Виртуальная Реальность — мир, созданный компьютером
Евгений Рудометов, Виктор Рудометов.
authors@rudometov.com
Статья основана на материалах книги "Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа" — СПб: Питер, 2000, 416 с.
Повышение мощности компьютеров и совершенствование аппаратно-программных средств ввода/вывода информации позволили существенно расширить возможности связи человека и современного компьютера — человеко-машинного интерфейса. Это, в конце концов, способствовало появлению и развитию новой сферы использования компьютеров — компьютерной Виртуальной Реальности.
По сути, компьютерная Виртуальная Реальность (ВР) — это созданные компьютером иллюзорные миры. Их свойства зависят от технических параметров аппаратных средств, так и возможностей прикладного и системного программного обеспечения. Данное программное обеспечение предназначено, как правило, решать определенный круг задач, относящихся к сферам обучения, досуга, техники, науки, промышленности и т. д. В качестве средств ввода/вывода выбирают устройства, реализующие человеко-машинный интерфейс в удобной и эффективной, но не традиционной форме ВР. Обычно ВР — это трехмерное, объемное, изображение и трехмерный звук, обеспечивающие высокую степень реалистичности.
Это могут быть прогулки и путешествия по историческим местам или интерактивное, объемное кино, в котором в качестве одного или нескольких героев могут выступать один или несколько пользователей. Кроме того, это могут быть разнообразные игры. Человек, пользователь компьютера, "попадает" в подобные компьютерные миры с помощью определенных технических средств — компьютера с соответствующими программами, специальных очков, шлемов, дисплеев, датчиков на руках и ногах и т. д. От совершенства используемых технических средств зависят качество восприятия и возможности воздействия на объекты в таком иллюзорном компьютерном мире, то есть степень погружения в Виртуальную Реальность — мир, созданный программами и техническими средствами компьютера.
У Виртуальной Реальности есть много различных формальных и неформальных определений. Одно из таких определений можно сформулировать следующим образом:
Виртуальная Реальность — это машинно-генерируемая среда, при "погружении" в которую пользователю кажется, что он находится в иллюзорном, виртуальном мире. Для этой цели используются подключенные к компьютеру разнообразные датчики, воздействующие на органы чувств (в перспективе — на все) данного пользователя. При этом обеспечивается не только вывод, но и ввод информации и команд в компьютер, с помощью которого реализуется Виртуальная Реальность.
Данное направление человеко-машинного интерфейса является чрезвычайно перспективным и интенсивно развивается. Особенно это касается разнообразных научных приложений, а также систем обучения и досуга, например, игр и интерактивного кино, если это вообще можно назвать так. Дело в том, что при использовании современных, относительно мощных компьютерных систем уже сегодня степень реалистичности звуковой и визуальной информации настолько высока, что речь может идти о совершенно новых подходах к процессам обучения и досуга, и даже о новых формах искусства.
Используя богатые изобразительные средства, присущие компьютерным технологиям, можно в пространстве ВР создавать конструкции, невозможные в реальном мире, например, такие как у знаменитого Эшера. Или заселить воображаемый мир тварями, подобными чудовищам и монстрам Босха и Гойи, создать мир Сальвадора Дали, а можно и побродить в лесу Левитана.
Уже сегодня стремительно развивается индустрия развлечений, основанная на использовании ВР. Прогнозируется большое будущее для приключенческих сценариев, предусматривающих коллективное участие нескольких человек. В отличие от традиционных кинофильмов, включая даже тех, которые используют стереоэффекты, этот новый вид искусства предусматривает интерактивное взаимодействие участников. Это означает, что они, действуя коллективно, могут изменять среду в пространстве ВР. Например, вместе путешествовать. А сафари в ВР? Это все-таки гуманнее, настоящей охоты.
Однако не следует считать, что описанными областями исчерпывается сфера применения данных компьютерных средств. В настоящее время человеко-машинный интерфейс, обеспечивающий реализацию машинно-генерируемых сред — компьютерных Виртуальных Реальностей, имеет важное прикладное значение. Как, впрочем, и многие другие достижения современной Науки.
Используя специализированные средства аппаратно-программного интерфейса и возможности ВР, можно коренным образом изменить процесс обучения в самых разных областях знаний. Это могут быть физика, химия, биология, география, архитектура, история, искусство. Список можно продолжать, казалось бы, до бесконечности. А современная математика и решение чрезвычайно сложных задач, вывода и анализа получаемых результатов?
