Rudometov.COM

Технические средства Виртуальной Реальности

Системы 3D-изображений

Системы, реализующие эффект объемных изображений, существует уже давно. Уже несколько десятилетий известны устройства, использующие стереослайды. Были также популярны разнообразные очки с цветными стеклами — красно-синие, красно-зеленые. В продаже можно было найти альбомы с геометрическими стереофигурами, кстати, очень облегчающими процесс изучения стереометрии в школе. Существовали соответствующие художественные альбомы со стереофотографиями, которые можно было рассматривать через подобные очки. В Европе в семидесятых годах были выпущены даже цветные телевизоры, в устройстве которых были предусмотрены специальные линии задержки, приводящие к смещению красного цвета на изображении. Утверждалось, что при просмотре телепрограмм на таком устройстве через цветные очки, отмечается псевдостереэффект. Но компьютерные технологии развиваются и на смену тем старым и достаточно примитивным устройствам пришли новые, компьютерные, позволяющие реализовать полноценное объемное изображение с высоким качеством и четкостью.

В настоящее время существуют разные системы ВР, обеспечивающие получение высококачественного трехмерного изображения, например, хорошо известные системы CrystalEyes PC, 3D Max, CyberMaxx 3D, i-Glasses, VFX1 и другие. В основу работы этих и подобных систем положено несколько главных принципов формирования трехмерных (3D) изображений.

Первый и наиболее дешевый заключается в формировании изображения поочередно для левого и правого глаза. При этом оба изображения поочередно выводятся на единый экран монитора. Разделение изображений, выполняется с помощью специальных скоростных затворов, по очереди перекрывающих поток изображений, формируемых на экране монитора. Работа таких затворов синхронизирована с выводимым изображением и заключается в поочередном закрывании изображения экрана монитора для глаз наблюдателя. В качестве таких затворов в первых разработках использовались механические устройства, напоминающие затворы в фотоаппаратах, однако настоящее время, как правило, используются LCD-затворные линзы на жидких кристаллах, управляемые специальной платой синхронизации. Такие линзы обычно выполняются в форме очков, через которые пользователь смотрит на экран монитора. Стекла таких очков по очереди становятся непрозрачными, чем и достигается разделение изображения для глаз.

Одна из главных трудностей при таком способе вывода — невысокая частота вертикальной развертки — кадровой частоты мониторов. Современные эргономические требования на частоту вертикальной развертки монитора предусматривают, как известно, по крайней мере, не менее 70 Гц, однако рекомендовано — 100 Гц. При этом должен использоваться строчный способ формирования изображения на экране монитора (NI). Несоблюдение этих требований приводит к быстрой утомляемости глаз от мигания изображения. Нижней границе, которая должна составлять не менее 70 Гц, удовлетворяют большинство современных мониторов. Частоте 100 Гц — более качественные, а поэтому и более дорогие устройства. Это все обычному, то есть, в данном случае, одинарному изображению. Для двойного, стерео, изображения требуется частота вертикальной развертки в два раза выше — 150-200 Гц. Этому требованию удовлетворяют только самые качественные и очень дорогие мониторы.

На указанном принципе формирования стереоизображений построены, например, следующие модели устройств вывода визуальной информации — очки: CrystalEyes PC, 3D Stereo Set, 3D Max, CyberMaxx 3D, Holographic3D.

Данные модели обеспечивают достаточно хорошее стереоизображение с частотой 60 Гц при использовании монитора с частотой вертикальной развертки 120 Гц. Этому уровню соответствуют только хорошие и сравнительно недешевые мониторы! Однако необходимо отметить, что даже в случае использования таких мониторов, частота стереоизображения не удовлетворяет даже минимальным требованиям.

Второй принцип — более сложный и, как правило, более дорогой в реализации. Заключается в использовании в составе системы вывода визуальной информации двух отдельных устройств — по одному для каждого глаза. Одновременно каждое из этих устройств формирует свое изображение: одно — для левого глаза, второе — для правого. Разделение изображений обеспечивается конструкцией системы.

Еще в конце 60-х годов в ряде технических журналов были опубликованы результаты разработки фирмой IBM систем вывода визуальной информации из ЭВМ в форме 3-мерных стереоизображений. Были разработаны соответствующие программы и устройства. В основе тех систем лежали два метода формирования стереоизображения. Первый — это использование световодов для передачи для каждого глаза отдельно видеоинформации, сформированной двумя дисплеями на электронно-лучевых трубках — ЭЛТ: 2 ЭЛТ — 2 световода — 2 глаза. Второй — это применение двух миниатюрных дисплеев на ЭЛТ, вмонтированных в специальный шлем и расположенных напротив глаз, отдельно для каждого глаза.

