В данной статье рассматривается технология виртуальной реальности и зачем она нам нужна, плюсы и минусы данной технологий, история создания виртуальной реальности. Также мы узнаем существуют ли другие технологий наподобие виртуальной реальности, в чем их различие, какие аксессуары или приложения помогают работать в виртуальной среде.
Ключевые слова : виртуальная реальность, очки виртуальной реальности, дополненная реальность, смешанная реальность, медицина, военные, тренировки.
In this article, we will consider Virtual Reality Technology. This article describes the history of creating virtual reality. We will also find out if there are other technologies like Virtual Reality, what is their difference, what accessories and applications are used to work in virtual environment.
Keywords : virtual reality, virtual reality glasses, augmented reality, mixed reality, medicine, military, training.
Многие думают, что виртуальная реальность — это «развлечение» для детей и подростков, но это далеко не так. Данную технологию используют далеко за пределами игровой индустрии. Виртуальную реальность можно использовать в образовании, в медицине, в архитектуре, а также в авиации [1].
На протяжении всей истории, человек стремился с максимальной точностью имитировать реальность, в которой он живет, передать ощущения, имитировать различные действия в виде звука и изображения.
Конечно же, о том, когда человечество впервые пришло к мысли и заговорило о возможности создания виртуальных реальностей ведутся многочисленные споры и дебаты. Но современную интерпретацию концепции придумали в 40-х годах XX века.
История виртуальной реальности
Очки Пигмалиона. В 1935 году Стенли Вейнбаум выпустил «Очки Пигмалиона» (рис. 1) — научно-фантастический рассказ. Главный герой истории носит очки, которые переносят его в вымышленный мир, который хорошо стимулирует его чувства и показывает голографические записи. Некоторые считают его источником концепции виртуальной реальности (VR), поскольку эта история была хорошим предсказанием целей и достижений будущего.
Рис. 1. Рассказ «Очки Пигмалиона»
Sensorama. Кинематографист Мортон Хейлиг создал Sensorama, (рис. 2) первую машину виртуальной реальности (запатентованную в 1962 году). Это была большая будка, которая могла вместить до четырех человек одновременно. Он объединил несколько технологий, чтобы стимулировать все чувства: было объединено полноцветное 3D-видео, аудио, вибрации, запахи и атмосферные эффекты, такие как ветер.
Это было сделано с помощью ароматизаторов, вибрирующего кресла, стереодинамиков и стереоскопического 3D-экрана. Хейлиг считал, что Сенсорама-это «кино будущего», и хотел полностью погрузить людей в свои фильмы. Для него было разработано шесть короткометражных фильмов.
Рис. 2. Машина Sensorama VR
Telesphere Mask и Headsight. В 1960 году Хейлиг также запатентовал Telesphere Mask, которая была первым головным дисплеем (HMD). Это обеспечивало стереоскопические 3D — изображения с широким зрением и стереозвуком. В этот момент в наушниках не было никакого отслеживания движения.
Рис. 3. Telesphere Mask
В 1961 году в Соединённых Штатах Америки на свет появляется схожий по конструкции шлем, но уже с отслеживанием движений головы. Он был разработан инженерами Philco Corporation Комо и Брайаном.
До тех пор, пока Headsight (рис. 4) не был создан Комо и Брайаном, двумя инженерами корпорации Philco. Головной прицел был первым устройством слежения за движением HMD. У него были встроенные видеоэкраны для каждого глаза и система слежения за головой.
Однако это не было использовано для виртуальной реальности; это было разработано для военных, чтобы позволить им удаленно смотреть на опасные ситуации. Удаленная камера имитировала движения головы, чтобы пользователь мог оглядеть обстановку.
Рис. 4. Шлем «Head Sight»
Вклад Сазерленда. Сазерленд вместе со своим учеником Бобом Спрауллом создал первую виртуальную реальность HMD, названную Дамокловым мечом (рис. 5). Эта головная установка подключалась к компьютеру, а не к камере, и была довольно примитивной, поскольку могла показывать только простые виртуальные формы проволочных каркасов.
Эти 3D-модели меняли перспективу, когда пользователь двигал головой из-за системы слежения. Он никогда не разрабатывался вне лабораторного проекта, потому что был слишком тяжелым для пользователей, чтобы удобно носить его; они должны были быть пристегнуты ремнями, потому что он был подвешен к потолку.
Рис. 5. Дамоклов меч
1970-е. Видео Плейс Крюгера, первая интерактивная платформа виртуальной реальности, (рис. 6) был выставлен в Центре искусств Милуоки. Он использовал компьютерную графику, проекторы, видеокамеры, видеодисплеи и технологию определения местоположения, и он не использовал очки или перчатки. ВИДЕО ПЛОЩАДКА состояла из темных комнат с большими видеоэкранами, окружавшими пользователя в режиме VR.
