Современные периферийные устройства виртуальной реальности



В данной статье рассматриваются базовые периферийные устройства виртуальной реальности, общий обзор данных устройств, характеристики, применение.

Ключевые слова: виртуальная реальность, HMD, VR Tracker, VR Gloves

Идеи, положившие начало «Виртуальной реальности», насчитывают более 50 лет. Еще в 60 годах XX века Американским патентным бюро было зарегистрировано устройство «телесферическая маска» под авторством Морта Хейлига, которое было описано, как «телевизионное устройство для индивидуального использования».

В последние годы быстрый рост производительности полупроводниковых микросхем, развитие программирования, разработка специальных средств передачи информации от компьютера человеку и от человека компьютеру вывели «виртуальную реальность» на качественно новый уровень восприятия. Итак, рассмотрим, за счет каких периферийных устройств, доступных на данный момент, это достигается.

Шлем виртуальной реальности.

Общепринятое название «виртуальный шлем» не лучшим образом отражает суть данного устройства. Первые виртуальные шлемы были весьма громоздкими, с большими микродисплеями, и, действительно, такую конструкции мог удержать только массивный шлем. Со временем микродисплеи стали гораздо компактнее, а шлемы, соответственно, легче и больше похожи на очки. Именно поэтому под словами «Шлем виртуальной реальности» подразумевается именно современный HMD (HMD — Head Mounted Displays), который лучше отражает суть данных устройств [2].

Шлем виртуальной реальности представляет собой устройство, предназначенное для отображения виртуального окружения пользователя, которое, как правило, включает в себя:

− два дисплея для правого и левого глаза, выполненных на специальных жидкокристаллических панелях и обеспечивающих вывод стереоизображения;

− систему виртуальной ориентации (трекинг), которая отслеживает и передает в компьютер линейные и угловые координаты положения головы пользователя;

− стереонаушники.

Длительное время серьезной проблемой было невысокое разрешение дисплеев, которые используются в этих устройствах, что сильно снижало качество выводимых на экран изображений [1].

Современные устройства лишены этой проблемы, а разрешение некоторых из них достигает 2160х1200(1080х1200 для каждого глаза) пикселей при глубине цвета 32 бита на пиксель и относительно не большом потреблении энергии.

В качестве примера рассмотрим технические характеристики шлема виртуальной реальности HTC Vive:

− разрешение каждого экрана: 1080x1200 пикселей;

− частота обновления данных: 90 гц;

− диагональный угол обзора: 110°;

− отслеживание движения: 6DOF ориентация в пространстве (гироскоп, акселерометр), лазерный трекинг с внешней базовой станцией;

− вес: 555 г.

Существуют также варианты шлемов с возможностью использования технологии Augmented Reality (наложенной виртуальной реальности), при использовании которых зрительно совмещаются реальные и виртуальные объекты. [1, 3].

Системы трекинга.

Система трекинга для виртуальной реальности представляет собой некую копию систем позиционирования и ориентации, существующих в природе. «Естественные» системы трекинга в реальном мире — органы чувств человека. Так, зрение помогает человеку определить, где он находится относительно других предметов и людей.

Если же кто-то лишен способности видеть, то у него для ориентации в пространстве включается слух. Например, летучим мышам и дельфинам ультразвук позволяет заметить мельчайшее препятствие и определить расстояние до него.

Для реализации трекинга применяются электромагнитные, ультразвуковые, инерционные и оптические системы [4].

Выбор технологии реализации системы трекинга в основном зависит от поставленных перед компанией бизнес-задач. В качестве примера рассмотрим современную трекинг систему от компании HTC — Vive tracker.

Данная система служит для того, чтобы перенести движения и положения любого предмета в виртуальную реальность. Схема переноса следующая: устройство крепится к какому-либо предмету и благодаря наличию множества датчиков в этом устройстве все движения предмета точным образом повторяются в виртуальной реальности. Данный трекер не определяет, к чему он прикреплен, не сканирует и не воссоздаёт в виртуальной реальности реальный объект, он лишь переносит в нее движения [5].

Манипуляторы.

Манипуляторы, или так называемые интерфейсы пользователя с обратной связью, применяются для взаимодействия с виртуальной реальностью с целью наиболее точного воссоздания контакта пользователя с окружением. Существует огромное множество различных манипуляторов: от простых рулей и разнообразных джойстиков, используемых в развлекательном сегменте, до узкоспециализированных тренажеров, предназначенных для отработки тех или иных техник управления в зависимости от поставленных задач, например, имитации управления самолетом и вертолетом.

