Виртуальная реальность
Виртуальное окружение (или "виртуальная реальность") - одна из наиболее перспективных областей компьютерной графики, ставшая особенно актуальной в современных условиях быстрого роста производимой человеком информации. В настоящее время в мире существует более 100 крупномасштабных установок виртуальной реальности, которые используются в самых различных областях науки и техники, решая задачи как фундаментальных научных дисциплин, так и в узко специализированных прикладных направлениях.
Многопользовательские, ориентированные на большие аудитории установки виртуального окружения создаются на основе крупномасштабных проекционных систем. Это отличает их от установок индивидуального пользования, таких как, например, "виртуальные шлемы''. В настоящее время существуют три основных типа проекционных систем.
- CRT-проекторы используют три электронно-лучевые трубки, производящие красную, синюю и зеленую компоненты изображения, сведенные вместе и сфокусированные на экране.
- LCD-проекторы имеют три жидкокристаллических панели и яркий источник, свет которого разделяется на красную, синюю и зеленую компоненты, пропускается через соответствующие панели, затем вновь объединяется и проецируется на экран.
- DLP-проекторы используют специальную плату, состоящую из множества микроскопических зеркал, каждое из которых имеет два положения: отражающее свет в линзу с дальнейшим попаданием на экран, и отклоняющее его от линзы. Зеркала могут переключаться в течении микросекунд (десятки тысяч раз за кадр), что позволяет модулировать сигнал для получения непрерывных переходов яркости для каждого пикселя. Переключение цветовых компонент обычно производится с помощью быстро вращающегося колеса с тремя светофильтрами.
Стереоскопические проекционные системы основаны на раздельной передаче изображений для левого и правого глаза, вследствие чего пользователь наблюдает стереоскопический эффект. Имеются два способа передачи стереоизображения.
- Активная, или последовательная схема использует поочередную проекцию изображения для левого и правого глаза на экран и специальные жидкокристаллические ("затворные") очки с поочередно затемняющимися стеклами, синхронизованными с изображением с помощью инфракрасного излучателя. Таким образом, каждый глаз получает предназначенное для него изображение. В данной схеме необходимо использовать проекторы с большой частотой вертикальной развертки, обычно 120 Гц (60 кадров в секунду для каждого глаза).
- В пассивной схеме разделение изображений обычно производится с помощью поляризации света. Используются два проектора, снабженные поляризационными фильтрами, ориентированными ортогонально друг относительно друга. Оба изображения одновременно проецируются на экран из специального материала, обладающего минимальной степенью деполяризации отраженного света. Для прямой проекции, при которой зрители и проекторы находятся по одну сторону экрана, и обратной проекции, при которой они находятся по разные стороны, используются материалы разного типа. Для наблюдения используются очки с поляризационными фильтрами, ориентированными параллельно соответствующим фильтрам проекторов, вследствие чего каждый глаз получает предназначенное для негоизображение.
Активные проекционные стерео системы существенно дороже пассивных, потому что для них необходимы такие дорогостоящие компоненты как CRT-проекторы со специальным люминофором, затворные очки, система синхронизации. Для пассивных стерео-проекций могут быть использованы стандартные офисные LCD- или DLP-проекторы, простые в изготовлении пассивные стерео-очки, и кластеры персональных компьютеров.
Для поддержания ощущения полного погружения в виртуальную реальность важной компонентой является система слежения за положением головы (точнее, глаз) пользователя.( системы трекинга ) Существуют множество таких систем, основанных на разных принципах: механические, электромагнитные, оптические, ультразвуковые. Используя данные системы слежения, графический обработчик производит отрисовку сцены, соблюдая правильную перспективу для точки зрения пользователя. Наиболее популярные и наиболее дорогостоящие электромагнитные системы слежения регистрируют положение, а также ориентацию датчиков (размера 1 куб.см), прикрепляемых к затворным очкам и другим предметам, используемым в качестве устройств взаимодействия. В случае больших аудиторий учет всех точек зрения невозможен. В этом случае надобность в системе слежения отпадает (необходим расчет оптимальной точки зрения аудитории).
Примеры крупномасштабных проекционных систем
CyberStage - разработанная в Фраунгоферовском Институте Медиакоммуникаций (FhG IMK) проекционная система размером 3м x 3м x 2.4м, которая включает:
- четырехстороннюю CRT-проекцию активных стерео-изображений с шаттр-очками (Crystal Eyes), используемыми для объемного восприятия;
- восьмиканальную пространственную проекцию звука, дополненную излучателями вибрации, встроенными в пол;
- датчики Polhemus Fastrak, контролирующие положение и ориентацию глаз пользователя и различных устройств взаимодействия (указка, джойстик и т.п.);
- суперкомпьютер SGI Onyx 2 с четырьмя графическими подсистемами Infinite Reality 2 и двенадцатью процессорами MIPS R12000, производящими четыре изображения 1280 x 1024 пикселов с частотой 120 Гц.
