oldi

Многоликая виртуальная реальность

Александр Прохоров

ВР — как результат сближения компьютера и человека

Разновидности систем ВР

     ВР и тренажеры

          Авиационные тренажеры

          Тренажеры для авиадиспетчеров

          Космические тренажеры

          Тренажеры для водителей локомотивов

     ВР и развлекательные системы

     ВР и центры принятия стратегических решений

     Образовательные системы ВР

     Инженерные системы ВР

          Виртуальные прототипы

          Виртуальная сборка

          Виртуальные испытания

     ВР и медицина

          Диагностика

          Виртуальные анатомические атласы

          Планирование операции

          Протезирование

     ВР и науки о земле

          ВР и ГИС

          ВР для геологоразведочного и нефтегазового комплекса

     ВР и архитектура

     ВР и презентационные системы

          Виртуальные заводы

          BP и анализ финансовых данных

     BP и математика

     ВР и молекулярная биология

     ВР и Интернет

     ВР и общество

 

Виртуальная реальность (ВР) — это словосочетание за последние три-четыре года достаточно часто появлялось на страницах российских компьютерных изданий и стало весьма привычным для нашего слуха. При этом за избитым термином редко стоит понимание масштаба внедрения данной технологии в современном обществе. Любопытно отметить: в отечественной прессе было достаточно мало статей о конкретном использовании технологии ВР, однако появился целый ряд публикаций о негативном влиянии нового «монстра» на человека, который из мира реального погружается в мир виртуальный. В России пока реально никто не пострадал — и вполне понятно почему: кроме разговоров о скрытой опасности виртуальной реальности, о данном феномене как о новой технологии у нас в стране пока известно очень мало. А между тем ВР-технология уже несколько лет приносит миллионы долларов в промышленность наиболее развитых стран. Может быть, нам тоже пора обратить внимание на перспективность внедрения этой технологии. В настоящей статье мы хотим рассказать о сущности технологии ВР, о разновидностях ее конструктивной реализации и о конкретных применениях в различных отраслях науки, техники и индустрии развлечений.

ВР — как результат сближения компьютера и человека

С исторической точки зрения ВР может рассматриваться как некий итог развития интерактивности системы «машина — человек», возможный прежде всего благодаря развитию технологий суперкомпьютинга, систем трехмерной визуализации и сетевой обработки данных. На определенном этапе на смену диалога с компьютером посредством текстово-графической информации пришел некий симбиоз компьютера и человека.

Осуществляя навигацию в мире зрительных образов, порожденных компьютером, человек одновременно получает возможность направлять вычислительный процесс. Новые возможности оборудования как бы позволили человеку шагнуть внутрь компьютера, привнося с собой чисто человеческие способности ориентироваться внутри визуальных образов, эмоции, чувства, интуицию, то есть все то, что недоступно неодушевленному компьютеру. Своеобразный тандем «машина — человек» обрел качественно новые возможности. Оказалось, что существует целый класс задач, которые невозможно описать формально, однако решение их можно «отыскать», путешествуя в недрах ВР.

В начало В начало

Разновидности систем ВР

Возможности новой технологии весьма заманчивы — ВР может моделировать как реально существующие объекты (и их деформированные прообразы), так и любые воображаемые синтетические миры. ВР, моделирующая реально существующие объекты, может быть как макромасштаба (поверхность Марса, автомобиль, человеческое сердце), так и микромасштаба (молекулярные модели белков, вирусов, микрочастиц).

Понятие ВР неразрывно связано с понятием навигации в любом из этих пространств.

В разных системах вам предоставляется возможность бродить, плавать или даже летать в недрах пространства. В классическом случае система ВР непрерывно отслеживает положение головы наблюдателя, так чтобы показывать ту часть виртуальной сцены, которую бы видел исследователь, находясь в данной точке этого пространства при определенном угле зрения. При этом гладкость и бесшовность смены «картинки» при повороте головы определяется качеством системы ВР.

Проблема навигации в трехмерной среде представляет собой отдельную задачу — оценки глубины, освещенности, градиента текстуры и т.д. Часть объектов ВР могут быть прозрачными или полупрозрачными для удобства анализа их внутреннего устройства.

Присутствие в ВР неразрывно связано со звуковыми сигналами — обычно человеку свойственно направлять свой взгляд, ориентируясь на случайные звуки, исходящие из соответствующей точки пространства. Это требует специальных систем моделирования объемных аудиоэффектов. Использование инфразвука позволяет не только воздействовать на слух, но и передавать звуковое давление, например при моделировании удара. Добавление в системы ВР тактильных ощущений делает их еще более реалистичными — электромагнитные и пневматические устройства способны передавать механическую реакцию и ускорение. Это позволяет навигатору не только передвигаться в рамках ВР, но и манипулировать и даже видоизменять элементы этого виртуального мира.

