Состояние #VirtualReality: почему оборудование важнее рекламы
Помните начало 1990-х? Когда вы думаете об этом времени, вам, вероятно, вспоминаются громоздкие наушники и массивные силовые перчатки. Журналы, магазины игрушек и фильмы продавали высокотехнологичные, но неуклюжие версии виртуальной реальности (VR). Это была фантазия о будущем, которое казалось далёким.
Сейчас первоначальный энтузиазм утих. Другие области технологий также делают прогресс. Устройства VR выглядят довольно похоже. Но не дайте себя обмануть. Эта область развивается. Просто она не движется быстро. Прогресс часто приходит со стороны. Военные проекты привели к некоторым достижениям. Развлечения могут мотивировать другие. Инвесторы вряд ли будут вкладывать средства в виртуальную реальность, если она сначала не служит другой отрасли.
Что именно нужно VR для работы? Это зависит от того, как вы определяете «виртуальную реальность». Если вы не уверены в этом определении, стандартный компьютер с монитором и мышью также считается. Большинство исследователей не согласны. Истинная VR требует погружения. Плоские экраны могут отвлекать. Они разрушают иллюзию. Поэтому система нуждается в лучшем экране. Она также требует устройства ввода. Клавиатура и мышь распространены. Джойстики часто встречаются. Джойстики стали стандартом взаимодействия.
Эта статья подробно описывает устройства VR. Давайте рассмотрим типы. Давайте сравним плюсы и минусы. Начнём с самого очевидного оборудования.
Головные дисплеи
Головной дисплей (HMD) является представителем VR. Они размещают экран прямо перед пользователем. Это исключает реальный мир. Это заставляет людей сосредоточиться. Это создаёт ощущение присутствия. Но они не идеальны. Давайте посмотрим, почему они важны и где им не хватает.
Головной дисплей (HMD) — это именно то, что следует из его названия. У меня на лице закреплен компьютерный экран. Он расположен внутри шлема или очков. Цель проста. Куда бы вы ни повернули голову, экран остается в вашем поле зрения.
Большинство устройств имеют раздельное изображение для каждого глаза. Один экран для каждого глаза. Это разделение создает иллюзию глубины. Оно обманывает мозг, заставляя его думать, что изображения имеют объем.
Битва между LCD и CRT
Экран внутри этих гарнитур обычно представляет собой жидкокристаллический дисплей (LCD). Вы можете встретить более старые модели, использующие технологию электронно-лучевой трубки (CRT). Индустрия изменилась, и LCD выигрывают практически по всем показателям. Они легкие. Занимают меньше места. Также потребляют меньше энергии. Стоимость производства ниже.
У CRT есть два козыря. Улучшенное разрешение. Более высокая яркость. Вот и всё.
Но физика CRT плохо сочетается с человеческим мозгом. Она большая. Она очень тяжелая. Если вы попытаетесь использовать HMD на основе ЭЛТ, вам понадобится подвеска, чтобы не сломать шею. Устройство ограничивает движения. Ограничение движений разрушает погружение. Вы теряете ощущение присутствия в мире и начинаете чувствовать, что на вас лежит кирпич.
Размытые технологии отображения
Некоторые инженеры экспериментировали с другими типами дисплеев. Они редки по уважительной причине. В список входят:
- Электролюминесцентный дисплей
- Электрофоретический дисплей (EP)
- Волоконно-оптический дисплей
- Дисплей с полевой эмиссией (FED)
- Светодиодный дисплей (LED)
- Плазменный экран
- Вакуумный люминесцентный дисплей (VFD)
- Виртуальный сетчатый дисплей (VRD)
Почему они не получили широкого распространения? У большинства людей низкое разрешение. Часто яркости недостаточно. Некоторые могут отображать только монохромные изображения. Использование только одного красного светодиода не обеспечивает полноценного высококачественного опыта.
Некоторые плазменные или VRD-дисплеи теоретически могли бы работать. Однако их стоимость непомерно высока. Когда LCD выполняет 95% работы за долю стоимости, это не оправдывает цену.
Задержка и гистерезис
Хорошая гарнитура также может обрабатывать звук. Встроенные динамики или наушники. Видео и аудио должны быть синхронизированы.
