Появление и разработки систем ВР

Создание систем ВР основано на использовании компьютерной графики и анимации, компьютерного и имитационного моделирования, дистанционного управления, автоматизированного проектирования, техники человеко-машинного интерфейса [6]. Характерно, что сегодня развитие ВР с интервалом около 30 лет повторяет развитие компьютерной графики: высокая стоимость; развивается небольшими компаниями. Но темпы развития и возможности ВР гораздо выше, поскольку аппаратура, компьютеры и технологии развиваются гигантскими темпами, а ВР сегодня уделяется намного больше внимания.

В связи с тем, что поддержка среды ВР требует дополнительных затрат на построение мощного аппаратного комплекса, разработку или приобретение оригинальных программных средств, первые успехи в создании и применении такой сложной среды были достигнуты в более «богатых» или приближенных к наиболее значимым направлениям науки отраслях промышленности и мощных компаниях.

Большинство разработок, положенных сегодня в основу систем ВР, были выполнены в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и ВВС США еще в 50х-60х годах прошлого века [6]. NASA, пионер в развитии систем ВР, стремилось создать совершенные аэрокосмические тренажеры. Этот ограниченный подход был преодолен, и в Исследовательском центре имени Джозефа Эймса в Калифорнии исследователи и разработчики NASA стали создавать «многосенсорную, трехмерную, интерактивную систему», одинаково пригодную для тренировки космонавтов и хирургов. Результатом явилась система «глаз-рука», состоящая из видеошлема и сенсорной перчатки [9]. Это событие только подхлестнуло других разработчиков систем ВР, к числу которых можно отнести, например, следующие учреждения и организации (с указанием направлений исследований и разработок):

· Университет штата Сев.Каролина (США) – эксперименты с десятками систем ВР для визуализации научных и медицинских данных;

· Лаборатория технологии человеко-машинного интерфейса (Сиэтл, Штат Вашингтон, США) – Virtual Environment OS, следящие и дисплейные устройства;

· Университет Карнеги-Меллона (США) – возможности применения ВР в области искусства;

· Колумбийский университет – наложение компьютерных изображений на изображения реального мира;

· Брауновский университет (США) – инструменты взаимодействия человека и ПК в трехмерном пространстве;

· Университет штата Вирджиния (США) – поведение человека в виртуальной среде;

· Институт информатики (Швеция) – совместное поведение нескольких пользователей в виртуальной среде;

· Токийский технологический институт (Япония) – адаптация виртуальных сред к поведению человека [6].

Особой популярностью пользуется моделирование в строительстве с эффектом присутствия в проектируемом здании. Модели достаточно просты и очень убедительно демонстрируют достоинства трехмерного отображения.

Несколько компаний разработали «электронный манекен», имитирующий тело человека, который можно использовать для изучения анатомии и физиологии, для репетиции сложных операций.

В одном из универмагов Токио (Япония) впервые появилась система ВР, с помощью которой покупатель комплекта кухонной мебели и оборудования может увидеть модель кухни в виртуальном пространстве, осмотреть ее с разных сторон и под разным увеличением, после чего высказать свои пожелания.

Как это ни странно, основные трудности применения ВР, по мнению исследователей, связаны с причинами совсем не технического, а концептуального характера. Дело в том, что ВР открывает уж очень много возможностей, но пока далеко не всем из них найдено достойное применение. Тем не менее, известны примеры успешного применения ВР в промышленности. Корпорация IBM создала ВР для управления туннельным сканирующим микроскопом.

В NASA разработан тренажер ВР для ремонта в космических условиях орбитального телескопа Hubble, предназначенного для исследования дальнего космоса. Телескоп Hubble (вес 10 т, стоимость 1,5 млрд.долл.) в 1989 г. с помощью комического «челнока» The Shuttle «Discovery» был выведен на орбиту высотой 500 км. Случилось так, что из 2 необходимых солнечных панелей сразу успешно раскрылась только одна. Вторую панель удалось раскрыть только на следующий день()орая на следующий день,одна, панелей , когда уже собирались выпустить в открытый космос двух космонавтов для его ремонта. Позже выяснилось, что телескоп дает несфокусированное изображение из-за явления сферической аберрации (и по сути изначально был неисправен). Так выяснили актуальность моделирования и освоения подобных работ.

В нашей стране в кооперации с зарубежными партнерами проводятся работы по применению среды ВР для автоматизированного проектирования во многих отраслях промышленности, например, в авиастроении, в Конструкторском бюро имени Сухого.