На сегодняшний день уже функционируют системы, включающие аудио-, видео-, тактильные и вестибулярные воздействия — за исключением пока только запаха и вкуса.

Системы ВР могут быть системами индивидуального и коллективного пользования. При этом наиболее простая форма состоит в том, что все участники путешествия внутри ВР видят то же, что и их «гид», который и осуществляет навигацию. Более сложный вариант состоит в том, что каждый из участников, независимо от других, путешествует внутри одного и того же мира ВР. Следующая ступень заключается в том, что каждый из участников ВР видит других и те изменения ВР, которые вносятся его коллегами по виртуальному миру.

Приведенная выше классификация возможностей систем ВР достаточно условна. В ряде случаев под ВР понимают и более простые интерактивные системы, в которых присутствует только визуализация, причем даже в том случае, когда визуализация осуществляется не посредством виртуальных шлемов, а с помощью проецирования изображения на полусферу или даже на плоские экраны с применением стереоочков или без них.

Более детальное рассмотрение этой технологии целесообразно провести на основе конкретных применений. Исторически сложилось так, что впервые зачатки систем ВР были применены в тренажерах военно-транспортной техники около 35 лет назад. Это направление интенсивно развивается и по сей день, причем помимо военных применений появляется все больше гражданских. На сегодняшний день известны тренажеры для всех сред, в которых передвигается человек, — созданы имитаторы воздушных, водных и наземных транспортных средств.

В начало В начало

ВР и тренажеры

Любой компьютерный тренажер в основе своей является системой ВР, где человек осуществляет навигацию, управляя виртуальной моделью того или иного транспортного или любого другого технологического приспособления.

Тренажеры обычно используются для замены реальной машины более дешевым виртуальным аналогом и часто необходимы при имитации сложной или опасной ситуации. Крупнейшие производители ПО для тренажерных средств, такие как Paradigm Simulation, Inc., Coryphaeus Software, Thomson training & Simulation, Ivex Corporation, Virtual prototypes, MultiGen и другие, охватили большое количество систем обучения в самых разных областях, где используется обучение владению транспортными средствами.

В любом тренажере есть механическая часть, имитирующая кабину транспортного средства, которая передает ускорения и вибрации, и компьютерная, которая собственно и обеспечивает иллюзию движения путем координации действий водителя с визуальными, звуковыми и прочими эффектами.

Компьютерная часть, в свою очередь, подразделяется на систему визуализации, так называемую сцену из окна (Out of the window scene) и контрольно-управляющую часть (Host computing system).

В начало В начало

Авиационные тренажеры

Для создания иллюзии реального полета необходима в высшей степени быстрая и качественная графика, исключаются любые дефекты типа ступенчатости, наклонных линий и т.д.

В связи с этим большая часть рынка систем визуализации приходится на компанию SGI, которая предлагает целый спектр решений для тренажеров различного класса. Для создания наиболее достоверных графических данных используется семейство Оnуx2.

При этом система Оnуx2 Reality Monster показывает наилучшие результаты, предоставляя «сцену», практически неотличимую от реальной.

Заказчиками авиационных тренажеров являются такие уважаемые компании, как British Aerospace, Flight Safety, Beijing Aviation Simulator Co, Mс. Donnel Douglas, Rockwell, GEC Marconi, Lockhead Deutch Aerospace, и многие другие.

Большая часть применений приходится на тренажеры боевых машин. Летая в виртуальном пространстве, летчики имеют возможность наблюдать не только «виртуальную реальность», но и те объекты, которые не увидишь во время реального полета, такие, например, как зоны видимости радарных установок системы ПВО.

Авиационные тренажеры применяются не только при обучении пилотов. Иногда виртуальные полеты находят самые неожиданные применения. Так, например, в одной из клиник США для лечения нервных расстройств, при которых люди не могут спокойно переносить авиаперелеты, применяются все те же тренажеры. Оказывается, «полетав» в виртуальном пространстве со шлемом на голове, человек способен довериться авиалайнеру.

В начало В начало

Тренажеры для авиадиспетчеров

Самые крупные авиакатастрофы произошли именно по вине авиадиспетчеров.

Корпорация САЕ Link (США) разработала ряд тренажеров для обучения авиадиспетчеров. Система визуализации в таком тренажере требует обзора на все 360 градусов.

