ВИРТУАЛЬНАЯ И ДОПОЛНЕННАЯ РЕАЛЬНОСТИ (VR И AR)

АННОТАЦИЯ

Исследования по разработкам интерактивных систем, которые помогут взаимодействовать с виртуальной реальностью или которые дополняют нашу реальность, проводились еще в начале двадцатого века, а термин объединенной реальности, частью которого являются AR и VR с нынешней точки зрения, появился относительно недавно, также, как и рынок самих технологий AR и VR. И несмотря на то, что значения терминов виртуальной и дополненной реальности не подверглись большим изменениям за 30 лет, однако технологии претерпели существенные переработки как в плане улучшения аппаратного и программного обеспечении, так и наполненности. Границы их использования лежат за пределами области развлечений и игр.

ABSTRACT

Research on the development of interactive systems that will help interact with virtual reality or that complement our reality was carried out at the beginning of the twentieth century, and the term joint reality, of which AR and VR are from the current point of view, appeared relatively recently, as well as the market AR and VR technologies themselves. And despite the fact that the meanings of the terms virtual and augmented reality have not changed much in 30 years, however, the technologies have undergone significant revisions both in terms of improving hardware and software, and fullness. The boundaries of their use lie outside the field of entertainment and games.

Ключевые слова: Виртуальная реальность, дополненная реальность, технологии, четвертая промышленная революция, инновации.

Keywords: Virtual reality, augmented reality, technology, fourth industrial revolution, innovation.

За последние годы постоянно ведутся разговоры о дополненной (AR) и виртуальной реальности (VR). Эти технологии освещаются в новостях, оказываются объектами различных исследований, существуют книги и фильмы, в основе которых лежат виртуальная и дополненная реальности.

На быстрый прогресс VR и AR особое воздействие оказало резкое развитие мобильных устройств. В течении 10 лет сенсорные смартфоны c мощными начинками пришли на смену кнопочным аппаратам. Растущие вычислительные способности цифровых устройств вывели технологии VR и AR на совсем другой уровень, ведь уже сейчас они выбираются за границы сферы развлечений и входят в различные области человеческой деятельности. Кроме области развлечений, технологии «virtual reality» и «augmented reality» в современном мире применяются в различных программах и приложении для инженеров, архитекторов, дизайнеров, художников, риелторов и т.д.

Виртуальная и дополненная реальности применяются в сфере образования и сфере медицины, а также на их основе создаются обучающие приложения и тренажеры. С каждым днем растет актуальность этих технологии и их влияние на повседневную жизнь человека [1].

Термин объединенной реальности была рассмотрена в 1994 году. Объединённая реальность указана в качестве концепции, где предметы действительного и искусственно созданного миров совмещаются и взаимодействуют в реальном времени. Соединяющие детали в этой концепции – так называемые, дополненная реальность и дополненная виртуальность.

Авторы концепции дали значения каждому термину:

• Полная реальность – это окружающий нас мир, в котором мы живем;

• Виртуальная реальность - виртуальный мир, который был реализован благодаря современным информационным технологиям;

• Дополненная реальность - материальный мир, но который «дополняется» виртуальными объектами;

• Дополненная виртуальность – цифровой мир, но который «дополняется» материальными объектами реального мира [2].

В данной статье разбираются, в первую очередь, дополненная реальность (AR) и виртуальная реальность (VR). Главное отличие VR от AR заключается в том, что виртуальная реальность создает абсолютно цифровой мир, без возможности доступа к реальности, а дополненная реальность только дополняет окружающий мир виртуальными объектами и деталями, таким образом модифицирует окружающую среду вокруг пользователя.

В VR окружающий виртуальный мир конструируется с помощью совокупного влияния на восприятие окружения человека в реальном времени с применением специальных шлемов виртуальной реальности или других средств.

Мозг человека не различает разницы между реальным миром и виртуальным, и потому нейроны откликаются на виртуальные элементы так же, как и на элементы реального мира. Именно благодаря этому создается впечатление реальности происходящего и человек погружается в виртуальную среду.

Первым этапом к разработке технологий VR вправе считать попытки создания устройства, которое искусственно повторяющий условия окружающего мира, но в то же время оказывающего совокупное влияние на восприятие пользователя. В 1929 году был запатентован «Линк Трэйнер» - тренажер для полетов. Как визуальный образ была применена движущаяся картинка, специальные рычаги передавали различные движения: вращения, падения, смену курса. Благодаря этому складывалось чувство движения [7].

