Технологии, создающие виртуальную реальность

Технологии, создающие виртуальную реальность 19.02.2015

Технологии, создающие виртуальную реальность


Сергей Желтов, Александр Лихачев, Александр Степанов

Стереографика и виртуальная реальность (ВР) – две неразрывные технологии. Сегодня мы знакомим наших читателей с основным устройством систем создания голографических образов, применяемых в технологии ВР. Прорывное развитие этих систем не только позволит вскоре погружаться в неведомые нам пласты мироздания, но и в итоге даст ответ на самый главный вопрос: в чем смысл жизни?

Все традиционные системы стереографики имеют в своем составе специальные устройства для просмотра - очки. Стереоочки обеспечивают восприятие левым глазом предназначенного для него левого изображения, а правым глазом - только правого. Независимо от принципа действия, все стереоочки снижают видимую яркость и цветность стереоизображения. Во многих случаях использование очков является нежелательным, так как снижает удобство пользователя. В связи с этим, на протяжении последних лет ведется работа по созданию систем трехмерной графики, позволяющих создавать компьютерные стереоизображения, для восприятия которых не требуются специальные зрительные устройства. Такие стереодисплейные системы получили название автостереоскопических. Ниже описаны основные принципиальные подходы к созданию автостереоскопических систем.

Под "объемными" дисплеями понимаются такие, в которых иллюзия трехмерного изображения создается последовательным показом на двумерном экране 2-D-сечений трехмерного объекта при движении (кажущемся) поверхности дисплея в пространстве. Одна разновидность таких систем основана на использовании обычного ЭЛТ-экрана и искривленного гибкого зеркала, которое вибрирует (при этом меняя кривизну) с частотой 60 Гц. Кажется, что изображение совершает возвратно-поступательное движение "за зеркалом". При этом осуществляется последовательный, согласованный с кажущимся движением плоскости изображения, вывод соответствующих сечений трехмерного объекта на экран. За счет высокой частоты смены кадров достигается иллюзия восприятия полупрозрачного трехмерного тела, "плавающего" в пространстве за зеркалом. Существуют и другие разновидности объемных дисплейных систем, например, использующие лазерный луч для рисования соответствующих сечений трехмерного объекта на вращающейся спиральной поверхности.

Основным преимуществом объемных дисплеев являются возможность рассматривать трехмерные объекты с любого направления в широком диапазоне углов (до 360 градусов в спиральных системах). Основной их недостаток - сложность, дороговизна, ограниченные цветовые возможности, прозрачность создаваемых изображений и невозможность отображения реальных сцен, снятых обычными телевизионными камерами.

В течение долгого времени голографический подход к созданию автостереоскопических систем считался основным. Были разработаны системы создания и отображения голограмм с низким разрешением, работающие в реальном времени. Однако высокие вычислительные затраты и другие технические проблемы обусловили ряд ограничений, которые в настоящий момент не позволяют голографическим системам достичь необходимых рабочих характеристик.

Некоторые современные почтовые открытки воспроизводят стереоизображение при помощи лентикулярной линзы, прикрепленной к их наружной поверхности.

Лентикулярная линза - это прозрачная пластина, на поверхности которой находится большое число близкорасположенных, очень узких цилиндрических линз. Изображение на открытке представляет собой мультиплексированную стереопару, расположенную таким образом, что линзы направляют изображения соответствующих фрагментов левого изображения в левый глаз, а правого - в правый. (Чтобы увидеть трехмерное изображение, наблюдатель должен поместить карточку в соответствующее положение относительно своих глаз). Когда за линзу помещаются различные мультиплексированные изображения, лентикулярная линза обеспечивает эффект "кругового обзора" объекта в некотором ограниченном диапазоне углов.

Известен ряд исследовательских дисплейных систем, основанных на использовании лентикулярных линз. Все эти системы имеют крайне низкое разрешение. Однако значительным преимуществом данного подхода является возможность создания легких и компактных автостереоскопических систем (даже для компьютеров-блокнотов).

В другом варианте используются двухмониторные системы. Под "двухмониторными" автостереоскопическимим системами понимают следующие. Имеются два ЭЛТ-дисплея, на которых демонстрируется стереопара изображений. Оптическая система состоит из переменных линз и стационарного искривленного зеркала, проецирующего левое изображение в левый глаз, а правое изображение - в правый глаз наблюдателя (если он находится в некотором заранее известном положении относительно зеркала). Такие системы способны обеспечивать яркое полноцветное стереоизображение. К их недостаткам следует отнести значительные габариты, а также то, что наблюдать стереокартину с такого дисплея может только один человек. Действие параллаксных дисплеев основано на принципе, схожем с принципом лентикулярных систем. Однако, практическая реализация параллаксного изображения представляется более простой и удобопонятной. В параллаксных системах используется обычный (цветной или монохромный) жидко-кристаллический дисплей, расположенный перед наблюдателем. Такой экран обычно разбит на некоторое стандартное количество пикселов (как правило, 640х480) с управляемой светопропускающей способностью. После подсветки (из-за экрана) на экране возникает соответствующее полутоновое или цветное изображение. Для создания параллаксного стереоизображения, пикселы левого изображения стереопары должны находиться в нечетных, а соответствующие пикселы правого - в четных столбцах экранной матрицы. При этом для экрана с разрешением 640х480 пикселов каждое из изображений стереопары имеет предельное разрешение 320х480 пикселов.

