IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ (VIRTUAL REALITY)
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В данной работе представлен материал о виртуальной реальности (Virtual Reality). Тема достаточно актуальная и представляет повышенный интерес для учащихся профильных классов.
Цель данной работы заключается в том, чтобы получить дополнительные знания по этой теме.
Задача состоит в том, чтобы подобрать соответствующий материал с последующей систематизацией, обобщением и иллюстрацией текста.
Работа состоит из двух частей: теоретической (даны определения, свойства, типы, оборудование, области применения VR) и практической (приведён пример разработки инженерного проекта).
Основная часть
Виртуальная реальность (VirtualReality)
§ 1. Что такое виртуальная реальность (VR)?
VR (виртуальная реальность) – это искусственно созданный трехмерный цифровой мир, позволяющий переместить человека в любое время и место. С помощью различных сенсоров и периферийных устройств виртуальный мир ощущается почти как реальный(рис. 1.1).
AR (дополненная реальность) – это технология добавления в поле восприятия человека виртуальной информации, которая воспринимается как элементы реальной жизни.
Таким образом, если в виртуальной реальности человек находится в полностью цифровом окружении, имитирующем реальный мир, то в дополненной реальности пользователь остается в окружающем пространстве, но его опыт расширяется путем добавления виртуальных компонентов. [7]
Рис. 1.1 Виртуальный мир ощущается как реальный
§ 2. История создания VR
В течение долгого времени виртуальная реальность казалась лишь научно-фантастической концепцией. Затем, после того, как технология перестала выглядеть одной лишь фантазией, учёные, изобретатели и футурологи начали понимать, что объединение головных уборов с оборудованием может транспортировать человека в совершенно новые миры, оставляя ноги в реальном мире. [5]
1956 год. Sensorama – 3D-дисплеи
На первый взгляд устройство походило на какое-то медицинское оборудование, но на самом деле это была одна из первых попыток отгородиться от реального мира и попасть в другую вселенную. Sensorama имела стереозвук, 3D-дисплей, небольшой генератор и даже посадочное место, которое вибрировало, когда того требовало происходящее на экране (рис. 2.1). Это было кинематографическое детище Morton Heilig, который подготовил шесть короткометражных фильмов, включая “Свидание с Сабиной” и “Я Бутылка Кока-Колы”. [5]
Рис. 2.1. Sensorama-3D-дисплеи
1961 год. Headsight – начальник слежения
Устройство, которое в скором времени получит повсеместное применение, начинало свою жизнь как сверхсекретный военный проект. Инженеры корпорации Philco свели в одном шлеме видеоэкран с базовой системой отслеживания и связали все для CCTV. Основная цель Headsigh состояла в том, чтобы удаленно наблюдать ситуации, которые слишком опасны, чтобы находиться в непосредственной близости от них (рис. 2.2). [5]
Рис. 2.2. Headsight – начальник слежения
1966 год. GAFViewmaster-стереоскопический 3D
Знаковый красный стереоскоп объединял несколько отличающихся друг от друга изображения одной и той же сцены, позволяющих создать единое 3D-изображение (рис. 2.3). Устройство первым дало теперь уже знакомое каждому ощущение погружения в другой мир. [5]
Рис. 2.3. GAF Viewmaster-стереоскопический 3D
1968 год. SwordofDamocles-AR графика
Также известно как система передвижного дисплея (HMD). Это был первый опыт Линкольновской лаборатории Массачусетского технологического института, и предполагала наложение геометрической сетки на зрение пользователя. Это была первая система, способная заменить камеру с компьютером. Сложность заключалось в том, что все составные части системы были настолько тяжелыми, что устройство должно было быть подвешено к потолку на механическую руку (рис. 2.4). [5]
Рис. 2.4. Sword of Damocles-AR графика
1980 год. EyeTap-миниатюризация
