Вы можете написать и разместить на портале статью.

Как работает виртуальная реальность

Если вам больше импонирует последний вопрос, то вы скорее всего программист или инженер, которые стараются избегать «виртуальной реальности», хотя им часто приходится работать с новыми технологиями, связанными с виртуальной реальностью.

Что кроется под этим названием?

В мире существует ряд синонимов для определения понятия «виртуальная реальность». Например, кибер пространство (термин был предложен автором научной фантастики Уильямом Гибсоном), искусственная реальность, виртуальное присутствие и т.д.

Несмотря на разные названия, основной смысл остается неизменным – это «использование компьютерных технологий для создания нереального, фальшивого, трехмерного мира, которым человек может управлять». Для достижения этой цели ученые, теоретики и инженеры постоянно разрабатывают десятки новых устройств и программ. И хотя ученые до сих пор спорят о том, из чего должна складываться настоящая виртуальная реальность, существуют общие элементы виртуальной реальности:

-- Трехмерные изображения, которые для пользователя должны казаться реальными
-- Специальное оборудование, которое поможет отследить состояние пользователя, а именно его движение головы и глаз, и в соответствии с этим разместить на дисплее соответствующие изображения.

Погружение в виртуальную реальность

В виртуальной реальности у человека создается впечатление, что он находится внутри чужого, но в то же время реального этого мира. Он может вмешиваться в процессы со знанием дела. Чувство погружения в иной мир и способность действовать в нем называется дистанционным присутствием. Доктор наук Джонатан Штойер определил это следующим образом: «человек с одной стороны понимает, что он находится в опосредованной среде, но в то же время он осознает, что помещен в неопосредованное физическое пространство». Иными словами, действующая виртуальная реальность заставляет вас полностью забыть о том, что происходит вокруг вашего физического тела и фокусирует все ваше внимание на виртуальном мире. Исходя из этого, Джонатан Штойер предложил два основных компонента погружения в ВР: глубина и ширина информации. Под глубиной информации понимается количество и качество данных, заключенных в сигнале, который пользователь получает, когда попадает в ВР. Для пользователя глубина информации заключается в разрешении экрана, сложности графики окружающей среды, звуке и т.д. Под шириной информации Штойер понимает «количество чувствительных размеров представленных одновременно». Поскольку ВР одновременно стимулирует все чувства человека, то она должна обладать шириной информации. Наиболее важными компонентами виртуальной реальности являются зрительные и звуковые эффекты, играющие в данном случае более важную роль, чем другие факторы восприятия. Однако многие ученые пытаются найти решение, как реализовать в виртуальной реальности чувство осязания.

Виртуальная реальность

Для того чтобы человек мог полностью погрузиться в ВР, все в этом мире должно казаться как можно больше правдоподобным. Если для ВР используется 3-D звук, то нужно следить за тем, чтобы он менялся как в жизни во время движения человека. Очень важно, чтобы в этой реальности было задействовано как можно больше чувств человека. Если в виртуальной реальности будет полная тишина, то человек может и не поверить в нее. Даже легкое дуновение ветерка может заставить человека поверить в реальность этого мира. То же самое касается и чего-то экстремального, если по плану человек должен оказаться в сердце бушующего урагана, то ни в коем случае он не может чувствовать запах роз или легкое дуновение ветра.

Реальные виртуальные объекты

Ученые бьются над тем, чтобы разработать как можно более правдоподобные объекты виртуальной реальности, заставить человека не только видеть и слышать эту реальность, а также ощущать ее как в реальной жизни. Когда человек одевает шлем-дисплей или другое периферийное устройство, используемое в системах виртуальной реальности, он погружается в иной нереальный мир. Смотря на реальные объекты, на экране человек видит их виртуальные очертания. Когда человек подходит к ним ближе и дотрагиваться до них, они принимают форму реальных объектов, но в виртуальном мире. Все что человек делает с этими объектами в реальном пространстве, отображается в виде виртуальных объектов в виртуальном мире.

