П.Г. Катыс, канд. техн. наук, Hаучно-исследовательский ин-т "Информатизация спецсистем", МВД.
In this article are considered the different forms of using and is given clear determination of notion "virtual reality" in educational sphere, and also introduces general information about Virtual Reality Environment (SRE).
Введение
В настоящее время системы виртуальной реальности (СВР) находят применение в качестве средств обучения в различных областях знания и в профессиональном обучении. Предназначенные для обучения СВР представляют собой дальнейшее развитие класса компьютерных систем обучения, но отличаются от последних наличием трехмерного отображения синтезированной компьютером видеоинформации, значительно более высоким программно-алгоритмическим обеспечением, более совершенной вычислительной техникой и применением ряда новых информационных подсистем (подсистемы тактильного ощущения, речевого общения и др.) [1-5].
Острая потребность в эффективных системах компьютерного обучения и, особенно, в СВР ощущается в обществе в периоды экономических кризисов, когда по тем или иным причинам нарушается установившийся баланс потребности в различных специалистах. Очень важной задачей становится оперативная подготовка и переквалификация специалистов для ряда новых областей техники и промышленности. Для решения этих задач эффективно могут быть применены средства виртуальной реальности.
В первой части статьи приводятся некоторые общие сведения о СВР.
Во второй части - рассмотрены различные применения СВР в сфере обучения.
Средства виртуальной реальности служат для создания, с помощью компьютерной графики и других средств, реалистичного трехмерного видимого, осязаемого и звучащего пространства, в которое человек может быть погружен и где он может реально взаимодействовать с трехмерными объектами, созданными компьютером [6, 7].
Виртуальная реальность - это технология трехмерного информационного взаимодействия человека и компьютера, которая реализуется с помощью комплексных мультимедиа-операционных средств.
Таким образом, для человека создается в реальном времени иллюзия непосредственного вхождения в искусственный (мнимый) мир, сформированный на базе вычислительных и программных средств и присутствия в нем [8]. Для представления человеку объемной визуальной информации в таких системах применяются разнообразные средства ее трехмерного отображения.
Взаимодействие человека с СВР может осуществляться при помощи информационной перчатки (перчатки данных или информационного скафандра, а также при помощи голоса). Для получения эффекта касания или перемещения человеком предмета виртуального мира служит механизм биологической обратной связи тактильного типа.
Следовательно, виртуальная реальность создает у человека ощущения, которые дают ему основание считать, что он находится в реалистичной трехмерной виртуальной среде (а не в среде, где он реально существует в данный момент времени) и что он может успешно физически взаимодействовать с трехмерной виртуальной средой, используемой в целях обучения [9, 10].
При создании виртуальной реальности очень важно оптимальное комплексирование различных информационных средств. Для восприятия человеком с высокой достоверностью виртуальной окружающей среды необходимо обеспечить:
Для этого нужно осуществить автоматическое проектирование и "построение" подобной динамично изменяющейся среды, что достигается с помощью соответствующих вычислительных средств и программного обеспечения [11]. В последнее время для этой цели используется новый класс вычислительных систем - нейронно-сетевые компьютеры [12].
Методы и средства создания СВР
Являясь человеко-машинным интерфейсом качественно нового типа, моделирующим трехмерное реалистичное виртуальное окружение (внешнюю среду), СВР позволяют человеку войти в эту среду и взаимодействовать с ней. Действия человека в виртуальной реальности учитываются в процессе ее моделирования. Положение тела, направление взгляда, усилие мышц, а также результаты деятельности человека фиксируются разнообразными датчиками и вводятся в компьютер, замыкая обратную связь системы управления развитием воспроизводимого виртуального сценария.
Современный прогресс информационно-вычислительной техники позволяет создавать весьма реалистичные виртуальные пространства, что дает возможность человеку эффективно погружаться в объемную виртуальную реальность. Стало возможным визуализировать в трехмерном пространстве синтезированные компьютером сложные информационные структуры и взаимодействовать с их моделями разными способами, в том числе посредством голосовых команд и языка жестов. В качестве средства связи человека с компьютером могут использоваться стереокамера и микрофон. Сигналы микрофона распознаются как речевые команды, а движения головы и рук человека - в виде команд языка жестов [13]. В виртуальном пространстве сложные трехмерные информационные структуры визуализируются стереодисплеем, и человек может вносить в эти объемные картины желаемые изменения, обозначая их жестом руки или уточняя голосовой командой. Язык командных фраз и жестов обычно ограничен небольшим числом намечаемых изменений элементов и деталей формируемого трехмерного образа. Такие фразы представлены обычно набором команд типа "переместить", "повернуть", "освободить", "выбрать" и т.п.
Проблемное направление, связанное с построением СВР, является принципиально новым направлением в технологии создания систем человеко-машинного взаимодействия. К основным моментам, определяющим эффективность взаимодействия человека и машины в такой системе, относится создание высокоинформативных средств представления человеку трехмерной визуальной информации о синтезируемом виртуальном мире [14,15]. Степень погружения человека в виртуальное пространство существенно зависит от уровня организации интерфейса в СВР.