Обе части стереопары экспонируются одновременно при помощи специальной линейчатой подсветки ЖК-экрана. Осветительная плата, помещаемая за экраном, имеет вид равномерной решетки, состоящей, в данном случае, из 320 ярких вертикальных линий. Эти линии расположены относительно столбцов экранной матрицы таким образом, что левому глазу они видны через нечетные, а правому - через четные пикселы мультиплексированной картинки. Соотношения расстояний между наблюдателем, экраном и платой подсветки определяют число и размеры "зон бинокулярного зрения", возникающих перед описанным параллаксным дисплеем, внутри которых наблюдатель может воспринимать стереоскопическое изображение. Эта технология позволяет нескольким пользователям одновременно наблюдать стереоизображение на дисплее. Параллаксные системы имеют приемлемые стоимостные и массогабаритные характеристики.

Двумя самыми большими проблемами при разработке совершенных головных дисплеев являются разрешающая способность и угол поля зрения. Даже самые современные графические дисплеи оказываются для зрительной системы человека слишком крупнозернистыми. Суженный угол зрения в системах виртуальной реальности также не соответствует полю зрения при реальном наблюдении. Одним из путей решения этой проблемы является использование разрабатываемого в настоящее время в США лазерного микросканера высокого разрешения, который должен позволить реализовать проецирование изображения на сетчатку глаза с разрешающей способностью 8000х6000 точек. Лишь такое высокое разрешение соответствует разрешающей способности глаза. Лазерные лучи безопасной интенсивности абсолютно точно, с высокой скоростью сканирующие сетчатку, согласованы с движениями глазного яблока. При этом отображение осуществляется в реальном масштабе времени. В результате искусственная действительность представляется в виде растра на сетчатке в соответствии с условиями реального восприятия.

Стереоскопический лазерный микросканер - инструмент для непосредственного возбуждения рецепторов глаза человека - может существенно повысить ощущение действительности в киберпространстве, что предполагает также значительное увеличение объема вычислений. Число рассчитываемых полигонов (порядка 80 миллионов в секунду) одновременно является мерой производительности вычислительной машины. Графические суперстанции позволяют сейчас в реальном времени вычислять 1 миллион полигонов в секунду. Для представления движущихся изображений необходимо, кроме того, для каждого глаза заново рассчитать сцены не реже 12 раз в секунду.

Основным элементом интерфейса человек-машина является в этом случае сетчатка (палочки или колбочки), а не элемент изображения. Если в будущем сильно разветвленную параллельную архитектуру компьютера удастся организовать так, что каждой палочке и колбочке глазного яблока будет соответствовать свой процессор, то станет возможна реализация принципа полного управления визуальным окружающим пространством.

Альтернативой концепции стереоскопического лазерного микросканера могут стать электронные контактные линзы, которые состоят из миллионов крошечных светоизлучающих элементов. Зрачки будут полностью закрываться линзами для абсолютного заполнение поля зрения. Другим вариантом могут быть полупрозрачные электронные линзы. Смотря сквозь них, можно в зависимости от яркости светоизлучающих элементов смешивать в определенной пропорции реальные и виртуальные изображения. Чтобы и в этом случае обеспечить соответствие разрешающей способности глаза человека, необходимо создать контактную линзу из 36 миллионов светоактивных элементов. Проблематичной в этом способе является яркость отдельных элементов - одна из основных характеристик качества изображения. Но при длительном воздействии большая яркость может привести к повреждению глаза. Возможным решением может стать применение низкоэнергетических лазеров.

Возможности ВР-разработок могут использоваться во многих областях - управлении организационными и техническими системами, проектировании изделий, медицинских исследованиях, градостроительстве, обучение эксплуатации различных устройств и т.п. Основное достоинство ВР-технологии заключается в значительном уменьшении стоимости решения информационных задач из-за сокращения доли натурных компонентов (макетов, опытных образцов, типажа сменных устройств) в таких комплексах как пункты управления объектами или тренажеры. Кроме того, обеспечивается возможность решения новых задач, например, по оценке эксплуатационной технологичности изделия на ранней стадии проектирования.

Другая новая грань, открываемая ВР-технологиями, связана с созданием эффекта телеприсутствия и вытекающей отсюда возможностью проведения телеконференций и штабных учений.

Системы ВР позволяют перейти к новому этапу развития человеко-машинных систем удаленного терминального управления робототехническими устройствами, в которых управление осуществляется человеком-оператором, погруженным в виртуальную среду, отражающую обстановку в районе действия робота. Применение таких систем особенно эффективно в зонах экологических бедствий и радиационных заражений.


Возврат к списку