Возможность преподнести человеку особенно реалистичные впечатления, погрузить его в виртуальный мир невозможно без совокупного воздействия на человеческие чувства. Еще в 50-х годах прошлого века эти эффекты рассматривались в сфере киноиндустрии. Основное восприятие человека на 70% идет от визуальной составляющей. Для полного погружения нужно использовать 100% поля зрения и в то же время не утратить четкость изображения. Таким образом, для создания эффекта присутствия подобного рода такой результат должен быть достигнут и касательно других органов восприятия.

В 1957 году Мортон Хейлиг впервые разработал виртуальный симулятор «Сенсорама», со стороны похожий на игровой автомат с закрывающим куполом. «Сенсорама» являлся своего рода 4Д-кинотеатром для одного человека. Пользователь имел возможность совершить виртуальную поездку на мотоцикле по улицам Бруклина. Иммерсивность обеспечивалась благодаря влиянию на все пять органов чувств одновременно: на экране крутилось видео «от первого лица», которое было снято тремя видеокамерами, кресло вибрировало, благодаря вентиляторам возникало ощущение встречного ветра, стереодинамики передавали звуки оживленной улицы, а также в комнату запускались определенные запахи.

В конце 60-х годов А. Сазерленд разработал первый в мире шлем для симуляции реальности и назвал его «Дамоклов меч». Название было дано потому что к потолку, над головой пользователя прикреплялся головной экран, передающий визуально различные образы. Ко всему прочему, «Дамоклов меч» давал возможность менять образы в зависимости от движения головы.

Сазерленд говорил, что «системы виртуальной реальности - это зеркало в математическую страну чудес». Эти устройства дают возможность ознакомиться с теми идеями, которые не могут быть реализованы в реальном мире. Границей развития этих систем станет такое устройство, благодаря которому компьютер сумеет управлять существованием материи.

Разработки Хейлига и Сазерленда не были коммерческими успехами, однако они стали базами для будущих разработок. Их изобретения воодушивили Эндрю Липпмана, и он вместе с MIT в 1978 году разработал первую интерактивную карту города Аспен. В результате возможно стало совершить виртуальную поездку по городу на автомобиле [6].

В восьмидесятых годах средства виртуальной реальности были применены в череде проектов NASA. В девяностых годах средства VR раскрылись в индустрии видеоигр. В 1993 году международная компания, производящая видеоигры и оборудование для них «Sega» создала игровую консоль «Genesis» - платформу с применением VR-технологий.

Увы недостаток мощностей тех времен стало причиной того, что у человека появлялась тошнота, а также головокружение. По этой причине консоли так и не вышли в продажу. Их дороговизна повлекло к тому, что от технологий VR на некоторое время отказались.

Опыты по воплощению дополненной реальности касаются начала прошлого века. В период Первой мировой войны в воздушном флоте начали применять коллиматорные прицелы – прицелы, которые позволяют человеку наблюдать изображение точки прицеливания, независимо от положения глаза [5].

Понятие «дополненная реальность» впервые использовал Т. Коделл в 1992 году, когда давал определение цифровым дисплеям, применяющиеся при строительстве самолетов. Рабочие имели при себе портативные компьютеры, а также могли смотреть на чертежи и инструкции благодаря шлемам, у которых были полупрозрачные дисплейные панели.

В 1992 году Льюис Розенберг создал одну из первых действительно работающих систем AR. Экзоскелет Розенберга давал возможность виртуально контролировать машины, которые были в удалении от пользователя.

В общей сложности, в конце XX и начале XXI веков исследования в сфере дополненной реальности очень часто были связаны с авиацией. К примеру, была цель автоматически устанавливать направление движения в зависимости какую цель выбрал пилот, при этом одновременно датчики показывали необходимую информацию на фоне окружающей обстановки. Другими словами, дополнительная информация которую видел пилот, сопровождала реальные объекты.

В 1997 году Р. Азума определил главные условия AR: сочетание реального и искусственно созданного миров, интерактивность в реальном времени, изображение в 3D-пространстве. Азума говорил, что неправильно заключать понятие AR в границы конкретных устройств, например, очками. Кроме добавления дополнительных виртуальных элементов в реальность, дополненная реальность также может позволять удаление элементов реального.

В начале нового века разработчики систем VR и AR снова повернулись к сфере развлечений. В 2000 году с помощью системы AR в игре «Quake» можно было сражаться с чудовищами по реальным улицам. На самом деле, для этого необходим был шлем виртуальной реальности, и по этой причине технология в игре не снискала популярности, однако это стало предпосылкой для создания популярной игры «PokemonGo».