Для создания реалистичного изображения трехмерной виртуальной среды используется трехмерная графика с различными приемами тонирования и нанесения текстуры [16]. Трехмерное моделирование виртуальных объектов с реалистичным поведением является ключевым свойством СВР. Имитация поведения объектов виртуальной среды достигается путем реалистичного трехмерного показа внешней среды, сопровождаемого соответствующими звуковыми эффектами и даже, в ряде систем, специфическим движением частей объекта [17-20].
Как уже было сказано выше, эффект визуального погружения человека в виртуальную реальность обеспечивается благодаря формированию динамично изменяющейся во времени трехмерной реалистичной картины виртуальной среды. Для передачи естественного движения объектов в трехмерной сцене, необходимо воспроизводить объемное изображение с требуемым пространственно-временным разрешением, т.е. следует передавать последовательность изменения состояния среды с такой частотой кадров и таким числом строк, при которых человек воспринимает слитно (без мельканий и разрывов) отображаемую динамично изменяющуюся визуальную информацию.
В СВР для отображения трехмерной информации наибольшее распространение получили стереотелевизионные системы: как двух-, так и одноканальные. В стереосистемах первого типа два изображения - стереопары - отображаются одновременно на двух кинескопах (или двух плоских телевизионных панелях) и воспринимаются одновременно и левым, и правым глазом.
При этом у наблюдателя возникает иллюзия восприятия трехмерной сцены. Данный подход реализуется в так называемых стереовьюерах (нашлемных стереодисплеях). В одноканальных стереосистемах обычно реализуется последовательный принцип воспроизведения двух изображений стереопары на одном дисплее с последующим их разделением и направлением в левый и правый глаз наблюдателя.
Для разделения изображений стереопары используют различные очки: цветные, поляризационные, светоклапанные. Такие очки снижают видимую яркость изображения. Кроме того, необходимость использования специальных очков вызывает у наблюдателя определенный дискомфорт при восприятии трехмерной информации. Поэтому большое внимание здесь обращают на разработку систем трехмерного отображения, обладающих свойством автостереоскопичности, т.е. не требующих специальных стереоочков. К автостереоскопическим системам относятся растровые и голографические системы, а также системы с подвижными экранами.
Отметим, что стереосистемы и растровые системы трехмерного отображения в приемлемой по сложности реализации являются одноракурсными, т.е. в таких системах наблюдатель при любых смещениях головы может наблюдать только один ракурс трехмерного изображения [21, 22].
Многоракурсными являются цифровые электроголографические системы и системы с подвижными экранами. В таких системах, вследствие заложенных в них принципов действия, формируется трехмерное изображение, которое можно рассматривать в различных ракурсах, в любом направлении и в широком диапазоне углов [23, 24].
Для визуального погружения в виртуальную реальность существует целый арсенал трехмерных дисплеев: от встроенного в шлем достаточно простого стереодисплея до различных настольных и проекционных трехмерных дисплеев, работа которых основана на принципах растровой техники и цифровой электроголографии. При этом очень важен выбор оптимального варианта трехмерного дисплея для разрабатываемой СВР, так как в зависимости от типа трехмерного дисплея может быть достигнут существенно разный эффект вхождения человека в виртуальное пространство [25].
Трехмерный дисплей для создания виртуальной реальности должен соответствовать способности глаз человека воспринимать изменения отображаемой визуальной реальности при движении головы и глаз. Другими словами, такой трехмерный дисплей должен быть многоракурсным. Этим свойством не обладают обычные стереотелевизионные нашлемные дисплеи, в которых воспринимается только один ракурс трехмерного изображения.
Для создания многоракурсного отображения в нашлемной стереосистеме необходимо с помощью специальных датчиков определять изменения положения головы и взгляда наблюдателя и, в соответствии с полученными сигналами, вносить вычислительным путем нужные изменения в изображение стереопары, подаваемое в нашлемный стереодисплей. Однако такой подход довольно сложен и, как следствие, не дает высокой точности отображения динамично изменяющейся многоракурсной картины [26].
Поэтому в ряде СВР используются автостереоскопические многоракурсные системы трехмерного отображения визуальной информации, что одновременно приводит к усложнению общей схемы СВР.
При разработке высокоэффективных нашлемных дисплеев для систем ВР, возникает ряд проблем, основными из которых можно считать следующие: обеспечение необходимой разрешающей способности, требуемого угла зрения и соответствующей информационной производительности вычислительных структур, синтезирующих нужную видеоинформацию. Перечисленные параметры должны находиться в тех пределах, которые обеспечивают человеку комфортное восприятие быстроменяющейся трехмерной визуальной информации.
Даже самые лучшие современные дисплеи являются по пространственному разрешению слишком "крупнозернистыми" для зрительной системы человека при их использовании в стереошлемах. Кроме того, при восприятии человеком изображения со стереодисплея имеет место суженный угол зрения, который не соответствует полю зрения человека при наблюдении им реальных трехмерных сцен.