Вот суровая правда о беспроводных системах. Время отклика недостаточно. Когда сигнал задерживается, мозг замечает это. Может вызвать тошноту. Это разрушает иллюзию. В результате сложные головные дисплеи остаются подключенными. Подключите гарнитуру к процессору одним или несколькими кабелями. Это очень раздражает. Существуют ограничения. Однако задержка устраняется.
Отслеживание не является предметом торга. Устройство должно знать, куда направлена голова. Если вы посмотрите влево, экран изменится немедленно. Устройства отслеживания делают это возможным. Мы поговорим о том, как работают эти датчики, позже.
Cave и Ultimate Show
Некоторые настройки полностью независимы от гарнитур. Используются специальные очки в сочетании с внешним проектором. Это приводит к следующей концепции.
В 1965 году Иван Сазерленд описал нечто, называемое «Ultimate Manifestation». Он ученый. Многие считают его отцом виртуальной реальности.
Он представил комнату. Компьютеры могут управлять тем, что находится внутри них. Виртуальные объекты физически видны всем присутствующим в комнате. Сценаристы «Звездного пути: Следующее поколение» украли эту идею. Они называют её голодеком.
Мы еще не достигли этого уровня. Научная фантастика по-прежнему является самым близким к этому явлением.
Виртуальная реальность и Cave
Университет Иллинойса в Чикаго не просто создал еще одну VR-комнату. Они нашли то, что эксперты считают золотым стандартом иммерсивности. Это называется системой CAVE. Название происходит от слов Cave Automatic Virtual Environment (Пещерная Автоматическая Виртуальная Среда), и, хотя это звучит как что-то из научной фантастики, оно основано на строгой оптике и физике.
Большинство VR-дисплеев используют головные дисплеи (HMD). Прикрепите коробку к лицу. Поле зрения ограничено. Вы не можете двигаться, не спотыкаясь о трос. Система CAVE переворачивает этот сценарий.
Сила проекционных стен
Пещера — это, по сути, небольшая комната. Или большая приватная комната. По крайней мере, три стены служат гигантскими экранами. В некоторых случаях иногда пол и потолки, но это встречается реже. Результатом является широкое поле зрения, которое невозможно воспроизвести с помощью HMD. Вы не привязаны к ПК. Вы можете ходить.
Но без помощи вы не сможете четко видеть. Необходимо использовать активные затворные очки. Они похожи на громоздкие 3D-очки конца 90-х. Внутри линзы есть затвор, который быстро открывается и закрывается. Компьютер проецирует стереоизображение на заднюю проекцию. Паттерн меняется так быстро, что мозг этого не осознает. Очки синхронизируются с этим режимом. Левый глаз видит один кадр. Правый глаз видит следующий. Ваш мозг соединяет их. Отображается глубина.
Ходьба без ограничений
Устройство отслеживания в ваших очках сообщает компьютеру, где вы находитесь. Когда вы двигаетесь, проекция корректируется в реальном времени. Вы держите в руке жезл (wand). Вы можете использовать его для извлечения виртуальных объектов и навигации по меню. Это ощущается естественно.
Есть нюанс для групп. Несколько человек могут стоять в пещере. Однако только человек, носящий очки с отслеживанием, может управлять углом обзора. А как же остальные? Они являются пассивными наблюдателями. Они смотрят на ту же картинку, но не могут изменить свою перспективу. Это ограничение оборудования, а не продуманное дизайнерское решение.
Перенаправленная ходьба
Пещера по-прежнему является замкнутым пространством. Большинство из них имеют размер 10 футов в квадрате или меньше. Это ограничение. Исследователи из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл нашли способ обмануть физику. Они разработали перенаправленную ходьбу.
Цель проста. Она обманывает пользователя, заставляя его думать, что он идет по прямой линии, хотя на самом деле он ходит по маленькой комнате. Система незаметно вращает виртуальную среду. Вы чувствуете потерю равновесия. Вы исправляете это, внося небольшие изменения в путь. Система применяет это исправление. Превращает вашу прямую ходьбу в петлю.
Верьте, что вы исследуете обширный ландшафт. На самом деле вы ходите внутри 10-футового короба. Иллюзия работает. Пространство искусственно расширено. Иммерсивность остается прежней.