Стив Манн создал громоздкий рюкзак-компьютер, подключенный к шлем-камере и видоискателю. Манн запряг расщепитель луча, чтобы демонстрировать сцену, как пользователю, так и компьютеру, подключенному к камере, что позволяло производить наложение данных в реальном времени. Хотя реальность Манна была дополненной, а не виртуальной, его последующие прототипы Eye Tap показали, что виртуальные технологии не обязательно должны быть громоздкими и неестественными (рис. 2.5). [5]
Рис. 2.5. Eye Tap-миниатюризация
1984 год. RB2-контролеры FirstVR
RB2 была первой коммерческой системой VR и включала в себя перчатки, позволяющие пользователям крутить и переворачивать виртуальные объекты, которые появлялись на дисплее EyePhone. Весь комплект стоил $100000, хотя был и бюджетный вариант за $50000 (рис. 2.6). [5]
Рис. 2.6. RB2-контролеры First VR
1985 год. NASA – ЖК-оптика и головка слежения
На протяжении последних четырех десятилетий Космическое агентство играло важную роль в разработке VR, комбинируя светодиоды, жидкокристаллические дисплеи и широкоугольную оптику, позволяющие создать хороший эффект виртуальной реальности. Тогда же, в 80-е впервые появились технологии отслеживания, созданные усилиями частных компаний (рис. 2.7). [5]
Рис. 2.7. ЖК-оптика и головка слежения
1995 год. CAVE-Несколько пользователей
В CAVE (автоматическая виртуальная среда) использовались стереоскопические ЖК-затворные очки и настенные проекции, позволяющие создавать трехмерную сцену, через которую пользователь мог бы пройти. Технология была разработана студентами Университета штата Иллинойс. Им удалось создать легкие VR-очки, больше похоже на те, что производят сегодня. Новаторство CAVE заключалось еще и в том, что в виртуальном пространстве могли находиться одновременно несколько пользователей (рис. 2.8). [5]
Рис. 2.8. CAVE-Несколько пользователей
§ 3. Свойства VR
Полный набор встретить можно редко, но ниже перечислены те особенности, на которые нужно ориентироваться при создании виртуальной реальности.
Правдоподобная — поддерживает у пользователя ощущение реальности происходящего.
Интерактивная — обеспечивает взаимодействие со средой.
Машинно-генерируемая — базируется на мощном аппаратном обеспечении.
Доступная для изучения — предоставляет возможность исследовать большой детализированный мир.
Создающая эффект присутствия — вовлекает в процесс как мозг, так и тело пользователя, воздействуя на максимально возможное число органов чувств. [8]
§ 4. Типы VR
4.1. VR с эффектом полного погружения
Этот тип подразумевает наличие трёх факторов:
Правдоподобная симуляция мира с высокой степенью детализации.
Высокопроизводительный компьютер, способный распознавать действия пользователя и реагировать на них в режиме реального времени.
Специальное оборудование, соединенное с компьютером, которое обеспечивает эффект погружения в процессе исследования среды (рис. 4.1). [8]
Рис. 4.1. Эффект полного погружения
4.2. VR без погружения
Не каждому и не всегда необходимо полное погружение в альтернативную реальность. К типу “без погружения” относятся симуляции с качественным изображением, звуком и контроллерами, в идеале транслируемые на широкоформатный экран. Также в эту категорию попадают такие проекты, как археологические 3D-реконструкции древних поселений или модели зданий, которые архитекторы создают для демонстрации своей работы клиенту. Все перечисленные выше примеры не отвечают стандартам VR в полной мере, но позволяют прочувствовать моделируемый мир на несколько уровней глубже, чем другие средства мультимедиа, а потому причисляются к виртуальной реальности. [8]
4.3. VR с совместной инфраструктурой
Сюда можно отнести “виртуальные миры” вроде Second Life и Minecraft. Единственное свойство из перечисленного выше, которого им не хватает для полного комплекта — создание эффекта присутствия: такие миры не обеспечивают полного погружения (в случае с Minecraft это касается только стандартного управления — у игры уже существует версия для виртуальной реальности, поддерживающая шлемы Oculus Rift и Gear VR). Тем не менее, в виртуальных мирах хорошо прописано взаимодействие с другими пользователями, чего часто не хватает продуктам “настоящей” виртуальной реальности.