Известно, что интерпретация решений сложных математических уравнений часто является достаточно сложной проблемой. Еще сложнее, когда с целью оптимизации в сложном уравнении приходится в зависимости от ранее вычисленных и проанализированных результатов подбирать параметры для получения новых данных. Пример такой проблемы — решение чрезвычайно сложных уравнения из физики сплошных сред, кстати, частным случаем которых является закон Бернулли, хорошо известного из школьного курса физики. Одна из задач, решаемых с помощью подобных уравнений, в интересах авиационной промышленности была выполнена в короткий срок с применением средств и возможностей ВР. Результат решения уравнений выводился в ВР в виде большого объемного графика — цветного тела причудливой формы. Форма и цвет описывали скорости, турбулентности, пространственное распределение потоков, обтекающих элементы летательных аппаратов. Цветом задавалась скорость. Данное виртуальное сооружение можно было тщательно осмотреть, обойти, потрогать. И все это в пространстве ВР! Изменением параметров можно было менять и форму, и цвет, добиваясь нужного результата. В некоторых опытах, осуществляемых в пространстве ВР, процесс коррекции параметров очень сложных уравнений осуществлялся исследователем непосредственно в пространстве ВР с помощью специальных перчаток — gloves. Он, снабженный gloves и, конечно, специальным шлемом, работал фактически как скульптор-абстракционист. Практический результат подобных исследований — оптимальные формы нового турбовинтового самолета и лопастей его винтов. Расход топлива снизился почти на 25%. А это очень много.
Очевидно, подобные методы можно использовать не только в интересах авиации. Аналогичным образом были выполнены исследования для подводных лодок, в результате чего были оптимизированы форма корпуса и режим работы винтов, что привело не только к экономии топлива, но и к снижению гидроакустических шумов. Данное обстоятельство позволило, кстати, существенно повысить скрытность.
Другой пример — использование возможностей ВР такой известной организацией, как NASA. Данная организация уже сравнительно давно использует различные специализированные устройства ВР для обучения астронавтов, например, ориентированию по звездным картам. Кроме того, проводятся широкие исследования по управлению космическими аппаратами и системами из ВР с помощью разнообразных компьютерных устройств. При этом специалисты, используя системы ВР, физически находятся в безопасных условиях, например, на Земле, а датчики, передающие разнообразную информацию в компьютер, и исполнительные устройства, принимающие и выполняющие команды, — в космосе. При этом объекты управления могут быть расположены на космических кораблях, станциях, даже в открытом космосе. Это означает, что человек, находясь в полной безопасности, получает с помощью средств ВР в удобной и естественной форме весь объем необходимой информации, недоступной в естественных условиях для органов чувств человека. Это могут быть электрические сигналы, радиоволны, инфракрасное или рентгеновское излучение, запредельные температуры, высокие и низкие уровни давления, опасные газовые среды и т. д. Используя эту информацию, с помощью компьютерных устройств человек может руководить исполнительными механизмами, например, роботом, оценивая окружающее пространство с помощью его сенсоров. При этом робот может находиться в условиях, непригодных и опасных для человека. Кстати, подобные механизмы могут находиться не в космосе, а скажем, на дне океана или в жерле вулкана.
Результаты подобных исследований чрезвычайно обнадеживающие. Но перспективы их использования находятся в прямой зависимости от развития компьютерных технологий.
К сожалению, мощности большинства современных компьютеров и возможностей средств интерфейса недостаточно для реализации полноценной ВР, которая могла бы конкурировать по реалистичности, то есть по воздействию на органы чувств, с окружающим, материальным, миром. Поэтому возможности ВР, описанные в многочисленных научно-фантастических фильмах типа "Газонокосильщик", "Виртуальная реальность" и т. д. — скорее будущее, чем настоящее, даже с учетом производительности современных суперкомпьютеров типа Cray и Cyber. Однако компьютерные технологии развиваются, и производительность вычислительной техники стремительно растет. Некоторые элементы ВР уже сегодня достигли очень высокой степени реалистичности. Даже на обычных компьютерах с процессорами Pentium II, а даже иногда и ниже, доступны такие возможности как объемный звук — 3D-звук, качественное стереоизображение и т. д. Конечно, для реализации данных возможностей требуются соответствующие устройства интерфейса, а также и программное обеспечение, без которого данные устройства остаются относительно дорогими, но ненужными и бесполезными элементами сложных компьютерных систем.
Опубликовано в журнале "Вы и Ваш компьютер"