Рабочее место виртуальной реальности
Дисплей в виде рабочего стола занимает странное место в истории виртуальной реальности. Некоторые исследователи считают, что он просто не относится к настоящей виртуальной среде. Это не пещера. Это не гарнитура. Это нечто совершенно иное.
В начале 1990-х годов Ларри Розенбаум руководил командой в Бюро исследований ВМС США. Они создали большой монитор, который служил рабочей поверхностью. Пользователи могли смотреть на него вертикально. Его также можно было наклонять горизонтально, чтобы он функционировал как стол или верстак. Такая настройка позволяла нескольким людям одновременно просматривать один и тот же экран.
Почему «Рабочий стол» не является настоящей виртуальной средой
Ключевым аспектом дискуссии здесь является погружение. Использование специальных очков перед экраном не гарантирует полной изоляции. Экран не заполняет ваше поле зрения. Вы по-прежнему осознаёте физическое пространство вокруг себя. Благодаря стереоскопическим проекциям и затворным линзам виртуальные объекты можно видеть в трёх измерениях. Однако когда вы отводите взгляд от стола, вы видите реальный мир. Нет среды для исследования. Вы взаимодействуете с цифровым объектом, наложенным на реальность.
«Нет виртуальной среды для исследования. Когда пользователь отводит взгляд от экрана, он видит обычную физическую комнату».
Для некоторых отсутствие полного погружения является ошибкой. Для других это особенность.
Медицинское обучение и военная стратегия
Практичность дисплея в виде рабочего стола проявляется в совместной работе. Рассмотрим медицинское обучение. Хирурги могут отрабатывать операции на трёхмерных виртуальных пациентах. Они окружены реальными медицинскими работниками. При использовании стандартной гарнитуры (HMD) сотрудники становятся компьютерными персонажами или цифровыми аватарами. «Рабочий стол» делает взаимодействие с коллегами естественным. Оно полностью реальное.
Военные тактики также получают выгоду. Программисты создают реалистичные трёхмерные представления поля боя. Персонал получает точное представление о боевой ситуации. Хорошая модель может выявить потенциальные узкие места. Она показывает скрытые лагеря противника.
Эти применения выходят за рамки войны и медицины. Такие дисплеи можно увидеть в визуализациях научных исследований. Они также используются при разработке продуктов. Они образуют мост между данными и человеческой интуицией.
Контроллер Wii: дешёвый интерфейс жестов
История переходит от пассивного наблюдения к активному управлению. Перейдите к следующему разделу об интерактивных устройствах. В частности, о консоли Nintendo Wii.
Беспроводной контроллер-палочка предлагает урок инженерам виртуальной реальности. Он доступен по цене. Он прост в использовании. Это устройство содержит гироскопы и акселерометр. Эти датчики обнаруживают движение. Они фиксируют наклон и вращение.
По сравнению с выделенным аппаратным обеспечением интерфейса VR, контроллер Wii Remote является недорогим. Некоторые исследователи в настоящее время применяют это в системах VR. Некоторые видят в этом первый шаг в тенденции. Эта тенденция указывает на разработку пользовательских интерфейсов с низкой стоимостью.
Одежда для VR
Разговор переходит на следующий уровень погружения. Мы рассмотрели мониторы. Мы уже говорили о контроллерах. Следующим логическим шагом является то, что вы носите помимо очков и перчаток. Речь зашла об одежде для виртуальной реальности.
Стремление к лёгкому и погружающему ощущению VR
Всё внимание уделяется графике. Поскольку её легко измерить, мы стремимся к более высокой частоте кадров и реалистичным текстурам. Но исследователи знают, что настоящий узкое место — это не то, что вы видите. Это то, как вы к этому прикасаетесь.
Базовые элементы управления разрушают погружение. Кажется, что клавиатура мешает. Джойстик выступает посредником. Вы никогда по-настоящему не «находитесь в этом мире». Сядьте на стул и нажмите на пластик. Идеально ли это? Нет никаких устройств вообще. Я хочу забыть, что на мне что-то надето.
Прогресс здесь медленный.