Виртуальные миры используются не только в игровой индустрии: благодаря таким платформам, как 3D Immersive Collaboration и Open Cobalt можно организовывать рабочие и учебные 3D-пространства — это называется “совместная работа с эффектом присутствия”.
Создание возможности одновременного взаимодействия в сообществе и полного погружения сейчас является одним из важных направлений развития VR (рис. 4.2). [8]
Рис. 4.2. Виртуальные миры
4.4. VR на базе интернет-технологий
Специалисты в области компьютерных наук разработали способ создания виртуальных миров в Интернете, используя технологию Virtual Reality Markup Language, аналогичную HTML. Она на какое-то время была обделена вниманием и сейчас считается устаревшей, но учитывая возрастающий интерес Facebook к VR, в будущем виртуальная реальность обещает основываться не только на взаимодействии, но и на интернет-технологиях. [8]
§ 5. Оборудование VR
5.1. Шлемы и очки
Такие устройства состоят из двух небольших экранов, расположенных напротив каждого глаза, штор, предотвращающих попадание внешнего света, и стереонаушников. Экраны показывают слегка смещенные друг относительно друга стереоскопические изображения, обеспечивая реалистичное 3D-восприятие.
В шлемах также содержатся встроенные акселерометры и датчики положения. В большинстве своем продвинутые VR-шлемы довольно громоздкие, но в последнее время появилась тенденция к созданию упрощенных легковесных вариантов (в том числе и картонных), которые обычно предназначены для смартфонов с VR-приложениями.
Шлемы для виртуальной реальности делятся на три типа:
Для компьютера — работают в связке с ПК или консолями: Oculus Rift, Playstation VR, HTC Vive (рис. 5.1).
Для мобильных устройств — называются гарнитурами и работают в связке со смартфонами, представляют собой держатель с линзами: Google Cardboard, Samsung Gear VR, YesVR.
Независимые очки виртуальной реальности — самостоятельные устройства, работают под управлением специальных или адаптированных ОС: Sulon Q, DeePoon, AuraVisor. [8]
Рис. 5.1. Шлем для виртуальной реальности - HTC Vive
5.2. Комнаты
Альтернатива для тех, кто не хочет испортить прическу — изображения в данном случае транслируются не в шлем, а на стены помещения, часто представляющие собой дисплеи MotionParallax3D (хотя для более полного UX в некоторых таких комнатах нужно надевать 3D-очки или даже комбинировать CAVE и HMD). Есть мнение, что VR-комнаты гораздо лучше VR-шлемов: более высокое разрешение, нет необходимости таскать на себе громоздкое устройство, в котором некоторых даже укачивает, и самоидентификация происходит проще благодаря тому, что пользователь имеет возможность постоянно себя видеть (рис. 5.2). [8]
Рис. 5.2. VR - комната
5.3. Информационные перчатки
Для удовлетворения инстинктивной потребности пользователя потрогать руками то, что он находит для себя интересным в процессе изучения среды, были созданы перчатки с сенсорами для захвата движений кистей и пальцев рук. Техническое обеспечение такого процесса варьируется — возможно использование оптоволоконных кабелей, тензометрических или пьезоэлектрических датчиков, а также электромеханических приспособлений (таких как потенциометры) (рис. 5.3). [8]
Рис. 5.3. Информационные перчатки VR
5.4. Джойстики (геймпады)
Специальные устройства для взаимодействия с виртуальной средой, содержащие встроенные датчики положения и движения, а также кнопки и колеса прокрутки, как у мыши. Сейчас их всё чаще делают беспроводными, чтобы избежать неудобств и нагромождений при подсоединении к компьютеру (рис. 5.4). [8]
Рис. 5.4. Джойстики (геймпады)
§ 6. Области применения VR
6.1. Обучение
VR используется для моделирования среды тренировок в тех занятиях, в которых необходима предварительная подготовка: например, управление самолетом, прыжки с парашютом и т.д. (рис. 6.1). [8]
Рис. 6.1. Управление транспортным средством
С применением технологий виртуальной и дополненной реальности учащиеся средних школ и студенты высших учебных заведений смогут взаимодействовать с предметами в виртуальном пространстве или участвовать в важных исторических событиях (рис. 6.2). [1]
Рис. 6.2. Подготовка военных в СПбГУ
6.2. Медицина
Кроме помощи в обучении хирургов, технология VR оказывается полезной и на самих операциях: врач, используя специальное оборудование, может управлять движениями робота, получая при этом возможность лучше контролировать процесс (рис. 6.3). [8]
Рис. 6.3. VR в кардиологии
В российской медицине VR достаточно успешно применяются на этапе реабилитации пациентов.