Рис. 6. Майрон Крюгер искусственная реальность
Пользователи могли видеть свои компьютерные силуэты, имитирующие их собственные движения и действия — движения пользователей записывались на камеру и передавались на силуэт. Кроме того, пользователи в разных комнатах могли взаимодействовать с силуэтами других пользователей в одном и том же виртуальном мире. Это поощряло идею о том, что люди могут общаться в виртуальном мире, даже если они не были физически близки.
1980-е. Джарон Ланье и Томас Циммерман основали компанию VPL Research, Inc. Эта компания известна как первая компания, которая продает VR-очки и перчатки. Они разработали целый ряд VR-оборудования, таких как Data Glove, EyePhone HMD и AudioSphere (рис. 7).
Рис. 7. VPL Research разработала целый ряд VR-оборудования
Исследования 70-х — 80-х создали базу для массового использования, коммерческого применения МК. Потенциал некоторых разработок этого времени используется и сегодня, например, бинауральный звук, взаимодействие и отслеживание положения тела.
Виртуальная реальность
Виртуальная реальность(англ. Virtual Reality) — это компьютерная симуляция для создания трехмерной среды с помощью компьютерных технологий. Главной задачей виртуальной реальности заключается в том, что мы можем с помощью своих чувств (слух, зрение, осязание, иногда даже обаяние) воспринимать и погружаться в виртуальный мир. Самое главное в такой «имитации» — это правдоподобность. Чтобы человек как можно сильнее и глубже погрузился в виртуальный мир, у него должна быть возможность взаимодействовать с объектами в виртуальном мире [1].
Есть разные подходы имитации реальности. Они сильно отличаются друг от друга концепцией. Так как степень погружения очень сильно отличается. VR, CR, AR, MR, XR это разные вещи.
Как мы раньше говорили, виртуальная реальность — это «искусственная среда», которая даёт ощущения через предоставляемые компьютером сенсорные стимулы, то бишь видео и звуки.
Дополненная (AR) и смешанная (MR) реальность
Дополненная реальность(англ. Augmented reality) — это еще одна популярная технология после VR. Суть дополненной реальности заключается в том, что он принимает нашу действующую реальность и изменяет ее, накладывая на нашу картинку виртуальные объекты.
Если будем сравнивать Виртуальную реальность (VR) и Дополненную реальность (AR), то дополненная реальность проще чем виртуальная. Простота дополненной реальности заключается в том, что она не требует мощного железа или сложных приложении [4].
Смешанная реальность (англ. Mixed Reality) — объединяет обычную реальность с виртуальной [9]. Данную технологию мы можем использовать как нам угодно. Речь идет не только о развлечениях, но и о практических задачах. С помощью данной технологий люди проводят военные тренировки, для безопасности здоровья людей. То есть, данная технология дорисовывает трехмерные объекты в реальный мир, так, чтобы люди не смогли отличить одно от другого [2].
Где используется технология VR
Технология виртуальной реальности говоря простым языком чаще всего используют в индустрии развлечений, либо для прикладных (образовательных, промышленных) целей.
В играх. Говоря в первом случае речь идет об индустрии видеоигр. Помимо этого, VR часто используют в интерактивном кинематографе. Основная особенность игр в VR — это непосредственно погружение игрока виртуальный мир. Игровой геймплей в VR играх — это абсолютно другой уровень по сравнению с геймплеем обычных играх, так как геймплей подразумевает активное взаимодействие игрока с окружающим его миром.
В образовательных целях. VR это отличный способ превратить учебу из «наказания» в интересную для учеников компьютерную игру или аттракцион (рис. 9).
Использование виртуальной реальности в образовании не ограничивается военной или медицинской сферой, но распространяется и на школы с виртуальной реальностью, также принятой в образовании для обучения и обучения. Студенты могут взаимодействовать друг с другом и в трехмерной среде. Их также можно брать с собой на виртуальные экскурсии, например, в музеи, экскурсии по Солнечной системе и путешествия во времени в разные эпохи. Виртуальная реальность может быть особенно полезна для студентов с особыми потребностями, такими как аутизм. Исследования показали, что VR может быть мотивирующей платформой для безопасной практики социальных навыков для детей, в том числе с расстройствами аутистического спектра (ASD). Технологическая компания Floreo разработала сценарии виртуальной реальности, которые позволяют детям учиться и практиковать такие навыки, как указание пальцем, зрительный контакт и построение социальных связей. Родители также могут следить за происходящим и взаимодействовать с помощью связанного планшета.
