3D — язык, который поменял собой VRML в качестве эталона для сотворения виртуальных сред в Вебе.
    Совместная проектная деятельность (Callaborative Design Activity, COLLADA) — формат, применяемый для перевоплощения файлов в трехмерные программки.


Естественно, специалисты по VE говорят, что без систем HMD (шлемов виртуальной действительности), системы на базе Веба не являются реальными виртуальными средами. Им не хватает принципиальных частей погружения, в особенности отслеживания и отображения изображений в истинную величину.

Виртуальная действительность. Сферы внедрения
Сначала 1990-х годов экспозиция общественности относительно виртуальной действительности изредка выходила за границы относительно притивной демонстрации нескольких угловатых цифер, гонящихся вокруг шахматной доски — все это было еще совершенно сыро. В то время как промышленность развлечений как и раньше заинтересована в приложениях виртуальной действительности, играх и театральных впечатлениях, по-настоящему достойные внимания варианты использования систем VR можно найти в остальных областях.
Некие архитекторы делали и делают до настоящего времени виртуальные модели собственных строй планов, чтоб люди могли, хоть и виртуально, почувствовать структуру до ее основания. Клиенты могут передвигаться через экстерьеры и интерьеры, задавать интересующие вопросцы либо даже предложить какие-либо конфигурации в дизайне. Виртуальные модели могут отдать для вас еще наиболее четкое представление о том, как здание либо комната будет смотреться в конечном варианте.
Авто компании употребляют технологию VR для построения виртуальных прототипов новейших моделей каров, кропотливо проверяя их, до того как создавать физическую модель. Дизайнеры могут заносить конфигурации, не имея кучу металлолома вокруг. Процесс разработки становится наиболее действенным и наименее драгоценным в качестве результата.

Виртуальные среды употребляются и в учебных программках для военных, галлактических программках и даже для студентов-медиков. Военные уже издавна стали сторонниками технологии VR и ее развития. Учебные программки могут включать в себя все: начиная от моделирования тс и заканчивая боевым орудием. В целом, системы виртуальной действительности значительно безопаснее и, в конечном счете, дешевле, чем другие способы обучения. Бойцы, которые прошли через интенсивную подготовку VR, оказались настолько эффективны, как те, кто учится в обычных критериях.
В медицине сотрудники могут применять виртуальные среды для обучения всего: от хирургических процедур до диагностирования пациента. Доктора употребляют технологию виртуальной действительности не только лишь чтоб учить и воспитывать, да и делать разные операции удаленно при помощи автоматических ботов. 1-ый робот-хирург был выпущен в 1998 году в поликлинике в Париже. Наибольшей неувязкой при использовании технологии VR в этом случае является задержка передачи изображения, а это не положительно может сказаться вообщем на процессе операции и, соответственно, ее итоге. Таковым системам нужно предоставлять тонко настроенную сенсорную оборотную связь к доктору.

В последующем разделе мы разглядим некие нюансы и трудности с технологией виртуальной действительности.

Виртуальная действительность. Нюансы и трудности
Заморочек в области виртуальной действительности много, и они чрезвычайно суровые — это и системы слежения, и поиск наиболее естественных методов предоставления юзерам взаимодействия с виртуальной средой, и сокращение времени построения виртуальных пространств, и почти все другое. Есть несколько компаний, специализирующихся на трекинговых системах, которые занимались развитием технологии виртуальной действительности с первых дней ее существования. Большая часть из их — это маленькие компании и выдержали они на плаву недолго. Вообщем создание виртуального места чрезвычайно непростой процесс, потому часто для еще одного творения нужна команда программистов, и времени это может занять наиболее чем год, чтоб дублировать настоящие объекты в точности в виртуальную действительность.

Очередной неувязкой для разрабов систем виртуальной действительности является создание системы, которая была бы лишена нехороший эргономичности. Почти все системы опираются на особое оборудование, различную технику, тем обременяя юзера либо ограничивая свои способности при помощи физических тросов. Без кропотливо обмысленных аппаратных средств юзер может иметь трудности с равновесием, инерцией, утратить чувство телеприсутствия либо даже испытывать киберсикнесс — этакая киберболезнь, симптомы которой могут включать в себя полную дезориентацию и тошноту. Не все юзеры могут захворать киберсикнессом — некие люди способны изучить виртуальные миры часами без каких-то последствий, в то время как остальные могут ощущать тошноту опосля того, как побывали в киберпространстве всего пару минут.
Некие психологи озабочены тем, что погружение в виртуальную среду может психологически воздействовать на человека. Они подразумевают, что системы виртуальной действительности могут ставить юзера в ситуации с применением насилия, также могут привести человека к бесчувственности. На самом деле, психологи молвят явное — развлекательные, на 1-ый взор, системы виртуальной действительности могут породить поколение психопатов. Не считая того, психологи говорят, что неким людям не стоит волнуется о десенсибилизации, но предупреждают, что реальный, настоящий экспириенс VE может привести к собственного рода кибернаркомании.