Правительством РФ утверждён план реализации программы “Цифровая экономика Российской Федерации”, в рамках которой в 2020 году в сфере здравоохранения запустят 16 проектов – от искусственного интеллекта до сверхчувствительных квантовых сенсоров. [2]
6.3. Наука
VR позволяет улучшить и ускорить исследование молекулярного и атомного мира: погружаясь в виртуальную среду, ученый может обращаться с частицами так, будто это кубики LEGO (рис. 6.4). [8]
Рис. 6.4. VR в науке
6.4. Культура и искусство
Эксперименты в сфере изобразительного искусства при помощи VR/AR-технологий имеют очень широкий спектр. Наиболее распространено создание VR-картин с помощью специальных гаджетов. Не менее популярно среди художников добавление собственных элементов в существующие полотна, скульптуры и архитектурные сооружения в дополненной реальности. Также распространен опыт воссоздания музейных экспонатов в VR, когда, к примеру, посетитель может “побывать” в картине Дали (рис. 6.5). [6]
Рис. 6.5. Воссоздание музейных экспонатов
6.5. Проектирование
Вместо того, чтобы строить дорогостоящие модели машин, самолетов или зданий, можно создать виртуальную модель, позволяющую не только исследовать проект изнутри, но и проводить тестирование его технических характеристик (рис. 6.6). [8]
Рис. 6.6. Разработка и тестирование проектов
Применение технологий виртуальной и дополненной реальности нацелено на улучшение уже имеющихся компьютерных технологий проектирования (автоматизация производственных процессов, система автоматизированного проектирования). Инженеры смогут проводить предварительное тестирование выпускаемой продукции в виртуальной реальности. [1]
6.6. Военная промышленность
Новейшие технологии применяются в обучении летчиков, пехоты, военных медиков и позволяют солдатам побывать в условиях, максимально приближенных к боевым, без всякой опасности для жизни и здоровья. [1]
Дополненная реальность помогает проводить планирование военных операций. Начиная от разбора задач с использованием виртуальных моделей, до отработки конкретных военных действий.
Тренировки в дополненной реальности могут проводиться во время перелётов военных с места на место, моделируя определённые задания и действия участников. Полевые учения, проводимые с использованием технологии, значительно уменьшают затраты на конструкцию объектов сцены, ведь с помощью дополнительной реальности всё может быть смоделировано и спроецировано на очки солдата, в том числе и наступление противника (рис. 6.7). [3]
Рис. 6.7. Моделирование военной ситуации
6.7. Игры и развлечения
На данный момент это самая известная и самая широкая область использования VR: сюда входят как игры (рис. 6.8), так и кино, виртуальный туризм и посещение различных мероприятий. [8]
Рис. 6.8. Виртуальные игры
Как мы уже говорили, VR продолжает интегрироваться с разными сферами нашей жизни и из мифа научной фантастики она превратилась в (виртуальную) реальность. [8]
Проектная часть
Проектирование инженерных разработок
§ 7. Разработка компьютерной модели полусумматора на языке delphi
7.1. Формальная модель проекта
Разработка моделей логических устройств.