Почему? Потому что нет большого давления со стороны крупных технологических компаний. Деньги стекаются в графические движки. Человечно-машинные интерфейсы (HMI) не являются приоритетом для компаний. Это не поле битвы гигантов. Это лоскутное одеяло из развлекательных студий, академических исследовательских институтов и небольших VR-компаний, конкурирующих за популярность.
Но начинает формироваться нечто новое.
Наиболее перспективное развитие — носимые устройства. Это не шлемы. Это перчатки. Костюмы для тела.
DataGloves: оптоволоконный стандарт
Перчатки были частью разговора о VR с самого первого дня. Не по замыслу. Они стали случайной находкой. Ранние создатели не проектировали их специально. Но они работали.
Люди всё ещё часто используют термины «DataGlove» или «Power Glove». Это неправильно. Это конкретные названия брендов. Они не являются синонимами для «трекера рук в VR».
У каждой перчатки есть своё назначение. Взаимодействие с цифровыми объектами с помощью естественных жестов. Методы различаются.
Рассмотрим оптоволоконный подход.
Свет передаётся от передатчика к датчику через кабель. Вы сгибаете пальцы. Кабель изгибается. Поток света изменяется. Когда вы сжимаете кулак, меньше света достигает датчика. Процессор считывает это. Преобразует потерю света в виртуальное движение.
Они точны. Официальная DataGlove использует эту технологию.
Но есть проблема. Калибровка.
Каждая рука уникальна. Длина пальцев. Гибкость. Натяжение кожи. Перчатки должны быть настроены под каждого пользователя. Без этого данные бесполезны. Это камень преткновения. Барьеры для входа.
Токопроводящие чернила: более дешёвый вариант
Не все хотят калибровать оптоволоконную систему. Некоторые хотят количество. Некоторые ищут доступность.
Добавьте токопроводящие чернила.
Эти перчатки используют полосу гибкого материала, покрытого токопроводящим веществом. Вы сгибаете пальцы. Лента растягивается. Сопротивление изменяется. Процессор считывает изменение сопротивления. Обновляет положение виртуальной руки.
Сделайте проще.
Они не очень точны.
Нюансы теряются. Легкое сжатие может быть воспринято как сжатый кулак. Или наоборот. Однако разница в стоимости огромна.
Оптоволоконные перчатки — дорогие устройства. Перчатки с токопроводящими чернилами похожи на потребительскую электронику.
Что важнее: точность или доступность?
Отрасль разделена. Передовое моделирование требует точности. Массовое принятие имеет свою цену.
Мы застряли посередине. Перчатки, которые вы носите, либо слишком сложны, либо слишком примитивны.
До тех пор, пока аппаратное обеспечение полностью не исчезнет.
Костюмы для тела. Но другой слой кожи. и различные виды обратной связи.
Сейчас наши руки обёрнуты нитями и чернилами. Пытаемся почувствовать цифровое.
Если вам нужна точность, то Dexterous Hand Master — это мастер ловких рук. Эти устройства используют датчики в каждом суставе пальцев. Они соединены с кожей посредством механического крепления. В результате получается конструкция в стиле экзоскелета. Отслеживание движений гораздо более точное, чем у перчаток на основе оптоволокна. Они также превосходят датчики на основе проводящих материалов. Однако есть и компромиссы. Эти устройства тяжелые. Их неудобно носить. Вы жертвуете комфортом ради получения данных.
Неожиданное наследие Power Glove
Power Glove была создана сторонним производителем для игровой системы Nintendo Entertainment System. Это потребительская игрушка. Исследователи в области VR увидели потенциал в этом оборудовании. Они осознали, что могут повторно использовать эту технологию. Она не обладает такой же универсальностью, как DataGlove. Однако её стоимость значительно ниже. Устройство имеет контрольную панель на предплечье. Этот дополнительный метод ввода оказался полезным. С тех пор многие другие методы были внедрены разработчиками систем.
Почему это оборудование актуально сегодня
Вы можете задаться вопросом, почему устаревшие устройства ввода актуальны сейчас. Они составляют основу для отслеживания движений. Переход от проводящих площадок к датчикам суставов меняет способ нашего взаимодействия с виртуальным пространством. Современные контроллеры по-прежнему опираются на эти ранние принципы. Дизайн экзоскелета впоследствии повлиял на системы тактильной обратной связи.