Интересно отметить такой факт: тренажеры для авиадиспетчеров могут использоваться не только для тренировки, но и при управлении реальным полетом. Это связано с тем, что в виртуальном мире виртуальные объекты могут выглядеть куда более четко, чем в мире реальном. Такими объектами могут быть границы надвигающегося шторма и других погодных явлений.

В начало В начало

Космические тренажеры

Если виртуальные полеты в авиационной технике позволяют сэкономить огромные средства на топливе и амортизации техники, то очевидно, что этот аспект проявляется в куда большей степени, когда речь идет о тренажерах космических. Упомянутая выше корпорация CAE-Link разработала для NASA космический тренажер, который используется для тренировки астронавтов в наземных условиях.

Интересно упомянуть разработку российской фирмы из Новосибирска SoftLab, занимающейся созданием виртуальной реальности. Силами этой компании была создана уникальная виртуальная модель одного из отсеков орбитальной станции «МИР», включающая «действующие» приборные панели и инструменты.

В начало В начало

Тренажеры для водителей локомотивов

Водители-инженеры локомотивов, как и пилоты, должны проходить весьма ответственное и интенсивное обучение для обеспечения надежных навыков и мастерства.

Подобные тренажеры предлагает, например, компания Hughes Training of Arlington, специалистами которой была создана высокодинамичная гибкая тренажерная среда, способная отразить более 100 км дороги с изображением знаков, движущихся транспортных средств, генерированием сигналов и с возможностью моделирования различных транспортных ситуаций.

Инструктор имеет возможность менять погоду, время суток, манипулировать сигналами и моделировать аварийные ситуации на реальных объектах трассы.

В начало В начало

ВР и развлекательные системы

Развлекательные системы, построенные с использованием систем ВР, являются аналогами тренажеров, где человек может «парить» над архитектурными памятниками или в залах картинных галерей, «подлетая» к картинам или фасадам для рассмотрения деталей. Посетитель развлекательных комплексов может ощутить себя участником скоростного полета или спуска на американских горках. Ярким примером аттракциона этого жанра является система, реализованная в прошлом году в Музее истории современной техники в Сан-Хосе (Tech Museum of Innovation), которая позволяет не только покататься на американских горках, но и построить свой собственный аттракцион. Экспонат так и называется — «система проектирования аттракциона «американские горки».

Идея создания нового развлечения состоит в том, чтобы дать посетителям возможность самим разработать аттракцион и «прокатиться» на нем!

В начало В начало

ВР и центры принятия стратегических решений

Центры принятия стратегических решений (ЦПСР), оборудованные системами ВР, позволяют группам ответственных лиц получать более оперативные и объективные решения путем анализа больших объемов информации с использованием эффекта погружения. Подобные центры помогают повысить качество, обоснованность и контроль исполнения сложных, стратегических решений, принимаемых в условиях дефицита времени и недопустимости серьезных ошибок.

ЦПСР строится в виде демонстрационного зала на 15-50 участников, который оснащается системой экранов и средств воспроизведения визуальной информации и звука, позволяющей добиться максимальной реалистичности восприятия информации, так называемого эффекта присутствия.

Подобная технология позволяет оперировать виртуальными моделями в пространстве возможных решений и принимать сложные решения не путем выбора из вариантов, заранее подготовленных экспертными группами, а на основе глубокого самостоятельного анализа имеющихся данных по существу решаемого вопроса.

Современные ЦПСР используются для принятия решений в области обороны; планирования военных операций; антитеррористической деятельности; в борьбе со стихийными бедствиями и пр.

В начало В начало

Образовательные системы ВР

Системы ВР открывают огромные перспективы в образовании. Ярким примером образовательного проекта с использованием технологии ВР является проект «Цифровая Галактика», представляющий собой модель галактики реального времени с большой степенью детализации и поразительно реальной графикой.

Программное обеспечение генерации изображений реального времени C-Galaxy разработано компанией Aechelon Technology и функционирует на базе графической системы Onyx2 InfiniteReality2. Визуальная база данных содержит информацию о 200 тыс. наблюдаемых звезд, туманностей и глобальных звездных скоплений. ВР позволяет проникнуть за пределы галактики, посмотреть на нее со стороны и лучше понять ее.

Виртуальный планетарий — не единственный пример образовательного проекта. Реализованы интересные исторические проекты, такие как «Античный мир» и «Древний Египет». В области биологии имеются системы, которые помещают зрителя в страну цветов, в город муравьев, в чрево акулы и даже внутрь человека.

В начало В начало

Следущая страница