Виртуальная реальность: технологии и их воплощения

Автор: Alex

Многие млекопитающие, в том числе и человек, обладают уникальным даром природы - стереоскопическим зрением. Оно позволяет визуально ощущать не только очертания предмета, но и удаленность каждой точки рассматриваемого предмета. Происходит это потому, что в глаз идет не параллельный пучок лучей в виде трубы, а в виде конуса. К тому же каждый глаз видит изображение под своим углом. В результате совмещения всех лучей в нашем мозгу возникает трехмерное изображение действительности.

Человек всегда пытался моделировать реальность, но лишь после появления преемлимых програмно-аппаратных средств стало возможным моделирование, близкое к реальности. Так появились миры, искуствено созданные человеком, иначе говоря мнимая, виртуальная реальность (хотя с английского слово "virtual" переводится как "действительное"). Но не надо думать, что ВР появилась недавно. Первые виртуальные миры появились задолго до РС-архитектуры. В начале второй половины ХХ века Рэймон Герц из Национальной Аргоннской лаборатории (штат Иллинойс) и Иван Сазерленд из Массачусетсского технологического института разработали первую версию стереоочков виртуальной реальности. Тот же Герц, но уже с Майклом Ноллом из Bell Labs cоздал раннюю модель манипулатьров с обратным тактильным воздействием. Сегодня эта технология известна как ForceFeedback.

C тех пор устройства совершенствуются, появляются новые технологии. Каково же положение дел насегодня? Читайте дальше и вы все узнаете.

Для имитации виртуальной реальности сегодня используется большое количество устройств для каждого из видов рецепторов. В первую очередь это рецепторы зрения и слуха, а затем уж болевой и тактильной чувствительности (в перспективе рецепторы обоняния). Устройства для воздействия на эти нервные окончания могут быть самыми разными.

Очки виртуальной реальности.

Самые ранние - это красно-синие очки. В игровой индустрии применяются они не часто, т.к. игру с самого начала надо делать под них. Единственное, что я могу вспомнить- это "Шестое измерение" от отечественной фирмы "Никита". Этой игре как нельзя лучше подходять стереоочки: в ней мы увидим мир глазами пчелы. Один мой приятель даже свалилися со стула на крутом вираже - настолько реалестичным было изображение. И, что отрадно, игра не требовала мощных систем: отлично шла на Р133&16 Мб RAM.

Существуют и более сложные очки. Принцип их действия заключается в следущюем. На экран выводится изображение для одного глаза в тот момент, когда очки затемняют другой. И, поочередно показывая для каждого глаза свое изображение, очки создают иллюзию трехмерности изображения на экране. Такой тип очков наиболее распространен и прилагается к некоторым видеокартам. При покупке таких очков в комплекте с видеоадаптером их цена может обойтись всего-навсего в $10. Одними из первых в продаже появились очки 3D Magic и их их сегодняшняя цена колеблется в районе $125.

Более современными являются EyeScream от Wicked3D и Сrystal Eyes от Stereographics. Первые более распространены, вторые более профессиональны. Ниже вы видите рисунки СrystalEyes (High- end) и СrystalEyes Wired (базовый уровень).

Есть множестьво других фирм по производству очков ВР, в этой статье приведены лишь некоторые из них.

При использовании "метода затемнения одного глаза" нужно помнить, что для создания такого изображения необходима вдвое большая частота обновления экрана, т.к. система для каждого глаза обрабатывает отдельную камеру, и для каждого глаза выводится свое, невидимое для другого изображение. Так что, если частота регенерации изображения 80 Гц, то для каждого глаза в отдельности она будет лишь 40 Гц. Для наиболее комфортного использования таких очков надо ваставлять частоту около 160-170 Гц.

Виртуальные бинокли.

Эти приспособления уже не просто затемняют поочередно глаза, а сами выводят изображения для каждого глаза. Основа биноклей - активные LCD-матрицы с углом обзора 30-60 градусов. Появились они на рынке сравнительно недавно и не успели завоевать доверие у широких масс. Сегодня можно купить такие бинокли как V6 и V8 от Virtual Research Systems, Virtual Binoculars (VB) от n- Vision, а также и у нескольких других фирм. Как видите выгледят ВР-бинокли все на одно лицо (VB, V8):

Изображение в V8 обеспечивается 1.3" ЖК матрмцами, разрешение ((640х3)х480), но частота регенерации изображения низкая - 60 Гц, т.е. по 30 на каждый глаз. К сожалению, техника еще не достигла нужного уровня для безопасной работы.

VR-шлем (Head-Mounted-Display, HMD).

Этот тип устройств наиболее распространен и известен. Принцип действая такой же, как и у биноклей: фиксирование изображения для каждого глаза. Производство ВР шлемов началось давно, первыми моделями были Vfx1 и CyberFX. Первый, наиболее известный, обладает разрешением 789x230 (181,470) пикселей, отслеживанием поворотов головы на 45 градусов по вертикали и 360 по горизонтали. Cегодня он стоит $600 (с карточкой + $150), а СyberFX $100.