Сравнение методов ввода
Какие перчатки вам стоит выбрать?
— Dexterous Hand Masters : Отличная точность. Из-за веса не подходят для длительных сеансов.
— Проводящие перчатки : Дешевые. Не очень точные. Установка стала проще.
— Перчатки на основе оптоволокна : Средняя точность. Проводка громоздкая.
— Адаптации Power Glove : Доступные. Хорошо подходят для распознавания базовых жестов.
Дизайнеры VR продолжают совершенствовать эти концепции. Цель остается прежней. Захватывать движения человека, не жертвуя погружением.
«Эта перчатка не так универсальна, как DataGlove, но она значительно дешевле и оснащена трекпадом на предплечье.»
Взгляните на другие устройства ввода VR, которые появились после этих ранних разработок.
Если вы хотите перемещаться в виртуальной реальности, пропустите CAVE и дорогой DataSuit. Джойстик или стик не нужны. Исследователи считают, что естественное движение может улучшить погружение. Инженеры создали несколько систем для достижения этой цели.
Беговая дорожка и тренировка всего тела
Беговая дорожка позволяет чувствовать себя так, будто вы идете в виртуальной среде, оставаясь на месте в реальном мире. Подключение беговой дорожки к компьютеру несложно. Шаги корректируют график. Есть один нюанс. На обычной беговой дорожке вы можете двигаться только вперед или назад.
Несколько компаний производят всенаправленные беговые дорожки. Они позволяют двигаться в любом направлении. Стандартная беговая дорожка использует один двигатель. Толкайте вперед или назад. Всенаправленные модели имеют два двигателя. Их можно толкать в четырех направлениях: вперед, назад, влево и вправо. Оба двигателя работают вместе. Вы ходите по поверхности, обернутой ремнями и тросами.
Система с нажимной панелью и шаром
Нажимная панель также является вариантом. Вы, возможно, знаете их по игре «Dance Dance Revolution». Большинство из них используют электромеханические датчики давления. Эти реле активируются при нажатии. Цепь замыкается. Ток течет. Процессор изменяет графику.
Компания VirtuSphere, Inc. предлагает другой подход. Она похожа на хомячий шар размером с человека. Вы заходите внутрь и идете. Шар помещается на устойчивую базу с колесами. Колеса прижимаются к сфере. Таким образом, вы можете катиться в любом направлении, оставаясь на месте. Датчики на ваших колесах сообщают процессору, в каком направлении вы идете. Вид в гарнитуре меняется соответствующим образом.
Иммерсивная пассивная тактильность
Исследователи CAVE тестируют пассивное прикосновение. Тактильность относится к чувству осязания. Тактильные системы обеспечивают физическую обратную связь. Джойстик с обратной связью по усилию является активным примером. Пассивное прикосновение не прикладывает силу. Используйте реальные объекты для представления виртуальных элементов. Реальный складной стол действует как виртуальная кухонная столешница. Прикосновение к реальному объекту усиливает ощущение погружения. Помогает ориентироваться в симуляции.
В следующем разделе мы представим системы отслеживания HMD и DataGloves. Сначала рассмотрим устройства типа «String Walker».
Устройство String Walker
StringWalker была разработана японской компанией. Это уникальная всенаправленная беговая дорожка. Устройство имеет кольцевую форму. Восемь нитей пересекают диаметр. Вы ходите по струнам. Эта конференция фокусируется на компьютерной графике и интерактивных устройствах.
Система отслеживания виртуальной реальности
Устройства отслеживания являются основой любой работающей системы VR. Они не просто находятся в пространстве. Они общаются с процессором и сообщают ему точное положение вашей головы в пространстве. Если вы можете ходить по комнате в виртуальной реальности, трекер знает ваше местоположение, направление и скорость. Без них иллюзия быстро разрушается.
Большинство систем ориентированы на один стандарт: шесть степеней свободы (6-DOF). Это «Святой Грааль» погружения. Отслеживается положение по осям X, Y и Z. Также отслеживается направление, разделенное на рыскание (yaw), тангаж (pitch) и крен (roll).