Системы на основе больших или миниатюрных дисплеев на ЭЛТ и световодов не отличались низкой стоимостью и компактностью. Развитие компьютерных технологий и появление высокоэффективных элементов позволили значительно сократить габариты и уменьшить стоимость.

Примерами таких систем вывода визуальной информации могут служить устройства, использующие в качестве элементов видеовывода цветные LCD-дисплеи — дисплеи на жидких кристаллах. Это, например, такие системы как i-Glasses и VFX1, получившие достаточно широкое распространение. Два цветных LCD-дисплея, входящих в состав каждой из этих систем, осуществляют видеовывод для каждого глаза одновременно, но раздельно. Это обеспечивает получение стереоизображений достаточно высокого качества.

I-Glasses представляет собой компактное устройство, обеспечивающее вывод видеоинформации через два малогабаритных LCD-дисплея, входящих в состав данного устройства, которое крепится на лоб. Конструкция i-Glasses обеспечивает раздельную и независимую подачу видеоизображений с LCD-дисплеев. Видеосигнал для i-Glasses в стандарте NTSC. Это позволяет использовать данное устройство не только в качестве компьютерного 3D-монитора, но и как приставку к телевизору или видеомагнитофону для индивидуального просмотра видеопрограмм.

Одной из наиболее удачных моделей систем человеко-машинного интерфейса является VFX1. Это устройство разработано известной фирмой Forte. В основу VFX1 положен шлемоподобный дизайн, обладающий многими преимуществами. В VFX1 используются LCD-дисплеи с относительно неплохим разрешением. Пользователь смотрит через регулируемую оптику. Все это создает иллюзию большого экрана. Для достижения эффекта 3D на каждый LCD-экран шлема VFX1 через специальный интерфейс посылается соответствующий видеосигнал от компьютера: отдельный для левого LCD и отдельный для правого LCD. Специальные средства слежения контролируют положение головы пользователя и постоянно вводят эту информацию в компьютер. Поворот головы в шлеме соответствует повороту головы в виртуальном мире. Шлем имеет встроенные высококачественные динамиками и микрофон.

Системы, обеспечивающие вывод 3D-изображений,  — i-Glasses и VFX1 породили целый ряд устройств с более высокими параметрами. В качестве примера можно привести i-glasses X2 и i-glasses ProTec от i-O Display System. VFX3D представляет собой усовершенствованный вариант VFX1.

Число пикселов возросло в полтора раза – со 180,000 до 230,000, поддерживается 16- и 24-бит цвет, совместим со всеми последними 3D ускорителями, используется USB, разрешение до 1024х768 с различной частотой обновления. Используется более совершенная система ориентации.

Кроме фирмы Forte свои шлемы выпустили Virtual Research, n-Vision, Sony, Philips.

Несмотря на очевидный прогресс в области совершенствования систем 3D-изображений, некоторые эксперты, считают, что будущее за лазерными устройствами, обеспечивающими проецирование цветного 3D-изображения непосредственно на сетчатки обоих глаз. Такие исследования уже ведутся, и утверждается, что результаты вполне успешны.

Как известно, первые звуковые платы были 8-разрядные и использовали FM-синтез. Наибольшее распространение получили звуковые платы Sound Blaster компании Creative Technology. Однако первое поколение звуковых плат, представленное 8-разрядными устройствами, не могло обеспечить высокое качество звука, тем более для ВР. Это было связано с тем, что динамический диапазон таких карт соответствовал уровню кассетных магнитофонов невысокого качества — 40-45 дБ. Действительно, 8 разрядов обеспечивают 256 уровней сигнала. Кроме того, необходимо учесть особенности преобразования, в результате чего динамический уровень 40-45 дБ — совсем не плохо для 8-разрядных плат. Значительно повысить качество удалось только за счет перехода к 16-разрядным платам, обеспечивающим динамический диапазон близкий к уровню CD. Повышению качества звуковых плат способствовала также замена метода FM методом Wave Table.

Для обеспечения работоспособности ранее выпущенных программ звуковые платы должны обеспечивать совместимость с платами Sound Blaster компании Creative Technology, в результате работы которой появилось ряд стандартов de facto. Обычно совместимость с Sound Blaster достигается за счет аппаратной или программной эмуляции.

Все современные звуковые платы являются 16-разрядными устройствами. Такие платы обеспечивают высококачественный звук с широким частотным диапазоном (20 Гц-20 кГц при неравномерности амлитудно-частотной характеристики 0.5-3 дБ), высоким значением соотношения сигнал шум (до 90 дБ, но обычно 65-80 дБ), малыми нелинейными искажениями (менее 1%) и т. д.