Любая задержка кадра или звука, иными словами не совпадение действий виртуального и реального миров, называется латентностью. Латентностью обычно называют задержку изменения, когда пользователь уже повернул голову или бросил взгляд на другой объект, а изменения в картинке не произошли. Хотя латентностью можно считать любую задержку чувственного восприятия. Исследования показывают, что человек может заметить латентность даже в 50 миллисекунд. Когда человек замечает эту латентность, он может осознать, что находится в неком искусственном мире и тогда у него может пропасть чувство погруженности.

Взаимодействие человека с виртуальной реальностью

Погрузится в виртуальную реальность только полдела, а вот заставить человека поверить и ощутить происходящее в нереальном мире - не простая задача, потому что для этого должно происходить некое взаимодействие человека с виртуальным миром. Ранние технологии не давали человеку возможности что-либо менять или дотрагиваться до предметов, человек был полностью пассивен. Шлем-дисплей просто позволял пользователю просматривать заранее записанную пленку на экране. Человека усаживали в двигающее кресло и включали своего рода фильм. Кресло двигалось в соответствии с действиями, происходившими на экране. Если, например, по сюжету в лицо главного героя должен был дуть ветер, то перед ним включали беззвучный вентилятор, который и создавал этот эффект. Однако на этом этапе человек не мог ничего изменить: это больше напоминало фильм со спецэффектами, чем погружение в виртуальную реальность. В наше время ученым удалось значительно усовершенствовать процесс виртуальной реальности. Подобную технологию даже стали использовать для виртуальных американских горок. Например, развлекательный парк DisneyQuest в Орландо, штат Флорида, предлагает своим посетителям новый аттракцион CyberSpace Mountain («Киберпространственные Горки»). Посетитель этого аттракциона может выбрать из списка или сам нарисовать свой маршрут американских горок, а затем прокатится по нему в виртуальном кресле. Однако, в данном случае посетитель аттракциона не взаимодействует с виртуальным миром, поэтому эту технологию никак нельзя назвать настоящей виртуальной реальностью в современном понимании этого слова.

На взаимодействие человека и виртуальной реальности влияет множество факторов. Штойер считает, что наиболее существенными факторами является скорость, диапазон и картография. Под скоростью Штойер понимает быстроту, с которой компьютер может обработать действия человека и послать ему другой стимул. Диапазон определяет возможные действия пользователя. А картография – это способность самой системы создавать дальнейший маршрут пользователя в зависимости от его действий.

Движение по виртуальной реальности является одним из видов взаимодействия человека и ВР. Если человек может спокойно передвигаться по местности и сам выбирать себе путь в этой среде, то это можно назвать интерактивным опытом. Однако большинство виртуальных миров включает и другую форму взаимодействия, поскольку уже через несколько минут простого хождения человеку все это может надоесть. Мери Уиттон отмечает, что не совсем хорошо продуманная реальность, в которой человек принимает мало участия, может утомить его и человек поймет, что он находится в неком искусственном мире. Но если виртуальная реальность вызывает интерес у человека и тот готов принять ее, то тогда человек полностью погружается в виртуальный мир и ведет себя так, как если бы это происходило в реальности.

Под интерактивностью также понимается возможность человека влиять на окружающую его среду в виртуальном мире. Но если в программе произойдет сбой или поступок человека будет не предусмотрен программой, то это может разрушить чувство его виртуального присутствия.

Устройства для виртуальной реальности

Сегодня большинство систем ВР подсоединяются к компьютеру. Персональные компьютеры способны запустить программное обеспечение необходимое для создания виртуальной реальности. Сама по себе виртуальная реальность напоминает нечто вроде видеоигры, в которой человек и является главным героем.

Однако для того чтобы запустить «игру» с виртуальной реальностью необходимо специальное оборудование. Чаще всего для этого используют шлем-дисплей, который состоит из наушников и двух небольших экранов для каждого глаза. В первых шлемах-дисплеях использовали мониторы на основе электронно-лучевой трубки, из-за чего они были очень громоздкими, но воспроизводили хорошее качество изображения. Позже их стали изготовлять с жидкокристаллическими экранами, что было гораздо дешевле, однако при этом сильно терялось качество воспроизведения по сравнению с электронно-лучевыми мониторами. Сегодня же LCD дисплеи намного усовершенствованны, в них картинка кажется более красочной, четкой и реалистичной.