Иная неувязка — уголовные деяния. В виртуальном мире определяющие деяния, такие как убийства либо злодеяния, проблематичны. Выходит, ежели у человека не выходит сделать хотимое в киберпространстве, он постарается сделать это в реальном мире — разве такое не может произойти? Исследования демонстрируют, что люди могут иметь настоящие физические и чувственные реакции на раздражители в виртуальной среде, и потому полностью может быть, что сделав виртуальное нападение человек может получить по-настоящему чувственную травму. Последующий раздел скажет для вас историю технологии виртуальной действительности. Что ж, погрузимся же в историю настолько необычного творения людского разума.

Виртуальная действительность. История
Концепция виртуальной действительности возникала в течение десятилетий. Обществу стало понятно о умопомрачительной технологии сначала 1990-х годов. Посреди 1950-х годов кинематографист по имени Мортон Хейлиг представил театральный опыт, который будет провоцировать чувства всех зрителей. Он сделал единственную консоль в 1960 году и именовал ее Sensorama — она включала в себя стереоскопический экран, вентиляторы, эмитенты запахов, стереоспикеры и передвигающиеся стулья. Он также изобрел собственный этакий шлем виртуальной действительности, лишь человек не стопроцентно погружался в киберпространство, а мог просто глядеть телек в формате 3D.

Инженеры Philco Corporation разработали 1-ый в мире шлем виртуальной действительности («одеваемый на голову дисплей», Head-Mounted Display, HMD). Продукт получил заглавие «Headsight». Шлем состоял из экрана и системы слежения, которая была связана с закрытой системой камер инженеров. Они предусмотрены в HMD для использования в небезопасных ситуациях — юзер может следить настоящую среду дистанционно, регулируя угол камеры просто поворачивая голову. Лаборатория Bell Laboratories употребляла схожую систему HMD для пилотов вертолетов. Работа шлемов была интегрирована с инфракрасными камерами, прикрепленными к нижней части вертолетов, что дозволяло пилотам иметь точное поле зрения по время полета в мгле.
В 1965 году ученый по имени Иван Сазерленд изобрел то, что он именовал «Ultimate Display». При помощи этого монитора человек мог заглянуть в виртуальный мир, который смотрелся как настоящий, физический мир. Это видение исходило из фактически всех разработок в области виртуальной действительности. Концепция Сазерленда состоит из:

    Виртуальный мир, который кажется настоящим, трехмерная звуковая система и тактильные раздражители
    Комп, который поддерживает модель мира в настоящем времени (лишь представьте для себя мощность этого компа в те годы)
    Манипулирование виртуальными объектами в настоящем мире — интуитивно понятный метод


В последующем 1966 году Сазерленд сделал шлем виртуальной действительности, который был привязан к компьютерной системе. Комп предоставлял все графики для монитора (ранее момента работа шлемов VR могла быть интегрирована лишь с камерами). Он употреблял специальную систему подвеса и провел ее к HMD, потому что сама конструкция очень тяжела для удобного использования человеком. HMD мог показывать изображения с эффектом стерео, создавая иллюзию глубины, и также отслеживались движения головы юзера, потому поле зрения изменялось подходящим образом.

Заключительный раздел коснется темы развития технологии и ее грядущего.

Виртуальная действительность. Развитие и будущее технологии
Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию галлактического места (НАСА), Министерство обороны и Государственный научный фонд финансируют огромную часть исследовательских работ и разработок для проектов виртуальной действительности. Также Центральное разведывательное управление (ЦРУ) выделило 80000 исследовательских баксов для проектов и разработок Ивана Сазерленда.
В течение почти всех лет разработка VR оставалась вне поле зрения общества. Практически все развитие сосредоточено на транспортном моделировании до 1980-х годов. Тогда, в 1984 году, ученый по имени Майкл Макгриви начал экспериментировать с технологией VR в качестве метода интеграции человека в компьютерный интерфейс (Человеко-компьютерное взаимодействие, Human-Computer Interaction, HCI). Человеко-компьютерное взаимодействие как и раньше играет огромную роль в исследовании VR.

Джарон Ланье ввел термин «Virtual Reality» в 1987 году. В 1990-х годах сми прицепились к концепции виртуальной действительности и побежали за ней. В итоге шумиха отдала людям мистические ожидания о том, на что способны технологии виртуальной действительности. Как общественность сообразила, что виртуальная действительность еще не была так сложна, энтузиазм с течением времени ослабел. Термин «виртуальная реальность» начал исчезать с ожиданиями публики. Сейчас создатели VE стараются не гиперболизировать способности либо внедрения систем виртуальной действительности, и тенденция избегать термина «виртуальная реальность», как вы уже могли додуматься, старенькым порядком никуда не делась.