Всё больше предприятий в мире использует для производства своих изделий виртуальное прототипирование. Это даёт огромное преимущество, так как изготавливаемое изделие можно протестировать и изготовить в среде ВР, сведя к минимуму расходы, которые потребовались бы для создания реального прототипа и его отработки. В ходе виртуального прототипирования создаётся 3D-модель изделия (рис. 2.2), и оно помещается в среду ВР, где достаточно точно имитируются реальные условия, например, физические взаимодействия между виртуальными объектами и деталями. Процесс имитационного моделирования не требует каких либо реальных условий и затрат на их создание, поэтому очень экономичен.

Рис. 2.2. 3D-модель изделия

Используя инновационные технологии виртуального окружения, можно взаимодействовать с виртуальным прототипом как с настоящим, уже готовым изделием, получая при этом виртуальный опыт. Это становиться возможным благодаря технологиям 3D-визуализации и проекционным системам ВР, в которых пользователи могут наблюдать объекты в ВР, взаимодействуя с ними с помощью различных аппаратных интерфейсов (например, перчаток ВР). Таким образом, можно изучить и протестировать проектируемое изделие еще на стадии его прототипирования, обнаружив возможные ошибки и улучшив его дизайн, не расходуя средства на реальные материалы и доработки, которые для некоторых изделий, например, автомобилей, могут быть достаточно дорогостоящим удовольствием [79].

Виртуальный опыт позволяет пережить и проанализировать те или иные ситуации в виртуальном пространстве, и на их основе произвести действия уже в реальном мире. Демонстрация производится с помощью всевозможных технологий виртуального окружения, чтобы конечный пользователь мог погрузиться в ВР и взаимодействовать с ней. Виртуальная среда воспроизводится с помощью качественных трехмерных моделей и графических эффектов.

Виртуальный опыт может быть полезен, например, при разработке дизайна самолёта или даже целого города (рис. 2.3). Это позволяет реализовать различные идеи и протестировать объект, до совершения реальных изменений, что в свою очередь позволяет сэкономить ресурсы, а главное – время.

Рис. 2.3. Виртуальный опыт разработки дизайна самолета и города

Также виртуальный опыт просто необходим тогда, когда группе экспертов нужно произвести анализ того или иного сложного изделия или прототипа по большому количеству параметров без необходимости изучения сложного програмного обеспечения типа САПР. Виртуальный опыт нужен, чтобы просто и доходчиво объеснить и передать опыт эксплутации еще только проектируемого изделия [80].

Центры виртуального макетирования, как VE upCenter российской компании VE Group, вобрали в себя все последние мировые инновационные достижения в области 3D-визуализации и ВР, которые существенно раздвигают привычные рамки пространственного моделирования и позволяют выйти на новый уровень интерактивного макетирования и презентаций в проектировании, градостроительстве, городском планировании и архитектурном дизайне [81].

Технологии ВР используются при проектировании сложных систем различного назначения, для визуализации комплексных архитектурных решений, при планировании развития городов (urban planning), то есть там, где выработка концепции, увязка компонентов и даже тестирование (вплоть до получения виртуального опыта эксплуатации) должны быть проведены задолго до этапа создания физического прототипа.

Системы ВР (иммерсионные центры) активно используются для эффективных демонстраций лицам, принимающим решения, инвесторам, заказчикам, фокус группам экспертов и т.д. Иммерсионные центры вобрали в себя все последние мировые инновационные достижения в области 3D-визуализации и ВР, которые существенно раздвигают привычные рамки проектирования, и позволяют выйти на новый уровень интерактивного виртуального прототипирования и осуществления виртуальных сборок. Использование центров ВР позволяет получить существенный экономический эффект за счет отказа от создания физических прототипов, сокращения времени разработки, сокращения трудозатрат и улучшения качества проектирования изделий [81].

Наиболее наглядны успехи применения среды ВР в автомобилестроении (рис. 2.4), например, в центрах виртуального интерактивного прототипирования (компании Volkswagen – слева) и автоматизированной разработки (компании PEUGEOT – справа) [82].

Рис. 2.4. Применение ВР в автомобилестроении

Разработан «электронный манекен», имитирующий тело человека, который можно использовать для изучения анатомии и физиологии, для репетиции сложных операций. Другие примеры применения ВР в медицине иллюстрирует рис. 2.5 [82].

Архитектурное проектирование основано на понимании организации жизненного пространства, представление о котором складывается из сопоставления зрительных впечатлений, поэтому так важно проектировщикам и потенциальным инвесторам максимально реалистично «видеть» и «присутствовать» в еще не построенном здании.