Другие же системы ВР могут проектировать изображение на стены, пол или потолок. Такие устройства называют камерами автоматической виртуальной среды (CAVE). Первая такая камера была разработана учеными университетов Иллинойс и Чикаго, для создания которой они использовали метод обратной проекции (проекция изображения на просветный экран, при которой зритель и проекционное оборудование находятся по разные стороны экрана). В этом случае человек двигался по «экрану» в специальных очках только по виртуальному миру. Человеку все казалось более объемным и реальным, что еще больше заставляло его погружать в виртуальный мир. Более того такая технология позволяла даже целой группе людей погружаться в одну общую виртуальную реальность. Правда, в этом случае виртуальной реальностью мог управлять только один человек, в то время как все остальные были пассивными зрителями. Недостаток данной технологии состоял в том, что для такой виртуальной реальности необходимо слишком дорогостоящее оборудование и большая площадь, чем для других технологий.

Еще одной технологией ВР является система слежения. Система слежения анализирует ход мыслей человека, а затем компьютер посылает ему «правильные» изображения на зрительный экран. Но большинство таких систем ограничивают движение человека, поскольку он соединен с компьютером специальными проводами. Данная технология не получила большого развития по сравнению с другими из-за того, что ограниченна только одной областью применения, т.е. только виртуальной реальностью. Для создания виртуальной реальности также необходимы устройства ввода. В настоящий момент устройства ввода варьируют от простых пультов с двумя-тремя кнопками и до электронных перчаток и устройств распознавания голоса. Однако до сих пор не существует одной универсальной системы. И разработчики ВР постоянно пытаются создать как можно больше правдоподобную иллюзию нахождения в виртуальном пространстве. Для этого они используют наиболее распространеннее устройства ввода:

Джойстики
Шаровые манипуляторы
Управляющие перчатки
Датчики движения
Бегущие дорожки
Игры виртуальной реальности

Ученые также работают над созданием биодатчиков для виртуальной реальности. Биодатчики могут выявить и интерпретировать активность нервов и мышц. Компьютер обрабатывает всю полученную информацию с биодатчиков и согласно ей воспроизводит обычные движения человека в виртуальной реальности. Такие биодатчики можно прикрепить к коже или установить в управляющую перчатку или специальный костюм человека. Единственное, что необходимо учесть, что каждый костюм должен быть сшит специально для данного пользователя, иначе биодатчики не смогут плотно прилегать к телу человека, и правильно обрабатывать информацию. Многие ученые верят в то, что индустрия развлечения может значительно помочь в разработке технологий для виртуальной реальности. В последнее время индустрия видеоигр поднялась на более высокий уровень развития – улучшилось изображение игр и звуковое сопровождение. Разработчики ВР планируют позаимствовать у них эту технологию для создания еще более реальной иллюзии нахождения в виртуальном пространстве. Использование ВР в интернете Некоторые программисты планируют сделать интернет в качестве трехмерного виртуального пространства с «виртуальными панорамами». Веб сайты будут выполнены в трехмерной графике, что значительно упростит поиск пользователя. Программисты уже даже разработали несколько языков программирования:

Язык моделирования виртуальной реальности (VRML)- самый первый «трехмерный» язык моделирования для веб страниц.

Язык манипулирования данными (3DML) – язык программирования с трехмерной организацией, благодаря которому пользователь сможет посетить любой веб сайт через большинство браузеров интернета после установления дополнительной программы.

X3D – это язык программирования, который используется для создания виртуального пространства в интернете.

Конечно, многие эксперты в области виртуальной реальности могут заявить, что без специального шлема-дисплея эта система не будет работать, но стоит отметить, что такая система не будет настоящей виртуальной реальностью, поскольку она все равно не сможет отслеживать поведение пользователя и отображать изображения в полный рост.