Одним из путей частичного устранения названных недостатков можно считать создание специального лазерного микросканерного минидисплея с разрешающей способностью порядка 8000і6000 элементов в кадре. Использование двух таких минидисплеев в нашлемной стереосистеме может значительно повысить эффект визуального вхождения человека в виртуальную реальность.
Для лучшего ощущения реальности при вхождении в виртуальную реальность необходимо значительно увеличить объем и скорость вычислений при синтезе телевизионных стереопар. Производительность современных вычислительных систем пока не обеспечивает для зрения человека комфортного восприятия трехмерной динамично изменяющейся визуальной информации о виртуальном пространстве.
Однако применение вычислительных структур, основанных на новейших нейронных технологиях и имеющих разветвленную параллельную архитектуру, позволяет рассчитывать, что в ближайшее время будет возможно эффективное управление трехмерной визуальной средой в виртуальном пространстве и что будут созданы достаточно комфортные условия для зрительного восприятия СВР [27, 28]. В ряде случаев наиболее эффективно применение автостереоскопических многоракурсных систем отображения, таких, как некоторые растровые системы (в многоракурсной реализации) и, особенно, цифровые электроголографические системы отображения. Они позволяют создать для человека естественные условия многоракурсного восприятия трехмерного изображения. Однако использование современных голографических систем пока связано с большими вычислительными затратами, а уровень достигнутых характеристик оставляет желать лучшего. Эти автостереоскопические многоракурсные системы подробно рассмотрены в работах [23, 24].
Методологические и психофизиологические аспекты создания виртуального пространства и взаимодействия с ним человека разработаны еще слабо, и здесь имеется множество вопросов.
Как известно, создание технических средств, позволяющих реализовать виртуальную реальность, явилось результатом развития трехмерной компьютерной графики, средств ввода/вывода информации и сетевых технологий. Однако, вследствие ограниченных ресурсов, системы этого класса часто разрабатываются в виде упрощенных вариантов, содержащих ряд ограничений по реализуемым функциям. Одновременно создаются и перспективные проекты, ориентированные на развитие компьютерных технологий.
Упрощенные варианты СВР применяются в качестве различных имитаторов, тренажеров и игровых систем. Они позволяют на обычном персональном компьютере с помощью специальных очков и традиционных средств ввода/вывода информации формировать трехмерное изображение виртуального пространства в реальном времени.
При стереозвуковом сопровождении СВР обеспечивается достаточно высокая реалистичность трехмерного изображения. Однако в таких системах ограничена свобода перемещения и обзора пространства, недостаточен набор возможных пространственных объектов, упрощена структура пространства и т.д. Это объясняется тем, что данные системы ориентированы на существующий уровень вычислительной техники и программного обеспечения [29, 30].
Преимущество виртуального пространства, по сравнению с другими традиционными средствами формирования трехмерных изображений, заключается в возможности непосредственно влиять на объемную сцену в реальном времени путем формирования управляющих воздействий. Это позволяет в свою очередь создавать реалистичные трехмерные изображения при моделировании динамических процессов и ситуаций. При наличии некоторого дополнительного оборудования такая система создает полный эффект погружения в объемную виртуальную сцену, чего нельзя достигнуть с помощью традиционных средств трехмерного отображения информации. Подчеркнем, что возникающая виртуальная реальность всегда интерактивна, что дает возможность человеку по своему желанию устанавливать с ней контакт и прекращать его [31].
Кроме этого, существует ряд составляющих, на которых основывается возникновение эффекта виртуальной реальности.
Первой составляющей можно считать необходимость создания высокоинформативного трехмерного цветного изображения, позволяющего человеку комфортно воспринимать динамично изменяющиеся объемные сцены виртуального пространства, которые характеризуются высоким пространственно-временным разрешением.
Второй составляющей является возможность получать при контакте с виртуальной средой обратные сигналы в форме адекватных перцептивных откликов - тактильных, звуковых и др. Эти отклики должны с высокой точностью соответствовать визуальной информации, получаемой по зрительному каналу восприятия.
Третья составляющая - это возможность активно воздействовать на состояние виртуальной среды и на процессы, протекающие в ней, при полном отражении результатов воздействия в информационных потоках, которые поступают человеку по зрительному, тактильному, звуковому и другим каналам [32, 33].
Полноценный эффект возникновения виртуальной реальности может быть достигнут только тогда, когда все перечисленные составляющие будут реализованы одновременно в интерактивном режиме системы человек-компьютер.
Однако имеются проблемы, мешающие успешной и полноценной реализации названных составляющих при формировании эффекта виртуальной реальности.
Одни из этих проблем носят теоретический, другие - чисто технический характер. Кроме того, эти проблемы связаны отчасти с психологическими факторами и с постижением человеком виртуального мира, а также затрагивают вопросы, отражающие особенности восприятия физических и иных процессов, происходящих в реальном мире [34].
Список литературы