В военных целях. Военные в Великобритании и США используют технологию виртуальной реальности в своей подготовке, поскольку она позволяет им проводить огромный спектр симуляций. VR используется во всех родах войск: армии, ВМС, ВВС, морской пехоте и береговой охране (рис. 8). В мире, где технологии принимаются с раннего возраста, а дети привыкли к видеоиграм и компьютерам, VR доказывает эффективность метода обучения. VR может переносить обучаемого в различные ситуации, места и среды для различных целей обучения. Военные используют его для моделирования полета, моделирования поля боя, подготовки медиков, моделирования транспортных средств и виртуального учебного лагеря, среди прочего. VR — это полностью иммерсивный, визуальный и звуковой опыт, который может безопасно воспроизводить опасные учебные ситуации для подготовки и обучения солдат, не подвергая их риску до тех пор, пока они не будут готовы к бою. Кроме того, он также может быть использован для обучения солдат некоторым более мягким навыкам, включая общение с местными гражданскими лицами или международными коллегами, когда они находятся в полевых условиях. Другое его применение включает в себя лечение посттравматического стрессового расстройства (ПТСР) у солдат, вернувшихся с боевых действий и нуждающихся в помощи в адаптации к нормальным жизненным ситуациям; это известно как Экспозиционная терапия виртуальной реальности (VRET). Ключевым преимуществом использования технологии виртуальной реальности в армии является снижение затрат на обучение.
Рис. 8. VR в военной подготовке
В спорте. VR приносит революцию спортивную индустрию для игроков, тренеров и зрителей. Виртуальная реальность может быть использована тренерами и игроками для более эффективной тренировки в различных видах спорта, поскольку они могут наблюдать и переживать определенные ситуации неоднократно и могут совершенствоваться каждый раз (рис. 9). По сути, он используется в качестве учебного пособия для измерения спортивных результатов и анализа техники. Некоторые говорят, что он также может быть использован для улучшения когнитивных способностей спортсменов при травмах, поскольку позволяет им виртуально переживать игровые сценарии. Аналогично, VR также используется для улучшения восприятия зрителем спортивного события. Вещатели теперь транслируют живые игры в виртуальной реальности и готовятся однажды продать виртуальные билеты на живые игры, чтобы любой человек из любой точки мира мог «посетить» любое спортивное событие. Потенциально это также может позволить тем, кто не может позволить себе тратить деньги на посещение живых спортивных мероприятий, чувствовать себя включенными, поскольку они могут наслаждаться тем же опытом удаленно, либо бесплатно, либо по меньшей цене.
Рис. 9. VR в спортивной подготовке
В медицинской подготовке. Благодаря своей интерактивной природе студенты-медики и стоматологи начали использовать VR для практики операций и процедур, что позволяет создать свободную от последствий среду обучения; исключается риск причинения вреда или ошибки во время практики на реальных пациентах. Виртуальные пациенты используются для того, чтобы студенты могли развивать навыки, которые впоследствии могут быть применены в реальном мире. Использование технологии VR в медицинской промышленности — это эффективный способ не только повысить качество обучения студентов, но и дает прекрасную возможность оптимизировать затраты, тем более что медицинские услуги постоянно находятся под давлением жестких бюджетов. (рис. 10).
Рис. 10. VR в медицинской подготовке
Как работают очки виртуальной реальности
Внутри очков виртуальной реальности расположено две линзы, которые получают картину с ПК или же со смартфона. Очки разделяют изображение, которое видит левый и правый глаз. Очки разделяют изображение при помощи специальной перегородки, то есть пользователь не увидит края экрана своим боковым зрением. Мозг обрабатывает увиденную информацию и воспринимает две картинки как единое целое. Кроме того, изображение приобретает объем [12] [13].
Рис. 11. Очки Samsung Gear VR
В качестве такого экрана может использоваться смартфон (довольно частое решение) и специально созданный для этого дисплей, вмонтированный в саму конструкцию. Обычно, второй вариант дороже и по характеристикам, и свойствам погружения намного лучше. Цена, естественно за такое устройство выше в несколько раз. Хотя взаимодействовать с компьютером может как первый, так и второй вариант VR-устройства [13].
Как получить VR-опыт
На сегодняшний день есть очень много способов получить VR опыт. Но один из простейших способов-сделать VR очки и шлем самому. Можно использовать проект Google Cardboard, и вставить смартфон в самодельные VR очки. Это способ считается одним из самых простых.
Помимо этого, лучше приобрести целый комплект для лучшего VR опыта (рис. 12).