Сферы применения виртуальной реальности

В начале 1990-х годов виртуальная реальность еще только находилась на стадии развития, и ограничивалась лишь несколькими «квадратными» шахматными фигурками на шахматной доске. Но с развитием индустрии развлечения виртуальная реальность стала наращивать свои темпы развития. Ее стали использовать в кинотеатрах и для создания видеоигр. Позже с помощью ВР многие архитекторы начали создавать фасады зданий, еще до того как закладывали сам фундамент. Заказчики проекта могли свободно путешествовать по виртуальному зданию, задавать вопросы архитектору и вносить свои изменения в его дизайн. Виртуальная реальность давала значительно больше возможностей заказчикам при выборе дизайна здания, чем миниатюрный макет со снимающейся крышей.

Производители автомобилей тоже используют виртуальную реальность для создания прототипов новых автомобилей, где они также тестируют свои образцы в разных условиях. Благодаря этому дизайнеры могут устранять выявившиеся недостатки автомобиля прямо на экране, не переделывая саму машину. Этот метод был значительно эффективнее всех других и менее дорогостоящим.

Также программы с виртуальной реальностью использовали для обучения солдат, летчиков, космонавтов и медиков.

Виртуальная реальность способствовала развитию медицины, ведь в таких условиях можно было спокойно обучать новых медиков, не опасаясь за здоровье пациента. В некоторых случаях виртуальную реальности использовали для проведения так сказать предварительной операции, когда врач делал операцию в виртуальном мире и смотрел за своими ошибками, чтобы потом устранить их на практике. Также развитие ВР привело к тому, что операцию стали проводить с помощью роботов. Первая операция с участием робота была произведена в 1998 году в одной из больниц Парижа. Единственный недостаток такой операции заключается в том, что во время работы устройств ВР могут произойти сбои или задержка, которые могут стоить пациенту жизни.

Пилотажные тренажеры являются разновидностью систем виртуальной реальности. Все летчики и космонавты перед полетом тренируются на таких тренажерах для того, чтобы быть готовым ко всем трудностям, которые могут возникнуть во время полета. Летчики и космонавты пытаются управлять своим виртуальным самолетом или шатлом при любых погодных условиях – во время грозы, тумана, ветра, метеоритного дождя и т.д. Для этого существуют специальные программы. И хотя такое оборудование для виртуальной реальности стоит несколько десятков тысяч долларов, пилотажный тренажер все равно выходит дешевле, чем если проводить обучение на настоящих летательных аппаратах.

Трудности ВР

Самой большой трудностью, возникающей при создании виртуальной реальности, является разработка специального оборудования и системы слежения для того, чтобы построить как можно более реальный мир в виртуальном пространстве. Все существующие в наше время компании по производству систем слежения настолько мелкие, что они не способны справиться со сложной задачей, возложенной на их плечи. Более того не так уж много предприятий, разрабатывающих устройства ввода только для виртуальной реальности. Что касается создания виртуальных миров, то тут тоже все не так гладко, на создание более правдоподобного виртуального пространства могут уйти годы. Целой группе программистов может понадобиться больше года только на то, чтобы сделать точную копию существующей комнаты в виртуальном мире.

Еще одной трудностью является создание такой системы, которая бы не взаимодействовала с человеком. Во многих системах используется программное обеспечение, которое может оказывать негативное воздействие на человека, например, угнетать его или загружать большим объемом информации. Из-за неправильно разработанного программного обеспечения может нарушиться контакт человека с виртуальной реальностью, снизится восприятие виртуального присутствия и человек даже может ощутить «кибер-болезненность», основными симптомами которой является нарушение координации и тошнота. Однако не все люди подвержены этому заболеванию в равной степени. Некоторые могут путешествовать по виртуальному миру часами и чувствовать себя вполне прекрасно, в то время как другие уже через несколько минут не могут избавиться от преследующего их чувства тошноты.