В 2010-х технологии VR и AR преодолели еще одну ступень к потребительской аудитории. В 2012 году неизвестный стартап «Oculus» начал сбор средств для разработки шлема виртуальной реальности. Разработчики гарантировали людям «эффект полного погружения» благодаря использованию дисплеев с разрешением 640x800p для каждого отдельного глаза. В 2014 году Google* начала разработку «Google* Glass» - мини-компьютера, вмонтированного в оправу очков. А уже в 2016 году Microsoft представила «HoloLens» - очки дополненной реальности. Эти действия подтолкнули мир к активным исследованиям в сфере технологий VR и AR. В результате, изучив историю развития и изменения виртуальной и дополненной реальностей, следует подчеркнуть, что у них есть множество общих черт:

• в базе этих технологий находятся аналогичные алгоритмы;

• интерактивное взаимодействие с человеком в реальном времени;

• изображение в ЗD-пространстве сообщается с помощью технических средств.

AR объединяет реальный и виртуальный миры, добавляя в реальный мир дополнительные элементы, таким образом усилия его восприятие. VR, само собой, абсолютно виртуальна, сменяя реальный мир, добивается абсолютного погружения.

Несмотря на то, что термины и концепции VR и AR не перенесли критических изменений за последние несколько десятков лет, это невозможно сказать о самих технологиях. Системы VR и AR прошли грандиозный путь развития как с точки зрения модернизации аппаратного и программного обеспечении, так и с точки зрения наполнения. Ниже описаны технологии VR и AR, которые есть на современном рынке.

Шлемы и очки («Head Mounted Display», HMD). При использовании шлема для каждого глаза человека используется отдельный дисплей, сам шлем предотвращает попадание внешнего света, уши закрывают наушники, также внутри шлемов есть другие устройства, такие как акселерометры и датчики положения. На экранах передаются слегка сдвинутые в отношении друг друга изображения, создавая тем самым реалистичное восприятие. По большей части шлемы виртуальной реальности весьма большие, однако в последние годы создавались более легкие варианты (и даже картонные). Они как правило создавались для смартфонов с различными приложениями виртуальной реальности. Head Mounted Display делятся на три вида:

• настольные шлемы. Этим видам шлемов виртуальной реальности необходимо присоединение к компьютеру («HTCVive», «OculusRift») или консолям («Playstation VR»), и как правило они требуют высокой мощности;

• более бюджетные мобильные устройства. Они работают в сочетании со смартфонами, менее требовательны к железу и более компактные, чем компьютерные, выглядят в основном как держатели для смартфона наподобие очков («Samsung Gear VR», «Google* Cardboard», «YesVR»);

• автономные очки виртуальной реальности - отдельные приборы, у которых есть собственные операционные системы, визуальная составляющая обрабатываются прямо в устройстве: «OculusGo», «HTCViveFocus», «SulonQ», «DeePoon», «AuraVisor».

Комнаты виртуальной реальности («Cave Automatic Virtual Environment»). Визуализация происходит на стенах комнаты, как правило на «Motion Parallax» дисплеях. Благодаря им у человека в комнате складывается ощущение объемного объекта, потому что на стене показывается специальное изображение виртуального предмета, созданная в соответствии с месторасположением человека. В некоторых случаях для полного погружения в комнатах виртуальной реальности применяют еще и очки или шлемы виртуальной реальности. Есть эксперты, которым кажется, что данный вид виртуальной реальности гораздо совершенен, поскольку экраны способствуют отображению изображения в более высоком разрешении, нет надобности использовать тяжелые устройства и возиться с проводами, нет эффекта укачивания, облегчается самоидентификация, так как человек постоянно видит себя.

Дополнительные гарнитуры. Специальные перчатки, а также джойстики улучшают определение положения человека и его действия.

Другие приборы. В их перечень нужно включить разнообразные платформы («3DRudder») и беговые дорожки («VirtuixOmni»). Человек в состоянии управлять движениями своих ног, а с дорожками – еще и двигаться в виртуальном пространстве, не боясь налететь на препятствия в реальном мире.

Интерактивные стенды и киоски, которые производят проекции в дополненной реальности. Эти устройства часто применяются в отрасли продаж, на разнообразных выставках. Стенды и киоски - это экраны с широким разрешением, которые дают возможность проецировать виртуальные изображения в конкретном контексте (к примеру, показ некоторых функций продукта), а также просматривать информацию в интерактивном режиме. Проекцию можно накладывать на какую угодно поверхность [4].