Рис. 12. Шлем виртуальной реальности Oculus Rift S
Типы виртуальной реальности
Среди множества VR-форматов это 5 самых влиятельных:
– Технологии VR с эффектом полного погружения (Fully immersive reality);
– Технологии VR с полупогружением (Semi-Immersive Virtual Reality);
– Технологии VR без погружения (Non-immersive reality);
– Технологии VR с совместной инфраструктурой (Collaborative);
– VR на базе интернет-технологий (Web-based).
Технологии VR с эффектом полного погружения . В отличие от VR без погружения, технология VR с эффектом полного погружения гарантирует, что у вас будет реалистичный опыт в виртуальном мире. Это будет так, как если бы вы физически присутствовали в этом виртуальном мире, и все происходит с вами по-настоящему.
Это дорогая форма виртуальной реальности, которая включает в себя шлемы, перчатки и разъемы для тела с датчиками чувств. Они подключены к мощному компьютеру. Ваши движения, реакции и даже мгновение ока обнаруживаются и проецируются в виртуальном мире. Вы почувствуете, что физически находитесь в виртуальном мире.
Одним из примеров может быть игровая зона виртуального шутера, где вы будете оснащены шестеренками в небольшой комнате, и вы будете просматривать виртуальный мир через шлем, где вы столкнетесь с другими стрелками, пытающимися убить вас. Вы будете двигать руками и телом, чтобы бегать, прыгать, приседать, стрелять, бросать и многое другое в игре.
Рассматривается новая концепция виртуального медицинского обучения для подготовки нейрохирургов, чтобы избежать катастроф во время рискованных операций на головном мозге. Многие другие такие концепции воплощаются в жизнь и, надеюсь, приведут к тому, что наша жизнь станет лучше.
VR с эффектом полного погружениястоит дорого и еще не так широко создана.
Технологии VR без погружения . Это виртуальная реальность относится к виртуальному опыту с помощью компьютера, где вы можете управлять некоторыми персонажами или действиями в программном обеспечении, но окружающая среда не взаимодействует с вами напрямую.
Например, когда вы играете в видеоигры, такие как World of WarCraft, вы можете управлять персонажами в игре, которые имеют свои собственные анимации и атрибуты. Технически вы имеете дело с виртуальным миром, но вы не находитесь в центре внимания в игре. Все действия или функции скорее взаимодействуют с персонажами внутри.
Таким образом, в основном, все основные формы игровых устройств, таких как PlayStation, Xbox, компьютер и т. д., предоставляют вам опыт VR без погружения.
Однако Силы обороны США предположили, что стратегические игры могут помочь развить планирование и стратегический опыт армии США еще в 2017 году. Это было введено в эффективное использование с лета 2018 года.
Технологии VR с полупогружением . Это виртуальная реальность — это смесь VR без погруженияиVR с эффектом полного погружения. Это может быть в виде 3D-пространства или виртуальной среды, где вы можете перемещаться самостоятельно либо через экран компьютера, либо через VR-коробку/гарнитуру.
Таким образом, вся деятельность в виртуальном мире сосредоточена на вас. Однако у вас нет никаких реальных физических движений, кроме вашего визуального опыта. На компьютере вы можете использовать мышь для перемещения по виртуальному пространству, а на мобильных устройствах вы можете касаться и проводить пальцем, чтобы перемещаться по этому месту.
Большинство виртуальных сред с полупогружениемподдерживают гироскоп, что означает, что виртуальное пространство будет закреплено на вашем телефоне по вертикальной оси, и вам придется буквально перемещать телефон в разных направлениях, чтобы просматривать виртуальную среду в этих направлениях. Пролистывание не сработает.
Те, которые подключены к VR-боксам, более интерактивны, так как они также являются формой гироскопа, но без использования рук. Когда вы носите VR-коробку/гарнитуру, вы сможете видеть только виртуальную среду, а не свой реальный мир даже краем глаза. Таким образом, создается реалистичный опыт.
Технологии VR с полупогружениемявляется наиболее экономичной и широко используемой среди всех форм виртуальной реальности после VR без погружения виртуальной реальности.
Технологии VR с совместной инфраструктурой. Критики виртуальной реальности утверждают, что это может привести к тому, что люди станут слишком погруженными и, следовательно, изолированными, но технология может сблизить людей ближе, чем раньше. Совместная виртуальная реальность выводит программы видеоконференцсвязи, такие, как Skype, на новый уровень.
Эта форма виртуальной реальности проецирует одну и ту же виртуальную среду сразу нескольким пользователям, независимо от того, насколько далеко они могут находиться друг от друга. В результате они могут обмениваться идеями и работать вместе над проектами.