Психологи считают, что погружение в виртуальную реальность поможет психологически повлиять на пациента, и помочь ему побороть свои комплексы или решить мучающие его проблемы. Однако, на практике существует риск того, что система развлечений ВР может вырастить новое поколение детей с отклоненной психикой. Другие же психологи не согласны с тем, что компьютерные игры способны влиять на психическое состояние детей, но в одном они согласны – все видеоигры и виртуальная реальность могут вызывать привыкание.

История развития виртуальной реальности

Понятие виртуальной реальности появилось еще несколько десятков лет назад, но люди узнали об этом феномене только в начале 1990-х годов. В середине 1950-х годов один кинематограф по имени Мортон Хейлиг решил создать нечто удивительное, что поразило бы публику. В 1960 году он сконструировал нечто вроде игровой приставки и назвал ее Sensorama. В комплекте к приставке шел стереоскопический экран, кулера, эмитеры запаха, стерео колонки и двигающееся кресло. Он также создал специальный телевизор, позволяющий смотреть программы в трехмерном измерении. В то время зрители еще пассивно смотрели фильм, но это был первый шаг к развитию виртуальной реальности.

В 1961 году инженеры корпорации Philco разработали первый шлем-дисплей, получивший название Headsight. Шлем состоял из видео экрана и системы слежения, которую инженеры подсоединили к замкнутой системе видеослежения. Этот шлем был предназначен для использования в опасных ситуациях - пользователь мог наблюдать реальную окружающую среду как бы отдаленно, регулируя ракурс поворачиванием головы. Подобное устройство использовали и пилоты. К шлему подсоединяли инфракрасные камеры, прикрепленные к основанию самолетов, которые позволяли пилотам ориентироваться на местности даже в ночное время суток.

В 1965 ученый по имени Иван Сатэрланд создал новое устройство “Ultimate Display.” С помощью этого дисплея человек мог заглянуть в виртуальный мир, который ему казался настоящим реальным миром. Его изобретение дало новый толчок для развития целой науки о виртуальном пространстве. Концепция Сатэрланда:

Виртуальный мир, воспроизводимый через шлем-дисплей, должен казаться реальным любому наблюдателю. Создавать модель виртуального мира в режиме реального времени можно с помощью компьютера

Дать человеку возможность управлять виртуальными объектами, как это можно делать в реальной жизни В 1966 году Сатэрланд сконструировал новую модель шлема, которая уже подсоединялась к компьютерной системе (раньше шлем подключался только к камерам). Компьютер формировал изображения и отображал их на экране. Новая модель шлема могла одновременно с изображением воспроизводить стерео звук, что создавало пространственную иллюзию, и когда человек поворачивал голову, мгновенно менялось изображение.

Развитие виртуального мира

С развитием науки виртуальной реальности НАСА, Министерство обороны и Национальный научный фонд начали финансировать большую часть научных исследований в данной области. ЦРУ пожертвовало 80 000 $ в исследования Сатэрланда. Первые достижения в этой отрасли науки использовали главным образом в целях обучения пилотов.

Долгие годы развитие этой отрасли правительство держало в секрете. Только в 1984, когда ученый по имени Майкл Макгривай разработал «человеко-машинный интерфейс», СМИ быстро распространили эту новость почти по всему миру. Человеко-машинный интерфейс до сих пор играет немаловажную роль в исследованиях виртуальной реальности. Однако, сам термин «виртуальная реальность» предложил Джерон Ланиер в 1987 году. В 1990-е годы СМИ подхватили концепцию виртуального мира и убедили всех людей в том, что это новое достижение науки может полностью изменить наше представление о жизни. Постепенно многие люди поняли, что их просто обманули, поскольку устройства виртуальной реальности были еще мало разработаны и не могли делать то, о чем говорилось в СМИ, поэтому постепенно интерес народа к этой отрасли угас. Сегодня разработчики виртуальной реальности не делают громких заявлений о новых возможностях, как это было раньше, и даже стараются не употреблять термин «виртуальная реальность». Но кто знает, возможно, уже в скором будущем виртуальная реальность в какой-то степени заменит наш мир.