Естественно, они были несовершенны с точки зрения гигиены и качества. Позднее появился несколько улучшеный Vfx3D. Он снабжен 0.7" активно-матричными ЖК дисплеями, обеспечивающими частоту регенерации 75 Гц в разрешении 640х480, 70 Гц для разрешения 800х600 и 62.5 Гц при разрешении 1024х768. Система отслеживания положения головы (position tracker) имеет чувствительность 0.5° при допустимом 70-градусном отклонении вверх/вниз и 0.1-градусную чувствительность во всей горизонтальной плоскости (360°). Фокус расположен на расстоянии 3.35 метра, что препятствует быстрому утомлению глаз. Интерфейс шлема предусмаотрен для платформ Silicon Graphics, Macintosh и PC (USB-порт).

Производством HMD занимаются многие зарубежные фирмы. n-Vision, сотрудничащая с SGI, предлагает шлема VR cо специфическим дизайном. Но, несмотря на это, они отличаются высокими технологическими характеристиками. Вот, например, Datdvisor 80-легкий VR-шлем из пластика, отличающийся 120-градусной свободой вертикального вращения.

А вот его High-end модификация Datavisor HiRes:

Ниже виртуальный шлем ViewPort, приспособленный для игр (вам он крокодила не напоминает? :)):

Уже упомянутая Virtual Research тоже производит HMD. Их последняя разработка - V8 Head Mounted Display (вес - 1кг). По характеристикам напоминает Vfx3D или бинокль V8 их же производства. По большому счету от последнего он отличается лишь наличием наушников.

Все эти VR-шлема базируются на одной и той же технологии: изображение в них подается на ЖК-матрицу в зависимости от положения человека в виртуальном пространстве. Это не учитывает одну особенность человеческих глаз: они способны отклоняться от прямой линии зрения где-то на 140°. Но как бы мы ими не крутили в обычных шлемах, изображение меняться не будет. Специалисты из Cybernet Systems Corporation решили эту проблему, изобретя Eye Tracker.

Как следует из названия, в шлем ВР встраивается устройство слежения за движениями глазного яблока. Используя эту технологию, мы сможем при повороте глаз поворачивать и камеру в виртуальном мире. Поэтому изображение будет меняться, даже если вы чуточку скосите глаза. Устройство продается в виде апгрейда к очкам или шлему.

Но как ни крути, изображение на плоской ЖК матрице будет псевдотрехмерное. Чтобы максимально приблизить качество изображения в HMD к реальности, Microvision разработала технологию Virtual Retinal Display. Она позволяет выводить изображение не перед глазом на LCD, а непосредственно в глаз на сетчатку.

Чтобы не повредить глаз, используется свет низкой интенсивности, а оптическая система прибора во время подачи изображения фокусируется на хрусталике. Благодаря тому, что лучи подаются в виде конуса, изображение проходит в глаз без потери каких-либо деталей.

Это устройство использует технологию отслеживания движений глаза. Но это не то, о чем вы читали выше. Оно отслеживает глаз для того, чтобы изменить положение передающей линзы, иначе лучи будут косо передаваться и не попадут на сетчатку. По рассчетам С. Козлова, для создания идеального изображения с использованием этой технологии достаточно излучающего устройства разрешением ~1700х1700. Без этой технологии для достижения того же результата потребовалось бы разрешение 11200х11200. Как мне кажется, за этой технологией будущее.

3D панели.

Эти устройства можно сравнить с VR-очками, но с тем отличием, что они одеваются на монитор. При использованием 3D панелей изображение на обычном мониторе обретает глубину, правда есть одно ограничение: диагональ дисплея должна быть 17 или 21 дюйм.

Производством стереоскопических экранов занимается Nu-Vision Technologics, inc. Разработчики утверждают, что их продукция не требуют каких-либо дополнительных устройств и не утомляют глаза. Насколько я понял, такие панели состоят из нескольких слоев поляризующих стекол и работают пасивно.

3D звук.

Существует несколько технологий создания 3D-звука. У Creative это EAX, y Aureal - A3D, y Microsoft это DirectSound3D, реализованный в библиотеках DirectX. Все они позволяют воспроизводить настолько реалистичный звук, что его трудно отличить от настоящего. Поэтому для более глубокого погружения в виртуальные миры все HMD снабжены наушниками. Сейчас ими стали снабжать и некоторые стереоочки.

Трехмерный звук заставляет воспринимать игру по-другому. Помню, я прошел Sin с обычной звуковой картой ESS. Потом попробовал его запустить с Creative Sound Blaster 64 PCI. Ощущения были настолько реалистичными... эти голоса и выстрелы в тонелях и трубах менялись при выходе на открытые пространства, переливались на ветру... в общем лучше один раз услышать, чем сто раз прочитать. Те же впечатления и по игре Thief: The Dark Project. В ней 3D-звук просто меняет весь игровой процесс.

Vr - перчатки.

Пока что перчатки для виртуальной реальности не заняли таких прочных позиций, как некоторые очки. Их технологии еще слишком дороги для развлечений, хотя и могут быт доступны в некоторых виртуальных залах от Electronic Visualization Lab. Хотя чаще всего они используются не для игр.

Отслеживать движения пальцев им помогает сложная система эластичных световодов и пара десятков датчиков. Как только палец начинает сгибаться, световод сужает просвет, а датчики улавливливают падение интенсивности света на каком-либо участке. Адекватно этим изменениям ведет себя кисть в виртуальном пространстве. Естественно, эта технология разработана больше для научных исследований, нежели для игр. Посудите сами: зачем в 3DAction'e (тем более в RTS) отслеживать движения пальцев?

Есть и технология с механическими датчиками, но она тяжела и несовершенна.