VR на базе интернет-технологий. Некоторые ученые обнаружили способы использования виртуальной реальности через Интернет с помощью языка разметки виртуальной реальности (VRML). Это дает людям возможность открыть для себя новые и интересные вещи, которые может предложить Интернет. Кроме того, люди могут взаимодействовать и иметь реальный опыт со своими друзьями в социальных сетях.
Как VR изменит нашу жизнь в будущем
В будущем в жизни людей произойдут динамичные изменения, поскольку виртуальная реальность может многое предложить. С развитием разработки приложений VR мы должны ожидать, что мир сможет делиться знаниями и информацией, которые повлияют на нашу жизнь. Используя виртуальную реальность, люди смогут получать образование в отдаленных районах, а также обмениваться обновленной информацией и знаниями в разных частях мира. Студенты смогут лучше сосредоточиться, так как у них не будет никаких отвлекающих факторов во время обучения по программе обучения виртуальной реальности.
Хирурги также совершенствовали бы свои навыки, имея возможность практиковаться на вещах, которые не являются настоящими людьми, и находить способы совершенствования медицинской науки и техники. Обучение виртуальной хирургии обычно проводится на VR-интерфейсе, который создает интерактивные моделируемые образцы, страдающие различными категориями заболеваний, требующих хирургического вмешательства, чтобы хирурги могли лучше работать на благо человечества.
Виртуальная реальность даст людям возможность путешествовать без необходимости покидать свои дома. Будущее обещает людям возможность ходить по магазинам, путешествовать и даже общаться, даже не выходя из дома. Кроме того, виртуальная реальность позволит людям чувствовать себя комфортно во время работы из дома. С разработкой приложения VR люди могут работать из любого места, подключившись к цифровым принтерам, и они даже будут выполнять непрерывные задачи.
Заключение
VR представляет собой одно из главных направлений развития в IT сфере. VR, AR, XR и другие технологий это уже часть нашего светлого будущего, так как уже сейчас используются не только в индустрии развлечений, но и в сфере образования, и для решения прикладных задач.
В этой статье разобрали, что представляет собой VR. Также рассмотрели VR, AR и MR, и узнали в чём разница между ними, и как получить VR опыт, как работают очки виртуальной реальности и также кратко прошлись по истории виртуальной реальности.
Литература:
- «Виртуальная реальность — это не «так себе игры», а полезная вещь, которую уже используют повсюду», Март 30, 2021, https://www.ferra.ru/experts/computers/virtualnaya-realnost-htc.htm
- «Новые реальности», Март 28, 2021, https://vrexpo.world/blog/novye-realnosti-vse-pro-vr-xr-ar-i-mr
- «Виртуальная реальность», Март 30, 2021, https://iot.ru/wiki/virtualnaya-realnost
- «В чём разница между AR, VR и MR?», Апрель 1, 2021, https://fountain.company/blog/v-chjom-raznica-mezhdu-ar-vr-i-mr/
- «Краткая история VR: часть первая — ранние концепции и первые шаги от 1930-х до 1960-х», Март 30, 2021, https://habr.com/ru/company/pult/blog/517050/
- «Краткая история VR в 70-е — 80-е: военпром, интерактивные карты, опыт в играх и VR для NASA с бинауральным звуком», Март 30, 2021, https://habr.com/ru/company/pult/blog/517296/
- «Сферы применения виртуальной реальности», Апрель 16, 2021, https://nextspace.work/sfery-primeneniya-virtualnoi-realnosti/
- «Военный Комплекс», Апрель 16, 2021, https://lookinar.com/ru/prymenenye-ar-vr-voenn %D1 %8Bmy/
- «Технология смешанной реальности Mixed Reality MR», Апрель 16, 2021, https://funreality.ru/technology/mixed_reality/
- «5 Exciting Uses for Virtual Reality», Апрель 16, 2021, https://www.fdmgroup.com/5-exciting-uses-for-virtual-reality/#:~:text=VR %20is %20used %20in %20all,an %20effect %20method %20of %20training.
- «Виртуальная реальность (VR)», Апрель 26, 2021, https://www.it.ua/ru/knowledge-base/technology-innovation/virtualnaja-realnost-vr
- «Как устроены очки виртуальной реальности?», Апрель 26, 2021, https://www.boonget.ru/articles/kak_ustroeny_ochki_virtualnoj_realnosti/
- «Очки виртуальной реальности для ПК», Апрель 26, 2021, https://future2day.ru/ochki-virtualnoj-realnosti-dlya-pk-obzor-texnologii-i-vr-shlemov/