Звук может быть одноканальным — режим "моно" или двухканальным — режим "стерео". Соответственно и обработка осуществляется либо по одному каналу, либо по двум.

В отличие от одноканального, двухканальный стереозвук позволяет передавать пространственное расположение источников звука. Этот эффект обеспечивается за счет соответствующей разницы в фазах между сигналами каналов. При этом разница в фазах – в исходном сигнале! Однако полноценный стереоэффект достигается только в ограниченном пространстве, величина которого определяется двумя излучающими звук акустическими системами – звуковыми колонками. Звук распространяется со стороны данных двух акустических систем. Это особенность стереозвука.

Для целей ВР качества стереозвука явно недостаточно. Требуются многоканальные звуковые системы. Звуковой сигнал в многоканальной системе обладает сложной фазовой структурой. Это позволяет реализовать пространственный звук. Источники звука не "заперты" между двумя акустическими системами, а свободно распределены во всем окружающем пространстве, конечно, в соответствии с оригиналом, или почти. В таких системах звук может распространяться во все стороны, он "не привязан" к звуковым колонкам. Для реализации пространственного звука — 3D-звука существуют разные способы и системы.

Самый очевидный, логически простой и, вероятно, самый правильный — это применение многоканальной записи и многоканального воспроизведения. В этом случае используются несколько (4 и более) каналов усиления и несколько (4 и более) акустических систем.

Однако использование нескольких идентичных звуковых каналов часто не является целесообразным по экономическим и техническим причинам. В этом случае применяют разные способы кодирования и преобразования звуковой информации.

Одна из мощнейших систем звукового кодирования — система Dolby Surround Sound. Данная система широко применяется в кино, телевидении, звукозаписи. Эта система используется, например, в DVD CD-ROM. Качество звука в такой и подобных системах — очень высокое.

Для повышения субъективного качества стереозвука существуют различные системы обработки, позволяющие получить 3D-звук. При этом даже его имитация приводит к существенному повышению качества.

Для повышения качества звука используются системы, основанные на применении специальных процессоров обработки звуковых сигналов. Некоторые звуковые карты имеют в своем составе данные микросхемы. Такие карты могут воспроизводить звук как в режиме стерео, так и в режиме 3D. Субъективно качество звука в таких системах в режиме 3D часто выше, чем в традиционном режиме стереозвучания. Звук становится более объемным (3D), более качественным. И это часто обеспечивается всего двумя акустическими колонками. Хотя имеются системы с тремя акустическими колонками и даже более. Конечно, качество в таких системах еще выше. Но, следует сразу отметить, что качество 3D-звука существенно зависит не только от аппаратного обеспечения звуковых карт, но и от сопровождающего программного обеспечения. Конечно, возможны некоторые искажения пространственной картины расположения источников звука (иногда это и неизбежно), но часто это не является существенным недостатком.

Возможны и комбинированные варианты, предусматривающие и кодирование, и использование спецпроцессоров, специальных наборов микросхем, а также многоканальных усилителей, звуковых колонок, фильтров, специализированного программного обеспечения и т. д.

Звуковые платы, предназначенные для обработки информации с целью создания высококачественного 3D-звука, порождают большие потоки цифровых данных, с которыми не справляются традиционные шины ISA. Именно поэтому наметилась устойчивая тенденция замены звуковых плат с шиной ISA на устройства с шиной PCI. В настоящее время платы этого типа являются уже доминирующими на компьютерном рынке. В качестве примера таких плат можно привести Monster Sound MX300 от Diamond Multimedia и Sound Blaster Live! (SB Live! Full — полная версия, SB Live! Value — версия с сокращенными функциями) от Creative Labs.

В качестве устройств ввода информации в компьютер в простейших случаях используется традиционная клавиатура. Это вполне допустимо во многих прикладных программах, например, в информационно-поисковых системах, а также в играх.

Повысить скорость ввода информации во многих случаях позволяют специальные устройства ввода. В качестве таких устройств могут быть использованы, например, джойстики. Они нередко используются в различных имитаторах и в играх. В простейших случаях джойстик —это рычаг, обладающий несколькими степенями свободы. Это позволяет вводить в программу простые команды: "вперед", "назад", "налево", "направо" и т. д. Современные джойстики могут быть чрезвычайно сложными и дорогими устройствами. Их стоимость может составлять сотни долларов США и даже более. Перспективными устройствами являются джойстики, поддерживающие технологию Force Feedback. Использование данной технологии позволяет реализовать для данных устройств принцип силовой обратной связи. Технология Force Feedback встроена в DirectX 5.0 и выше. Джойстики Force Feedback обеспечивают более полную имитацию в играх и различных симуляторах. Такие устройства обеспечивают передачу вибраций, где требуется по сценарию, они "сопротивляются", "трясутся" и т. д.