Манипуляторы позволяют не только управлять самим объектом, но и скоростью изменения его положения. В настоящее время джойстики производят многие широко известные в мире фирмы-производители: Logitech, Thrustmaster, Saitek, Sega, Sony PlayStation, Genius, DVTech и др [1].

Перчатки виртуальной реальности (VRGloves).

В качестве примера рассмотрим еще не появившиеся в продаже, но уже получившие реализацию экзоскелетные перчатки Dexmo, от китайской компании Dextra Robotics, способные передавать физические ощущения от взаимодействия человека с несуществующими в реальности виртуальными объектами [6].

Перчатки отслеживают 11 степеней свободы движения рук пользователя и оказывают необходимое воздействие на каждый отдельный палец в момент взаимодействия руки с виртуальным объектом. Что удивительно, взаимодействия эти различаются в зависимости от того, взяли ли вы в руку виртуальный камень (приводы пальцев не позволят вам сжать пальцы далее, чем позволит размер объекта) или резинового утёнка (вы сможете сжать пальцы с небольшим усилием, имитирующим упругость резины) [7].

Всенаправленная беговая дорожка.

Рассмотрим дорожку Virtuix Omni VR, которую разрабатывает компания Virtuix. Для имитации движения в Omni используется скользкая платформа и специальная обувь, уменьшающая трение. С помощью поддерживающего поясного ремня человек удерживается в фиксированном кольце, поглощающем вес игрока. Всенаправленная беговая дорожка работает как игровой контроллер, позволяя игроку естественными движениями прыгать, приседать, двигаться боком, ходить и бегать по игровому ландшафту. Чашеобразная платформа имеет покрытие с низким коэффициентом трения и направляющими бороздками, благодаря которым ноги не скользят в сторону. На подошве обуви располагаются специальные накладки и удерживающий шип. Для отслеживания движения поддерживается отдельно установленный Kinect, который планируется заменить на собственное встроенное программно-аппаратное решение. Omni проектировался для использования совместно с шлемом виртуальной реальности, таким как Oculus Rift. Помимо активного применения в играх Omni можно использовать для пробежек и прогулок. Так, например, Лаборатория реактивного движения НАСА использовала технологии Oculus Rift и Virtuix Omni VR для прогулок по Марсу.

Помимо самой площадки-контроллера необходим набор специальной обуви, на подошве которой располагаются специальные накладки и удерживающий шип [8].

Методы записи движений человеческого тела.

В настоящее время известен ряд систем захвата движения, которые можно разделить на две группы — активные и пассивные.

В активных системах применяют датчики, которые передают информацию о своем состоянии. Для анализа движения человека используется специальный костюм, в который вмонтированы датчики, позволяющие определять их пространственные и угловые координаты. Эти системы отличаются простотой и точностью передаваемой информации, однако, они не всегда удобны, поскольку затрудняют движение объекта.

Системы с пассивными датчиками являются более сложными, хотя сами пассивные датчики устроены проще, чем активные датчики. В этих системах основная нагрузка ложится на программную обработку получаемой от них информации. Применение систем с активными датчиками не всегда возможно, например, при распознавании речи по движению губ. В этих случаях используют пассивные системы, которые по изображениям, получаемым от видеокамер, определяют координаты отдельных точек при движении губ.

При работе с пассивными системами вводится понятие ключевых областей, под которыми понимается совокупность элементов изображения объекта, по которым возможно восстановить картину его движения [1].

В качестве рассмотрим Lighthouse от компании Valve. Lighthouse — это новая и, самое главное, недорогая система для отслеживания игрока. Технология базируется не на дорогих камерах, а на очень простых компонентах и принципах [10].

Эмиттеры Lighthouse состоят из двух компонентов: инфракрасных LED и двух вращающихся инфракрасных лазеров — один по оси X, другой по оси Y. Эти лазеры отличаются от обычных точечных: каждый лазер Lighthouse — это линейный лазер. Они настроены таким образом, чтобы охватывать примерно 180 градусов.

Инфракрасные LED задают старт временного отсчета. Микроконтроллер начинает отсчет, когда получает изначальный синхронизационный сигнал, после чего ждет, когда X и Y лазеры осветят диод. В зависимости от времени, микроконтроллер напрямую указывает время задержки к X и Y подсчетам. При помощи нескольких фотодиодов, а также зная структуру их расположения, микроконтроллер может вычислить точную позицию ресивера.