При изучении логических устройств компьютера (сумматор, триггер) целесообразно использовать компьютерные модели. Такие модели позволяют визуализировать процесс преобразования логических значений входных сигналов в значения выходных сигналов.
В целях максимального упрощения работы компьютера всё многообразие математических операций в процессоре сводится к сложению двоичных чисел. Поэтому главной частью процессора является сумматор, который как раз и обеспечивает такое сложение.
Построим компьютерную модель полусумматора на языке Delphi.
В языке программирования Delphi основные логические операции могут быть реализованы с помощью логических операторов (And, Or, Not), которые оперируют с логическими аргументами True (логическая единица) и False (логический ноль), а также с логическими переменными типа Boolean. [4]
Полусумматор.
При сложении двоичных чисел получается сумма в данном разряде, при этом возможен перенос в старший разряд. Обозначим слагаемые A и B, перенос P и сумму S. Таблица сложения одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса в старший разряд выглядит следующим образом (табл.7.1):
Таблица 7.1. Сложение одноразрядных двоичных чисел
|
Слагаемые |
Перенос |
Сумма |
||
|
A |
B |
P |
S |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
1 |
1 |
1 |
0 |
|
Из таблицы видно, что перенос можно реализовать с помощью операции логического умножения: P = A & B. Получим формулу для вычисления суммы. Значения суммы совпадают с результатом операции логического сложения (кроме случая, когда на входы подаются две единицы, а на выходе должен получиться ноль).
Нужный результат достигается, если результат логического сложения умножить на инвертированный перенос. Таким образом, для определения суммы можно применить следующее логическое выражение: S = (A V B) & ¬ (A & B). Построим таблицу истинности для данного логического выражения и убедимся в справедливости нашего предположения (табл. 7.2).
Таблица 7.2. Таблица истинности
|
A |
B |
A V B |
A & B |
¬(A & B) |
(A V B) & ¬(A & B) |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
Теперь, на основе полученных логических выражений можно построить из базовых логических элементов схему полусумматора. По логической формуле переноса легко определить, что для получения переноса необходимо использовать логический элемент “И”. Анализ логической формулы для суммы показывает, что на выходе должен стоять элемент логического умножения “И”, который имеет два входа. На один из входов подается результат логического сложения исходных величин A V B, т. е. на него должен подаваться сигнал с элемента логического сложения “ИЛИ”. На второй вход требуется подать результат инвертированного логического умножения исходных сигналов ¬ (A & B), т. е. на второй вход подается сигнал с элемента “НЕ”, на вход которого, в свою очередь, поступает сигнал с элемента логического умножения “И” (рис.7.1).
Рис. 7.1. Полусумматор двоичных чисел
Данная схема называется полусумматором, так как реализует суммирование одноразрядных двоичных чисел без учета переноса из младшего разряда. [4]
7.2. Компьютерная модель проекта
Поместить на форму:
кнопку Button1 для запуска событийной процедуры;
четыре метки Label1, Label2, Label3, Label4 для изображения базовых логических элементов;
два текстовых поля Edit1 и Edit2 для ввода логических значений на входе полусумматора;
четыре метки для вывода промежуточных логических значений Label6 и Label7, а также итоговых значений переноса Label5 и суммы Label8 .
Сделаем внешний вид проекта более привлекательным. Для этого изменим свойства объектов, определяющие их внешний вид (выравнивание шрифта, вручную установить размер объекта, цвет фона, начертание и размер шрифта).
Alignment – taCenter;
AutoSize – False;
Color – цвет фона (cllnactiveCaption);
Font – шрифт (Times New Roman), начертание (полужирный), размер шрифта (10), набор символов (кириллица) (рис. 7.2, 7.3).