И конечно, часто в качестве устройств ввода используются такие устройства, как мыши (mouse). Существуют разные мыши: с двумя кнопками, тремя кнопками и т. д. Как правило, двух кнопок — достаточно. Кроме того, мыши бывают проводные и без проводов. Беспроводные мыши обеспечивают повышенный комфорт. С помощью подобных устройств связь с компьютером осуществляется дистанционно, например, с помощью инфракрасного излучения. Это излучение, кстати, хорошо отражается от препятствий, например, как правило, хорошо отражается от стен комнаты, где расположен компьютер. Для указанных целей возможно применение радиосвязи. Использование радиодиапазона позволяет увеличить дальность и повысить надежность. К недостаткам беспроводных мышей следует отнести необходимость периодической зарядки автономного источника питания — аккумулятора. Эту операцию необходимо выполнять каждые несколько часов. Для этого обычно мышь помещается в специальный контейнер, подключенный, как правило, к порту компьютера.

В последние время стали популярны трек-болы (track ball), представляют собой перевернутые мыши. Управление осуществляется вращением шарика (ball) и нажатием соответствующих клавишей. Когда под руками нет коврика или его некуда положить, например, управление осуществляется из далеко отстоящего от стола кресла, такие устройства — удобны, их эксплуатация — целесообразна. В остальных случаях — на любителя.

Все перечисленные устройства активно используются в программах, оперирующих двух и трехмерными объектами на плоском экране монитора и в условиях ВР. То есть они являются такими же необходимыми устройствами, как и очки, и шлемы. Однако для управления программными объектами в условиях полноценной ВР, максимально приближенной по восприятию к существующему, окружающему, материальному, то есть реальному, миру, возможностей данных устройств иногда недостаточно. В той или иной мере перечисленные устройства ограничивают перемещение в мире ВР. Конечно, в первую очередь это касается полупрофессионального и профессионального использования возможностей ВР для решения достаточно сложных задач.

Расширить возможности ввода информации в компьютер позволяют, например, такие устройства, как трехмерные мыши — 3D-mouse. Устройства этого типа по своему назначению подобны традиционным (2D) мышам. Однако в отличие от обычных, 3D-устройства способны отслеживать их пространственное перемещение и информацию об этом вводить в компьютер. Примером подобного устройства может служить беспроводная GiroMouse фирмы Dimond. На столе она будет работать как обычная мышь (2D), а если поднять и нажать на кнопку на основании, то можно использовать это устройство в воздухе (3D). Обмен данными между мышью и базовым устройством, подключенным к компьютеру, осуществляется в радиодиапазоне.

В качестве устройства, обеспечивающего имитацию осязания, можно привести мышь FEELit Mouse. С помощью данного устройства можно почувствовать рельеф изображения или, например, выпуклость кнопки, проведя над ними курсор, а также вес объекта при его перемещении. Необходимо отметить, все это становится реальностью только при наличии соответствующих программ.

Другим устройством, расширяющим возможности ВР, являются специальные перчатки — gloves. Они позволяют в соответствии с требованиями эксплуатируемых программ осуществлять ввод информации в компьютер с помощью различных манипуляций руками, кистями рук, пальцами. Например, указывая пальцем на объект в ВР можно вызвать какие-нибудь действия: перемещение объекта в ВР, изменение его размеров, цвета, формы и т. д. С объектом в ВР может быть сопоставлен объект в реальном мире. Так можно осуществлять управление из ВР. В перспективе с помощью gloves будет осуществляться вывод тактильной информации - тактильных ощущений - твердый, мягкий, холодный, горячий и т. д. Это сложные и дорогие устройства. Достаточно отметить тот факт, что gloves, предназначенные для профессионального применения, имеют несколько сотен датчиков: растяжения, сжатия, перемещения и т. д. Эти датчики фиксируют и измеряют пространственные перемещения, как совместные – плеча, руки, кисти, так каждой выбранной точки в отдельности - каждого пальца, каждой фаланги. При этом необходимо учитывать, измерять и вводить в компьютер каждый изгиб, каждый поворот.

Возможности ВР в решении широкого круга прикладных задач в значительной степени зависят от параметров устройств ввода-вывода. Поэтому развитию данных средств уделяется большое внимание. По мере развития компьютерных технологий функциональные возможности аппаратно-программных средств интерфейса, обеспечивающих связь пользователя и компьютера (ввод-вывод информации) в условиях ВР, постоянно увеличиваются.