Такое решение очень элегантно по ряду причин:

− Требуемые вычисления минимальны, особенно в сравнении с системой отслеживания на основе видео-фида;

− Невероятно низкая задержка. В отличие от других методик, системе не нужно ждать пока она получит тяжелые изображения, обработает и проанализирует их; Вычисления микроконтроллеров могут быть очень быстрыми и точно передавать углы наклона. Это критически важный аспект виртуальной и расширенной реальности, где ошибки вычислений и время задержки создают массу проблем и разрушают эффект VR;

− Система полагается на высокие временные разрешения на ресивере для определения углов, что превосходит все другие техники;

− Устройство ресиверов дешево — один фотодиод стоит очень мало. Они очень легкие и маленькие, что позволяет использовать их практически на любом объекте.

Данная технология позволяет добавить трекинг в будущие игровые устройства практически без увеличения их стоимости [10, 11].

Проблемы.

Хотя технологии виртуальной реальности и сделали огромный скачек вперед за последнее время, обзавелись большим количеством периферийных устройств, выводящих ощущения от виртуальной реальности на новый уровень, но все равно они еще только начали активно развиваться и находятся в начале своей истории.

Шлемы виртуальной реальности стали значительно меньше, тем не менее все равно представляют собой весьма увесистые и не слишком удобные устройства. Так же стоит отметить, что даже самые современные VR устройства не рекомендуется использовать длительное время, в некоторых случаях у пользователей даже наблюдаются такие симптомы, как тошнота, дезориентация и головная боль.

Помимо прочего негативно сказывается и тот фактор, что подобные устройства обычно имеют высокую стоимость, что ставит под вопрос их дальнейший коммерческий успех в персональной развлекательной среде.

Заключение.

Подводя итог, можно сказать, что если перечисленные проблемы будут решены, то технологии виртуальной реальности плотно войдут в нашу жизнь.

Проекты виртуальной реальности могут не только создавать концептуально новые рынки, но и расширять уже имеющиеся. Потенциальные сферы применения технологий VR: видеоигры, мероприятия в прямом эфире, кино и сериалы, продажи, образование, здравоохранение, военная промышленность, государственная служба, продажа недвижимости и проектирование [9].

Литература:

1. Красильников Н. Н. Цифровая обработка 2D и 3D изображений. — СПб.: БХВ-Петербург, 2011. — 608 с.
2. Периферийные устройства для глубокого погружения // КомпьютерПресс. URL: http://compress.ru/article.aspx?id=10361 (дата обращения: 20.03.2017).
3. Valve's VR headset is called the Vive and it's made by HTC // The Verge. URL: http://www.theverge.com/2015/3/1/8127445/htc-vive-valve-vr-headset (дата обращения: 20.03.2017).
4. Холодкова В. Виртуальная реальность: общие понятия, системы трекинга // Мир ПК. — 2008. — № № 04. — С. 55.
5. HTC Vive Tracker перенесёт движения любого предмета в виртуальную реальность // http://www.ixbt.com. URL: http://www.ixbt.com/news/2017/01/11/htc-vive-tracker.html (дата обращения: 20.03.2017).
6. Dexmo exoskeleton glove lets you touch and feel in VR // Engadget | Technology News, Advice and Features. URL: https://www.engadget.com/2016/08/24/dexmo-exoskeleton-glove-force-feedback/ (дата обращения: 20.03.2017).
7. DEXMO — ПЕРЧАТКИ, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ПРИКОСНУТЬСЯ К ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ // Hi-News.ru — Новости высоких технологий. URL: https://hi-news.ru/entertainment/dexmo-perchatki-pozvolyayushhie-prikosnutsya-k-virtualnoj-realnosti.html (дата обращения: 20.03.2017).
8. Virtuix Omni VR // vrtools.ru. URL: http://vrtools.ru/2014/05/15/virtuix-omni/ (дата обращения: 20.03.2017).
9. 9 сфер применения виртуальной реальности: размеры рынка и перспективы // vc.ru — бизнес, технологии, идеи, модели роста. URL: https://vc.ru/p/vr-use (дата обращения: 20.03.2017).
10. Как работает Valve Lighthouse // ITC. URL: http://itc.ua/blogs/kak-rabotaet-valve-lighthouse/ (дата обращения: 20.03.2017).
11. Как работает система отслеживания положения в пространстве от Valve — Lighthouse // Shazoo. URL: https://shazoo.ru/index.php/2015/05/18/30236/kak-rabotaet-sistema-otslezhivaniya-polozheniya-v-prostranstve-ot-valve-lighthouse (дата обращения: 20.03.2017).