Виртуальная реальность
Виртуальная реальность (англ. virtual reality, VR) — это симулированный опыт, в основе которого лежат трёхмерные устройства отображения, располагаемые перед глазами пользователя, и системы отслеживания позы, позволяющие достичь эффекта полного погружения в виртуальный мир. Применение виртуальной реальности включает развлечения (прежде всего видеоигры), образование (например, для медицинской, безопасностной или военной подготовки)[1], научные исследования[2][3][4] и бизнес (например, для проведения виртуальных совещаний). Виртуальная реальность является одной из ключевых технологий в рамках континуума реальность—виртуальность и отличается от других цифровых визуализационных решений, таких как дополненная виртуальность и дополненная реальность[5].
Современные системы виртуальной реальности предполагают использование гарнитур (шлемов виртуальной реальности) либо многопроекторных окружений, создающих реалистичные изображения, звуки и другие ощущения, имитируя физическое присутствие пользователя в виртуальном пространстве. Пользователь может осматриваться, перемещаться и взаимодействовать с объектами в искусственном мире. Эффект погружения обычно обеспечивают шлемы с небольшими экранами перед глазами, или специально оборудованные помещения с крупными экранами по периметру. Виртуальная реальность, как правило, предусматривает аудиовизуальную обратную связь, а также иной сенсорный и тактильный отклик с помощью специальных технологий.
Этимология
Слово «виртуальный» (англ. virtual) известно в значении «существующий по сути или по эффекту, но не фактически» с середины XV века[6]. В компьютерном контексте — «не физически существующий, но созданный программным обеспечением» — этот термин применяется с 1959 года[6].
В 1938 году французский театральный деятель Антонен Арто описал иллюзорную природу персонажей и предметов театра выражением «виртуальная реальность» (фр. réalité virtuelle) в сборнике эссе Le Théâtre et son double. Английский перевод, вышедший в 1958 году как The Theater and its Double[7], считается первым опубликованным употреблением термина «виртуальная реальность». Также близким является понятие «искусственная реальность» (англ. artificial reality), введённое Майроном Крюгером в 1970-х годах. В массовую культуру термин «виртуальная реальность» ввёл Джарон Ланье в 1980-х годах; также этот термин встречается в романе The Judas Mandala Дэмиена Бродерика (1982). Популяризации термина способствовали разработки Ланье в компании VPL Research и фильм Газонокосильщик (1992)[8].
Формы и методы реализации
Одним из способов построения виртуальной реальности является создание симуляционных систем. Например, автомобильные симуляторы воссоздают ощущения управления автомобилем с помощью предсказания поведения транспорта и подбора соответствующих визуальных, звуковых и движенческих сигналов.
В системах, использующих аватаров, пользователь может погрузиться в виртуальное пространство в виде собственного 3D-образа или потокового видеоизображения. Проекционно-экранные среды востребованы в робототехнике, 3D-моделировании и авиационном обучении; при этом существенно качественное создание 3D-моделей реальных объектов, обычно с помощью камер.
При использовании обыкновенных мониторов (desktop-based VR) 3D-мира отображаются без специализированного оборудования, как в многих современных видеоиграх. Главная критика — отсутствие периферического зрения, что снижает глубину погружения.
Полное погружение обеспечивает шлем виртуальной реальности или гарнитура (HMD), включающие экраны с отдельным изображением для каждого глаза, системы бинаурального звука и отслеживание движений головы по 6 степеням свободы. Управление и взаимодействие с виртуальным миром реализуются контроллерами движения с тактильной отдачей, а также специальными беговыми дорожками, позволяющими имитировать свободные перемещения.
Дополненная реальность (AR) совмещает изображения реального мира с цифровым контентом, накладывая его на картинку с камеры или в смарт-очках, что расширяет восприятие пространства и объектов пользователя. Смежная концепция — смешанная реальность (MR), где физические и цифровые объекты существуют и взаимодействуют в реальном времени.
Понятие киберпространства иногда употребляется как синоним сетевой виртуальной реальности[9]. Гипотетически возможна также симулированная реальность, полностью неотличимая по "реалистичности" от действительной.
История
Появлению VR предшествовали развитие перспективных методов изображения в искусстве эпохи Возрождения и изобретение стереоскопа Чарльза Уитстона[10][11][12]. Современные идеи виртуальной реальности получили развитие сначала в научной фантастике.
В 1950-х годах Мортон Хейлиг предложил «Театр ощущений», задумывавшийся как устройство, воздействующее на все органы чувств зрителя. В 1962 году Хейлиг построил механический прототип Sensorama, а также разработал «Телесферическую маску» (патент 1960 года), описанную как индивидуальный телевизионный аппарат с полным ощущением присутствия[13].
В 1968 году профессор Гарварда Айвен Сазерленд с коллегами создал первый шлем для иммерсивных компьютерных симуляций, названный «Меч Дамокла». Система была примитивна, требовала подвешивания к потолку и поддерживала только каркасную трёхмерную графику, фактически являясь устройством дополненной реальности[14].
В 1970–1990-х годах VR-технологии использовались преимущественно в медицине, авиа- и автосимуляторах, промышленном и военном обучении[15]. Одной из важнейших разработок стала оптическая система LEEP Эрика Хоуэллетта (1979), обеспечившая реалистичную стереокартинку с широким полем зрения — на её основе в 1985 году создали первый виртуальный лабораторный комплекс VIEW для NASA[16]. Система легла в основу многих ранних гарнитур VR[17].