Рис. 2.5. Применение ВР в медицине

Популярны также: планирование ландшафтов и застройки, дизайн помещений, интерьеров и др. Модели убедительно демонстрируют достоинства трехмерного отображения (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Применение ВР в строительстве и дизайне помещений

От разработок среды ВР для игр и развлечений проектировщики перешли к созданию ВР для поддержки процессов «глубинного» обучения, поскольку было выяснено, что процесс обучения затрагивает практически все центры и системы человека.

Реализованы разнообразные военные тренажеры и симуляторы с использованием элементов ВР (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Военные тренажеры и симуляторы

В гражданской сфере тренажеры (рис. 2.8) и симуляторы существуют практически для всех устройств, требующих человеческого управления. Системы ВР устанавливаются на предприятиях для обучения персонала, занятого на опасных участках производства, например в кузнечных цехах. Компания Motorola умудрилась сэкономить за счет виртуального обучения и создания виртуальных руководств по ремонту своего оборудования несколько миллионов долларов. Компания Boeing смело вкладывает несколько десятков млн. долларов в создание виртуальных инструкций по ремонту своих лайнеров.

Рис. 2.8. Гражданские тренажеры

Тренажеры и симуляторы, как правило, недешевы, но их использование повышает качество подготовки обучающихся и коммерчески оправдано [83].

Многочисленные исследования показали, что обучаемый с первого раза запоминает лишь ¼ услышанного и ⅓ увиденного, при комбинированном воздействии на слух и зрение запоминается приблизительно ½ информации, а при вовлечении обучаемого еще и в активные действия (при использовании интерактивных ММ технологий) доля усвоенного достигает ¾ [11].

Исследователь Альберт Мерабян установил, что передача информации происходит за счет вербальных средств (только слов и фраз) на 7 %, за счет звуковых (вокальных) средств (включая тон голоса, интонацию и другие звуки) на 38 %, а также за счет невербальных средств на 55 %. Профессор Рэй Бердвистл проделал аналогичные исследования относительно доли невербальных средств в общении людей. Он установил, что в среднем человек говорит словами только в течение 10-11 минут в день, и что каждое предложение в среднем звучит не более 2,5 секунд. Как и А. Мерабян, Р. Бердвистл обнаружил, что вербальное (словесное) общение в беседе занимает 35 %, а 65 % информации передается с помощью невербальных средств общения. Большинство исследователей разделяет мнение, что вербальный (словесный) канал используется для передачи фактической информации, в то время как невербальный канал применяется для передачи эмоций и чувств, «обсуждения» межличностных отношений. А в некоторых случаях невербальные сигналы могут полностью заменить слова [12].

Исследователи отмечают, что в более насыщенной среде ВР аудиовизуальные и другие комплексные воздействия способствуют активному и более быстрому смысловому закреплению материала в памяти обучаемого. В процессе такого обучения продолжает активно работать ассоциативное мышление человека. Следовательно, получаемые «яркие», комплексные и даже апробированные знания моментально увязываются с ранее накопленными знаниями и опытом обучаемого, упрощая процесс систематизации знаний.

Интерактивная среда ММ активизирует индивидуальные, личностные мотивы обучаемого при усвоении материала: целевой, исследовательский, эмоционально-эстетический, игровой, инициационный [38].

ВР можно рассматривать как некий итог развития интерактивности системы «машина-человек», возможный, прежде всего, благодаря развитию технологий повышения производительности компьютеров, систем 3D-визуализации, систем обратной связи, трекинга, тактильных ощущений и т.д.

На определенном этапе на смену диалога с компьютером посредством текстово-графической информации пришел новый способ взаимодействия человека и ПК. Осуществляя навигацию в мире зрительных образов, сгенерированных компьютером, человек одновременно получает возможность направлять работу компьютерной техники. Новые возможности оборудования как бы позволили человеку шагнуть внутрь компьютера, привнося с собой чисто человеческие способности ориентироваться внутри визуальных образов, эмоций, чувства, интуицию, то есть все то, что недоступно неодушевленному компьютеру. Своеобразный тандем «машина-человек» обрел качественно новые возможности.

Современные технологии ВР и 3D-визуализации, фактически являются элементной базой для построения новых поколений мультимодальных человеко-компьютерных интерфейсов, которые позволяют создавать тренажеры, симуляторы, интерактивные обучающие виртуальные среды, виртуальные прототипы, цифровые планетарии и т.п. [85].