Рис. 7.2. Выбор шрифта и его параметров
Рис. 7.3. Интерфейс проекта “Полусумматор”
Создать событийную процедуру, реализующую:
ввод логических значений на входе и преобразование их логических значений в строковые с использованием функции BoolToStr();
определение логических значений на выходе каждого базового элемента;
вывод полученных логических значений на метки с использованием функции преобразования BoolToStr().
unit Unit1;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, StdCtrls;
type
TForm1 = class(TForm)
Button1: TButton;
Label1: TLabel;
Label2: TLabel;
Label3: TLabel;
Label4: TLabel;
Edit1: TEdit;
Edit2: TEdit;
Label5: TLabel;
Label6: TLabel;
Label7: TLabel;
Label8: TLabel;
procedure Button1Click(Sender: TObject);
private
{ Private declarations }
public
{ Public declarations }
end;
var
Form1: TForm1;
implementation
{$R *.dfm}
Var
//объявить переменные
A: Boolean;
B: Boolean;
P: Boolean;
S: Boolean;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
begin
//ввести в текстовые окна начальные значения
A:=StrToBool(Edit1.Text);
B:=StrToBool(Edit2.Text);
P:=(A And B); //найти значение переменной P
S:=(A Or B) And (Not(A And B)); //найтизначениепеременной S
//вывести в метки полученные результаты
Label5.Caption:= BoolToStr(P,True);
Label6.Caption:= BoolToStr((A Or B),True);
Label7.Caption:= BoolToStr(Not(P),True);
Label8.Caption:= BoolToStr(S,True);
end;
end. [4]
7.3. Компьютерный эксперимент
Запустить проект, ввести логические значения аргументов и щелкнуть по кнопке Сумма и перенос. [4]
7.4. Анализ полученных результатов
В текстовые поля будут выведены логические значения на выходах логических элементов (рис. 7.3). [4]
Рис. 7.3. Выполнение проекта “Полусумматор” в среде Delphi
Заключение
В скором времени устройства виртуальной реальности станут так же популярны и функциональны, как мобильные телефоны.
С помощью таких девайсов пользователи смогут смотреть кино и сериалы, присутствовать на массовых мероприятиях и совершать покупки.
Аналитики выяснили, что программы виртуальной и дополненной реальности можно применять в разных сферах деятельности (рис. 1).
Развитие технологии дополненной реальности (AR) значительно отстает от виртуальной — это хорошо заметно в области обработки объектов в режиме реального времени. Однако со временем эта технология улучшится и станет полностью конкурентоспособной. [1]
Рис. 1. Диаграмма перспектив развития VR и AR
Список использованных источников и литературы
9 сфер применения виртуальной реальности [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vc.ru/flood/13837-vr-use.
VR в медицине: современные достижения и перспективы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://blog.mednote.life/articles/technology/vr-v-medicine.
Дополненная реальность в военно-промыщленном комплексе [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://robo-hunter.com/news/dopolnennaya-realnost-v-voenno-promishlennom-komplekse.
Исследование информационных моделей. Элективный курс: Учебное пособие / Н.Д. Угринович – М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004.
Краткая история развития технологии виртуальной реальности [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.avclub.pro/articles/3d-tekhnologii/kratkaya-istoriya-razvitiya-tekhnologii-virtualnoy-realnosti/.
Применение VR/AR-инструментов в искусстве и культуре [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ar-conf.ru/ru/news/primenenie-vrar-instrumentov-v-iskusstve-i-kulture-59079.
Чем виртуальная реальность отличается от дополненной [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://thequestion.ru/questions/317294/chem_virtualnaia_realnost_otlichaetsia_ot_6b95e58b.
Что такое виртуальная реальность [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://tproger.ru/translations/vr-explained/.
Программное обеспечение
Операционная система Windows
Система программирования для разработки проектов Delphi
Текстовый процессор MS Word