С вашей точки зрения это означает, что виртуальный мир движется вместе с вами. Поднимаете взгляд? Изображение смещается вниз. Наклоняете голову? Горизонт наклоняется. Двигаетесь вперед, не поднимая голову? Вы приближаетесь к виртуальным объектам. Датчик гарнитуры сообщает процессору, где вы находитесь. Процессор отрисовывает правильное изображение. Экран обновляется. Это происходит настолько быстро, что вы даже не замечаете задержки.
Как система сигнализации обеспечивает связь
Каждая система отслеживания состоит из трех компонентов. Передатчик генерирует сигнал. Датчик распознает его. Блок управления обрабатывает данные для процессора. Конфигурации могут различаться.
Иногда вы носите на себе датчики, а передатчик закреплен в помещении. В других случаях вы носите передатчики (излучатели), а датчики, установленные на стенах и потолке, фиксируют ваши движения. «Железо» меняется, логика остается прежней.
Сами сигналы очень различаются. Доступны электромагнитные, акустические, оптические и механические варианты. У каждого есть свои преимущества и недостатки.
Электромагнитная система отслеживания
Эти системы измеряют магнитные поля. Принцип работы заключается в пропускании электрического тока через три катушки, расположенные перпендикулярно друг другу. Каждая катушка становится электромагнитом. Датчики измеряют взаимодействие этих полей. Это взаимодействие определяет ориентацию и положение излучателя.
«Хорошая электромагнитная система отслеживания обладает высокой чувствительностью и низкой задержкой.»
Низкая задержка — большое преимущество. Недостаток? Все, что генерирует магнитное поле, может создавать помехи для сигнала. Металлические столы. Другая электроника. Даже каркас здания может искажать данные.
Акустическая система отслеживания
Акустические трекеры используют ультразвук. Положение и ориентация определяются путем измерения времени, необходимого звуковым волнам для достижения датчика. Датчик обычно остается на месте. Вы носите на себе излучатели.
Расчет прост: расстояние равно скорости, умноженной на время. Но звук распространяется очень медленно. Обновления отстают от реальных движений. Это не подходит для динамичной VR.
Окружающая среда также разрушает акустическое отслеживание. Изменения температуры. Влажности. Атмосферного давления. Все это изменяет скорость распространения звука в воздухе. Если ваши данные нестабильны, отслеживание будет ненадежным.
Оптическое устройство отслеживания
Оптические системы используют свет. В качестве излучателя обычно используется инфракрасный светодиод (ИК-светодиод). Камера действует как датчик. Светодиоды мигают последовательно. Камера записывает световые паттерны. Блок управления определяет местоположение и направление на основе этих импульсов.
Оптическое отслеживание обладает высокой частотой обновления. Задержки минимальны. По этой причине большинство современных высококлассных VR-систем используют оптические или гибридные опто-механические методы.
Но наличие прямой видимости является уязвимостью. Закройте камеру рукой. Поставьте растение перед датчиком. Отслеживание прерывается. Фоновый свет и другие инфракрасные источники также могут «забивать» сигнал. Для наилучших результатов требуется контролируемая среда.
Механические системы отслеживания
Механическое отслеживание — это устаревший метод. Он использует физическое соединение. Цель привязана к фиксированной точке.
Вспомните дисплей типа BOOM. Это гарнитура, прикрепленная к роботизированной руке с двумя точками сочленения. Рука напрямую определяет положение и ориентацию. Не нужно декодировать беспроводные сигналы. Не нужно измерять время прохождения звуковых волн. Не нужно отслеживать свет.
Частота обновления невероятно высока. Это точно. Однако это ограничивает вашу свободу движений. Вы физически привязаны к установке. Вы не можете ходить по комнате. Вы — остров из стали и шарниров.
Современная виртуальная реальность давно вышла за рамки комнатных опытов с чисто механическими системами. Но принцип остается прежним. Физические ограничения гарантируют точность, но ценой свободы.
Мы движемся к беспроводной свободе в масштабе комнаты. Но компромисс остается. Скорость против точности. Свобода против прецизионности. Беспроводное удобство против помех.
На следующих страницах обсуждаются конкретные устройства, обеспечивающие работу этих систем. А пока подумайте, чем вы готовы пожертвовать ради погружения.
