Виртуа́льная реа́льность (ВР, , VR, искусственная действительность) — созданный техническими средствами мир, передаваемый человеку через его ощущения: зрение, слух, осязание и другие. Виртуальная реальность имитирует как воздействие, так и реакции на воздействие. Для создания убедительного комплекса ощущений реальности компьютерный синтез свойств и реакций виртуальной реальности производится в реальном времени.
Объекты виртуальной реальности обычно ведут себя близко к поведению аналогичных объектов материальной реальности. Пользователь может воздействовать на эти объекты в согласии с реальными законами физики (гравитация, свойства воды, столкновение с предметами, отражение и т. п.). Однако, часто в развлекательных целях пользователям виртуальных миров позволяется больше, чем возможно в реальной жизни (например: летать, создавать любые предметы и т. п.)«Виртуальная реальность» в словаре по естественным наукам.
Не следует путать виртуальную реальность с дополненной. Их коренное различие в том, что виртуальная конструирует новый искусственный мир, а дополненная реальность лишь вносит отдельные искусственные элементы в восприятие реального мира.
Реализация
Системами «виртуальной реальности» называются устройства, которые более полно по сравнению с обычными компьютерными системами имитируют взаимодействие с виртуальной средой, путём воздействия на все пять имеющихся у человека органов чувств.
Классификация интерфейсов Исследователи выделяют четыре группы основных интерфейсов: для моделирования и разработки, графические, интерфейсы, основанные на моторике пользователя и сенсомоторные интерфейсы.
Интерфейсы для моделирования и разработки в свою очередь классифицируются следующим образом: на основе оцифровки реальных объектов; на основе специального программного обеспечения для моделирования объектов; на основе виртуальных конструкторов форм объектов.
Среди сенсорных интерфейсов выделяют: графические, то есть стереоскопические и моноскопические графические интерфейсы; голосовые, то есть на основе распознавания речи и звуков; тач-интерфейсы (); интерфейсы, построенные на основе обоняния.
Интерфейсы, основанные на моторике пользователя, подразделяются на: интерфейсы на основе определения местоположения и ориентации пользователя; интерфейсы на основе технологии обнаружения движений пальцев (обычно с применением перчаток виртуальной реальности); интерфейсы на основе технологии анализа ходьбы пользователя; интерфейсы на основе захвата движения пользователя (); командные интерфейсы, в которых ведётся управление следующего типа: голосовое, ручное (при помощи компьютерной мыши, джойстика, стилуса), при помощи ног (педальное управление); интерфейсы на основе передвижения пользователя, которые построены на основе использования роликовых коньков, мобильных платформ, гироскопов; интерфейсы, основанные на технологии захвата лица, с отслеживанием мимики, движения глаз и губ.
Сенсомоторные интерфейсы представляют собой командные интерфейсы с обратной связью, в которых для управления используются различного рода манипуляторы, джойстики, перчатки виртуальной реальности, экзоскелеты.
Изображение В настоящее время существует несколько основных типов систем, обеспечивающих формирование и вывод изображения в системах виртуальной реальности.
Шлем виртуальной реальности
Современные шлемы виртуальной реальности () представляют собой скорее очки, нежели шлем, и содержат один или несколько дисплеев, на которые выводятся изображения для левого и правого глаза, систему линз для корректировки геометрии изображения, а также систему трекинга, отслеживающую ориентацию устройства в пространстве. Как правило, системы трекинга для шлемов виртуальной реальности разрабатываются на основе гироскопов, акселерометров и магнитометров. Для систем этого типа важен широкий угол обзора, точность работы системы трекинга при отслеживании наклонов и поворотов головы пользователя, а также минимальная задержка между детектированием изменения положения головы в пространстве и выводом на дисплеи соответствующего изображения.
MotionParallax3D-дисплеи
К устройствам этого типа относится множество различных устройств: от некоторых смартфонов до комнат виртуальной реальности (CAVE). Системы данного типа формируют у пользователя иллюзию объёмного объекта за счёт вывода на один или несколько дисплеев специально сформированных проекций виртуальных объектов, сгенерированных исходя из информации о положении глаз пользователя. При изменении положения глаз пользователя относительно дисплеев, изображение на них соответствующим образом меняется. Все системы данного типа задействуют зрительный механизм восприятия объёмного изображения параллакс движения (Motion Parallax). Также, в большинстве своём, они обеспечивают вывод стереоизображения с помощью стереодисплеев, задействуя стереоскопическое зрение. Системы трекинга для MotionParallax3D-дисплеев отслеживают координаты глаз пользователей в пространстве. Для этого используются различные технологии: оптическая (определение координат глаз пользователя на изображении с камеры, отслеживание активных или пассивных маркеров), существенно реже — ультразвуковая. Зачастую системы трекинга могут включать в себя дополнительные устройства: гироскопы, акселерометры и магнитометры. Для систем данного типа важна точность отслеживания положения пользователя в пространстве, а также минимальная задержка между детектированием изменения положения головы в пространстве и выводом на дисплеи соответствующего изображения. Системы данного класса могут выполняться в различных форм — факторах: от виртуальных комнат с полным погружением до экранов виртуальной реальности размером от трёх дюймов.
