Технология виртуальной реальности

Виртуальные технологии, их сильные и слабые стороны. Перспективы их дальнейшего развития. Часть II

Все устройства виртуальной реальности, независимо от их цены и производителя, работают примерно по одним и тем же принципам, но достаточно сильно отличаются по своей реализации. Пожалуй, самым первым VR-устройством стал представленный в 2014 году компанией Google проект Google Cardboard, также называемый VR-очками, представлявший из себя картонный шлем, в котором были оптические линзы и застёжки-липучки. В качестве источника изображения и устройства трекинга в шлем устанавливался смартфон с заранее предустановленным приложением. Шлем можно было собрать самостоятельно на основании выкроек, выложенных на сайте проекта, или купить готовый. Самые простые варианты Google Cardboard линз не имели. В настоящее время совместимые с Cardboard, шлемы (т.н. smartphone-based) выпускаются целым рядом производителей, и всех их объединяет то, что в качестве устройства отображения и трекинга все они используют обычный смартфон. При этом в них есть ряд технических усовершенствований, делающий эти шлемы более удобными для использования, чем оригинальный Cardboard. Конечно, эти шлемы стоят дороже картонки от Google, но всё равно находятся в нижнем ценовом сегменте VR-устройств.

Следующий уровень занимают VR-шлемы, в которых за формирование изображения и трекинг отвечают уже не смартфоны, а специализированное оборудование. Такие шлемы имеют встроенные экраны, гироскопы, угловые акселерометры, камеры и т.д. Эти шлемы можно разделить на автономные (standalone) и подключаемые (PC-based или Console-based). В автономных шлемах вся обработка происходит внутри шлема, который работает под управлением специализированной Android-подобной операционной системы. В подключаемых VR-шлемах все вычислительные процессы идут на стороне основного устройства, которым может быть компьютер или игровая приставка. Такие шлемы работают на собственных программных платформах и не имеют прямой совместимости друг с другом.

Особенности технологий, используемых в VR-шлемах

Одним из ключевых моментов для погружения в виртуальную реальность является 3D-изображение. Если не рассматривать smartphone-based шлемы, в автономных и подключаемых VR-шлемах за формирование изображения отвечает встроенный в шлем экран (или два экрана, по одному на глаз), на которые подаётся два изображения: для левого и правого глаза. Это позволяет пользователю видеть стереоскопическую картинку (конечно только в том случае, если между этими изображениями был параллакс). Здесь используется тот же принцип формирования объёмного изображения, который используется и в технологиях 3D-стереоскопии.

Из-за того, что экран (или экраны) находится близко от глаз, а между глазами зрителя и этими экранами находятся линзы, возникает эффект пиксельной сетки (или скриндор, или "эффект москитной сетки"), при котором глаз зрителя видит расстояние между отдельными пикселями. Это относится и к smartphone-based шлемам. Данная проблема сохраняется и в современных VR-шлемах. Производители пытаются с этим бороться, увеличивая разрешение экранов (что удорожает изделие) или изобретая специальные технологии маскировки пиксельной сетки. Однако пока эта проблема полностью не решена.

Второй проблемой VR, связанной с изображением, является ограниченный угол обзора. Во многих современных шлемах он составляет 90-110 градусов, что создаёт для зрителя ощущение того, что он смотрит на мир через маску для подводного плавания. В активных играх этого оказывается достаточно, но для просмотра какого-то другого контента этого явно маловато. Есть конечно и исключения (например шлем Pimax 5K/8K), в которых угол обзора составляет уже 170-200 градусов. Однако наиболее востребованным у пользователей остаётся режим, при котором угол обзора составляет 140 градусов, потому что с углом в 200 градусов с трудом справляются лишь современные мощные видеокарты.

Однако без отслеживания поворотов головы зрителя и возможности просмотра 360-градусного изображения, погружения в виртуальную реальность не произойдёт. В современных VR-шлемах можно вращать головой во все стороны, а окружающий мир, как и в реальности, будет оставаться на своём месте. Такое отслеживание вращения головы в пространстве, называемое также 3DoF (три степени свободы), является основой работы любого VR-устройства. Повороты головы в VR-шлемах отслеживаются с помощью гироскопа и угловых акселерометров. В случае Cardboard и подобных ему шлемов, отслеживание ведётся средствами смартфона, производительности которого для этого недостаточно, что приводит к заметным рывкам при повороте головы, что приводит к потере эффекта погружения и может вызвать приступ морской болезни. Лучшим трекингом обладают VR-шлемы, подключаемые к ПК или игровым приставкам, поскольку обработка там ведётся мощными видеокартами, производительность которых многократно превышает ресурсы смартфонов или подобных их контроллеров.

В более дорогих современных шлемах реализовано пространственное отслеживание положения головы, называемое 6DoF, поскольку оно отслеживает не только повороты головы, но и её движения вперед, назад, вверх, вниз, влево и вправо. Вспомним фильм "Матрица" и то, как Нео уклонялся от пуль агента Смита, просто приседая или отклоняясь назад. Вот это и есть 6DoF, создающий совершенно иной уровень погружения в виртуальную реальность. Пространственный трекинг может быть реализован двумя способами. В первом случае, чтобы учесть положение шлема в пространстве, по помещению расставляются специальные камеры-сенсоры, улавливающие инфракрасное или лазерное излучение от установленных на шлеме эмиттеров. При втором способе пространственного трекинга камеры для определения положения в пространстве встраиваются в сам шлем, сканируют окружающую обстановку и по её изменению делают вывод о том, что пользователь изменил положение головы.

Чтобы закончить тему с трекингом, отметим, что помимо положения головы, для ряда VR-приложений (в частности, для игр) требуется отслеживание рук. Сначала управление VR-играми велось с помощью подключенного к компьютеру геймпада. Затем появились специальные контроллеры движения, которые передавали игре или программе информацию о положении рук пользователя. Сегодня самые продвинутые контроллеры отслеживают не только положение рук, но и положение каждого пальца. Правда игр и приложений, в которых бы это потребовалось, ещё не появилось.

Спектр применения VR-шлемов достаточно широк. Их используют для просмотра 3D-стереоскопических фильмов, для игр, в образовании, для виртуального представления продуктов и услуг, в медицине, в проектировании и т.д. В основном, VR служит основой для создания различных продвинутых тренажёров, используемых в самых различных сферах, начиная от авиации и заканчивая медициной. Использование технологий виртуальной реальности в школьном образовании пока остаётся достаточно эпизодическим.