Responsive Workbench - разработанная в IMK двухэкранная активная стерео-проекционная система. Для компактификации установки используется система больших зеркал высокого качества. В качестве основного графического вычислителя в этой системе может использоваться суперкомпьютер SGI Onyx с двумя графическими подсистемами Infinite Reality, производящий два изображения 1280 x 1024 пикселов с частотой 96 Гц.
В принципе, графические карты NVIDIA последних поколений позволяют эффективно строить установки виртуального окружения на базе кластеров персональных компьютеров, аналогичные тем, которые реализованны в Фраунгоферовском Институте Медиакоммуникаций на суперкомпьютерах SGI Onyx 2 с графическими подсистемами Infinite Reality 2. Такие системы хоть и имеют несколько меньшую производительность, но при этом они и гораздо менее дорогостоящие.
Самый яркий пример такой реализации - система ICUBE™ от американской компании Viz-tek, которая представляет из себя примерно то же самое, что и CyberStage, но под управлением PC.
Менее дорогостоящие, но также весьма эффективные мобильные системы виртуального окружения VEonPC, разработанные компанией VE-Group совместно с Институтом Физико-Технической Информатики (ИФТИ) состоят из:
- проекционной системы, включающей два LCD или DLP проектора, снабженных поляризационными фильтрами, специальный экран, обладающий наименьшими деполяризующими свойствами, прямую проекцию изображения, поляризационные очки;
- одной или двух графических станций - персональных компьютеров с графическими подсистемами NVIDIA Quadro (выбор Quadro обусловлен реализацией программного обеспечения для данной системы - оно работает под OpenGL, а quadbuffered stereo API доступно только профессиональным картам), производящими два изображения 1024 x 768 пикселей с частотой 85 Гц (что в данной конфигурации отвечает скорости обновления изображения 85 кадров в секунду для каждого глаза);
- вспомогательного персонального компьютера , используемого для синтеза звуковых эффектов, выполняющего также роль файл-сервера и маршрутизатора.
Стереокинотеатры
Одноэкранные системы виртуального окружения легко трансформируются в цифровой стереокинотеатр. Использование качественных записей стереофильмов с хорошим разрешением позволяет вернуть былую силу стереокинематографу. Тем более, современное программное обеспечение для компьютерной анимации позволяет легко создавать стереоролики и стереомультфильмы. Такой подход уже довольно активно используется для создания стереодискотек и стереобаров, а так же различных аттракционов и презентаций в формате 3D стерео. Создание изображений, синхронно проецируемых на несколько экранов вокруг наблюдателя, позволяет добиться качественного эффекта погружения в виртуальный стереомир, и все это реализуется с отличным качеством на обыкновенных PC с графическими картами NVIDIA с использованием LCD или DLP проекторов.
Немного о программной среде
Для демонстраций распределенных графических сцен используется специализированное програмное обеспечение. К примеру програмная среда Avango, разработанная в Фраунгоферовском Институте Медиакоммуникаций, позволяет создавать распределенные взаимодействующие приложения виртуального окружения. Avango основан на графической системе OpenGL Performer фирмы SGI, которая обеспечивает качественное исполнение приложения, и удовлетворяет специальным требованиям, возникающим при разработке приложений для виртуального окружения. Avango использует язык программирования C++ для определения объектов и язык сценариев Scheme для объединения объектов в граф сцены.
Применение систем виртуального окружения
Применение систем виртуального окружения имеет очень много направлений. Фактически это следующее поколение ( после двумерного опредставления информации), систем визуализации и представления данных. Кратко можно перечислить основные области применения виртуального окружения( виртуальной реальности) на данный момент:
- Тренажеры, симуляторы.
- Развлечение, аттракционы.
- Маркетинг, реклама.
- Проектирование, промышленный дизайн, создание прототипов.
- Дистанционное управление.
- Центры подготовки и поддержки принятия решений, ситуационные комнаты.
- Управление технологическими процессами.
- Медицина.
- Образование.
- Архитектура и дизайн.
И так далее...
Как пример применения систем виртуального окружения для развлечений и образования можно упомянуть виртуальный планетарий.
Демонстрация системы VEonPC и программы "Виртуальный планетарий" на CEBIT 2003
Станислав Клименко (klimenko@sim.ol.ru),
(ИФТИ) Институт физико-технической информатики, Протвино
Илья Вигер (wieger.ilya@ve-group.ru)
Петр Брусенцев (brusentsev.peter@ve-group.ru)
компания VE-Group, Москва
Материал любезно предоставлен компанией VE-Group