Обобщая вышесказанное, необходимо заметить, что в настоящий момент рынок VR и AR только начинает эволюционировать и использование этих технологий выйдет за пределы отрасли развлечений и игр. Уже сейчас программы с их применением толкают не только на разработки концептуально новых рынков, а также и развивают уже существующие.

Недостатки.

В настоящий момент крупные компании продолжают вкладывать большие деньги в технологии VR и AR, но эти технологии пока что не стали широко распространёнными. В росте средств виртуальной и дополненной реальности есть некоторые проблемы:

• Большие и тяжелые гарнитуры для применения в сфере виртуальной реальности. Людей смущает внешний вид некоторых устройств. Что касается дополненной реальности большинство пользователей говорят о неудобстве очков;

• Нехватка качественного наполнения. Люди говорят об единообразии существующего медиа-продукта, а также о его низком качестве;

• Дороговизна. Основная масса компаний желают приобрести полнофункциональные портативные устройства - шлемы и очки, ибо для их продукции мобильные устройства и маломощные варианты шлемов и очков не соответствуют по требованиям;

• Юридические проблемы. По большому счету компании беспокоятся в отношении проблем с приватностью данных и кибербезопасностью [3];

Похожая ситуация возникает в сфере специализированного программного обеспечения. Заказ ПО будут стоить больших денег, а в особенности если они выходят за границы базовых ПО или если они создаются для узкоспециализированных сфер и обязаны принимать во внимание множество отраслевых особенностей.

Проблемой является при этом несовершенства устройств и программного обеспечения. Текущий уровень развития просто не способствует раскрыть все возможности дополненной и виртуальной реальности. Одной из главных особенностей виртуальной реальности является иммерсивность. Но полного погружения невозможно достигнуть исходя из низкого качества изображения, небольшой мобильности и слабой мощности различных платформ (ПК, консоли).

Вопрос низкой подвижности в VR прежде всего связаны с большим количеством различных проводов, небольшой территорией трекинга, большими габаритами и тяжестью шлемов и других устройств. Для уменьшения размеров устройств, к примеру, джойстиков, не нужны крупные разработки, но к сожалению, в данный момент нет способа уменьшить размеры и вес шлемов, при этом увеличить их мощность и мобильность. Другими словами, основная задача разработчиков - улучшение дизайна и мобильности без потери мощностей устройств.

Заключение. Технологии VR и AR открывают широкое возможности их использования в разных сферах деятельности человека. Виртуальная и дополненная реальности на данной ступени развития может послужить важной формой поддержки, при помощи которой есть возможность в значительной степени увеличить эффективность работы в различных областях.

Сотрудники «Bank of America Merrill Lynch» в своем анализе утверждают, что одновременно с «BigData», облачными технологиями, и ИИ, VR и AR окажутся ключевыми в четвертой промышленной революции, и смогут быть важнейшими факторами вычислительных машин следующего поколения.

*(По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации – прим. ред)

Список литературы:

1. Дюличева Ю. Ю. О применении технологии дополненной реальности в процессе обучения математике и физике. Открытое образование. – 2020. – №3 – С. 44-55. – https://doi.org/10.21686/1818-4243-2020-3-44-55
2. Особенности VR-разработки. Часть 1. С чего начать? [Эл. ресурс]. URL: https://dtf.ru/gamedev/628149-osobennosti-vr-razrabotki-chast-1-s-chego-nachat
3. Рахматуллаев А.Н., Иманбек Р.К., Рахымова А.Р. Технология виртуальной реальности [Электронный ресурс] // Молодой ученый. – 2021. – №18 (360). – С.50-58. – https://moluch.ru/archive/360/80615/
4. Соснило А. И., Креер М. Я., Петрова В. В. Технологии виртуальной и дополненной реальности в менеджменте и образовании. Управление. – 2021. – №9 (2) – С. 114-124. – https://doi.org/10.26425/2309-3633-2021-9-2-114-124
5. Тычков А. Ю., Буныгин Е. В., Бутров Н. А. Виртуальная реальность для вооруженных сил: обзор // Вестник Пензенского государственного университета. – 2020. – № 4. – С. 107-114.
6. Тычков А. Ю., Грачев А. В., Алимурадов А. К., Чураков П. П. Исследование особенностей передачи мультимедийной и параметрической информации в среде виртуальной реальности // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2020. – № 4. – С. 27-38.
7. Tychkov A. Yu., Ageykin A. V., Alimuradov A. K. The effect of virtual reality on mental health in the design of automated control systems // IEEE Dynamics of Complex Networks and their Application in Intellectual Robotics. – 2020. – Vol. 29. – P. 134-136.