В конце 1980-х Ланье популяризировал термин «виртуальная реальность», основал компанию VPL Research и выпустил ряд устройств — DataGlove, EyePhone и др. В это же время Atari запускала собственные исследования (впоследствии свернутые после кризиса на игровом рынке).
В 1988 году впервые сымитировали VR на доступном персональном компьютере (Cyberspace Project компании Autodesk); в начале 1990-х появляется первый стандартный графический SDK для VR (Sense8 WorldToolKit), использовавшийся в академических и промышленных целях.
С 1990-х стали поступать на рынок массовые VR-гарнитуры: в 1991 Sega анонсирует шлем Sega VR для Mega Drive, в 1991 же запускается серия аркадных автоматов Virtuality, в 1995 Nintendo выпускает Virtual Boy. Появляются кубические проекционные среды (CAVE, 1992), первый VR-сервисы с прямой передачей человеческих движений, первые приложения для ВМ в ПК-формате (QuickTime VR). В 1999 появляется VR-платформа Second Life.
В 2000-е коммерческий интерес к VR снижается, но в 2007 Google запускает сервис Street View, поддерживающий панорамное и стереоотображение.
В 2010-х Palмер Лаки разрабатывает первый прототип Oculus Rift, в 2012 году представленный на выставке E3; в 2014 Facebook покупает Oculus VR[18]. В 2015 начинается повсеместное распространение VR-гарнитур: HTC и Valve анонсируют HTC Vive с системой Lighthouse, Sony запускает PlayStation VR[19]. Google выпускает Cardboard — простейшие очки для смартфонов.
К 2016 году над VR-продуктами работают сотни компаний, ведущие гиганты IT рынка запускают собственные подразделения. В 2019 выпускаются «самостоятельные» шлемы — Oculus Quest S, Quest, Valve Index[20]. С 2020 по 2024 выходят флагманские продукты разных производителей: Oculus Quest 2, Meta Quest Pro, PlayStation VR2, Meta Quest 3/3S, Apple Vision Pro.
В 2021 году Европейское агентство авиационной безопасности впервые одобрило симулятор-наблюдатель полёта на вертолёте на базе VR для комплексной тренировки пилотов, а в 2024 схожее устройство одобрено Федеральным управлением гражданской авиации США[21].
Технологии
Современные гарнитуры строятся на аппаратных и программных компонентах, позаимствованных у смартфонов: гироскопы, датчики движения, миниатюрные HD-экраны, компактные процессоры. Это позволило удешевить продукцию и открыть путь независимым разработчикам VR. Появились объёмные камеры (360°), фотограмметрические методы создания трёхмерных объектов[22].
Вывод трёхмерного изображения осуществляется с помощью HMD и CAVE-комнат; используются разные методы стереопроекции — активные (затворные очки) и пассивные (поляризационные технологии). Для взаимодействия с миром VR применяются контроллеры движений, оптические сенсоры, иногда «проволочные перчатки»; в ряде устройств реализована вибрационная обратная связь.
Форматы файлов и протоколы для программного обеспечения: VRML (Virtual Reality Modeling Language, 1994), X3D — промышленный стандарт для 3D- и VR-контента[23]; WebVR — экспериментальный JavaScript API для браузерной поддержки VR-устройств.
Применение
Виртуальная реальность применяется в:
- Развлечениях — видеоиграх, кинематографе, парках аттракционов;
- Медицине — хирургические симуляторы, виртуальная терапия психических расстройств[24];
- Науке — моделирование, виртуальные лаборатории, исследование когнитивных процессов;
- Образовании — тренажёры для авиации, медицины, промышленной безопасности, инженерии, географии[25];
- Социальных коммуникациях — совещания в VR, терапевтические группы, поддержка людей с ограниченными возможностями;
- Маркетинге и торговле — цифровые выставочные залы, онлайн-шопинг;
- Искусстве и музейной деятельности — экспозиции, интерактивные инсталляции, виртуальные экскурсии.
В медицине VR используется для обучения хирургов, проведения репетиций сложных операций с реалистической обратной связью, терапии тревожных расстройств, помощи в реабилитации, тренинге пациентов с нарушениями равновесия и движений[26].
В последние годы получили распространение виртуальные концерты (например, выступления Жан-Мишеля Жарра, Джастина Бибера, группы Imagine Dragons в VR-пространствах).
Проблемы и ограничения
- Киберболезнь (VR sickness): появление симптомов типа морской болезни (головокружение, тошнота), часто из-за задержки между движением и откликом системы[27].
- Офтальмологические эффекты: усталость глаз, риск влияния на аккомодацию, особенно у детей[28].
- Безопасность: снижение восприимчивости реального мира, риск травм во время погружения[29].
- Приватность: объёмные данные об активности, биометрии пользователя могут уязвляться системами слежки и сбора персональных данных[30].
Примечания
Литература
- Choi, SangSu; Kiwook Jung; Sang Do Noh (2015). “Virtual reality applications in manufacturing industries: Past research, present findings, and future directions”. Concurrent Engineering. 23: 40—63. DOI:10.1177/1063293X14568814.
Ссылки
- Isaac, Joseph Самые основы виртуальной реальности. Исследовательские задачи (2016). Дата обращения: 2 июля 2016. — обзор для начинающих.
- Drummond, Katie The Rise and Fall and Rise of Virtual Reality. The Verge (2014). Дата обращения: 15 ноября 2014. — интервью лидеров индустрии о развитии VR.
- Шкала смешанной реальности — схема Милгрэма и Кишино.