Виртуальный ретинальный монитор
Устройства данного типа проецируют изображение непосредственно на сетчатку глаза. В результате пользователь видит изображение, «висящее» в воздухе перед ним. Устройства данного типа ближе к системам дополненной реальности, поскольку изображения виртуальных объектов, которые видит пользователь, накладываются на изображения объектов реального мира. Тем не менее, при определённых условиях (тёмная комната, достаточно широкое покрытие сетчатки изображением, а также в сочетании с системой трекинга), устройства данного типа могут использоваться для погружения пользователя в виртуальную реальность.
Также существуют различные гибридные варианты: например, система CastAR, в которой получение корректной проекции изображения на плоскости достигается за счёт расположения проекторов непосредственно на очках, а стереоскопическое разделение — за счёт использования световозвращающего покрытия поверхности, на которую ведётся проецирование. Но пока такие устройства широко не распространены и существуют лишь в виде прототипов.
Существуют проекционные системы, выполненные в компоновке комнаты виртуальной реальности (CAVE). Такая система представляет собой комнату, на все стены которой проецируется 3D-стереоизображение. Положение пользователя, повороты его головы отслеживаются трекинговыми системами, что позволяет добиться максимального эффекта погружения. Данные системы активно используются в маркетинговых, военных, научных и других целях.
Звук Многоканальная акустическая система позволяет производить локализацию источника звука, что позволяет пользователю ориентироваться в виртуальном мире с помощью слуха.
Имитация тактильных ощущений
Имитация тактильных или осязательных ощущений уже нашла своё применение в системах виртуальной реальности. Это так называемые устройства с обратной связью.
Применяются для решения задач виртуального прототипирования и эргономического проектирования, создания различных тренажёров, медицинских тренажёров, дистанционном управлении роботами, в том числе микро- и нано-, системах создания виртуальных скульптур.
Также, способность имитировать тактильные ощущения нашла своё применение в игровой сфере.
Перчатки виртуальной реальности Перчатки виртуальной реальности были созданы специалистами из Калифорнийского университета в Сан-Диего, с использованием технологий изготовления мягких роботов. Автор проекта — Майкл Толли (Michael Tolley), профессор механической инженерии в Школы инженерии им. Якобса (Jacobs School of Engineering) вышеуказанного университета.
Перчатки позволяют ощутить тактильный отклик при взаимодействии с объектами виртуальной реальностью, и прошли успешные испытания на виртуальном имитаторе игры на пианино с виртуальной клавиатурой. В отличие от подобных аналогов, данные перчатки изготовлены из мягкого экзоскелета, оборудованного мягкими мышцами, предназначенными для роботов, который делает их намного легче и удобнее в использовании. Тактильная система состоит из трёх основных компонентов: сенсор Leap Motion (его функция — определение положения и движения рук пользователя); мышцы Mckibben — латексные полости с плетёным материалом — которые откликаются на движения, создаваемые перемещением пальцев пользователя; распределительный щит, задача которого состоит в управлении самими мышцами, которые и создают тактильные ощущения.
Планируется, что перчатки виртуальной реальности найдут применение не только в видеоиграх и цифровых развлечениях, но и в хирургии.
Управление Среди основных возможных сценариев взаимодействия пользователя с интерфейсом ВР можно выделить следующие:
выбор объекта (объект должен быть выбран до того, как с ним можно будет выполнить фактическое действие); манипуляции с выбранным объектом, то есть, использование функций, которые доступны после его выбора; размещение и перемещение объектов, то есть, их свободное позиционирование в любом месте горизонтальной плоскости и вращение вокруг вертикальной оси; создание или изменение объектов, то есть, использование функций, которые позволяют выбирать между предопределёнными параметрами, среди которых могут быть, например, тип создаваемого объекта, размер, вес, цвет и т. д. введение данных, то есть, ввод текста, выделение выбранных объектов в виртуальном пространстве и т. д.
С целью наиболее точного воссоздания контакта пользователя с окружением применяются интерфейсы пользователя, наиболее реалистично соответствующие моделируемым: компьютерный руль с педалями, рукояти управления устройствами, целеуказатель в виде пистолета и т. д.
Для бесконтактного управления объектами используются как перчатки виртуальной реальности, так и отслеживание перемещений рук, осуществляемое с помощью видеокамер. Последнее обычно реализуется в небольшой зоне и не требует от пользователя дополнительного оборудования.
Перчатки виртуальной реальности могут быть составной частью костюма виртуальной реальности, отслеживающего изменение положения всего тела и передающего также тактильные, температурные и вибрационные ощущения.
Устройство для отслеживания перемещений пользователя может представлять собой свободно вращаемый шар, в который помещают пользователя, или осуществляться лишь с помощью подвешенного в воздухе или погружённого в жидкость костюма виртуальной реальности. Также разрабатываются технические средства для моделирования запахов.
Технология управления движениями глаз Mise-Unseen от Microsoft позволяет производить контроль над виртуальным миром и манипулировать виртуальными предметами движениями глазных яблок.
При проектировании интерфейса системы ВР следует иметь в виду, что обычное взаимодействие с ней может быть затруднено в тех случаях, когда пользователь уже работает с виртуальной средой. Например, возможен сценарий, когда пользователь обучающего приложения виртуальной реальности держит в руках какой-то инструмент, изучая его возможности и способы применения. В таком случае, пользователю может быть неудобно или даже невозможно вызвать справку по данному инструменту, так как его руки уже заняты. В таких приложениях необходимо предусмотреть поддержку голосового управления, обеспечивающегося при помощи специальных встроенных микрофонов. Альтернативой может также являться и управление на основе распознавания жестов.
Прямое подключение к нервной системе