МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Факультет заочно-послевузовского обучения

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

По  дисциплине: "Архитектура ЭВМ и систем"

На тему: "Системы виртуальной реальности"

Воронеж 2003 г.


Системы виртуальной реальности
С экранов телевизоров, со страниц компьютерной и некомпьютерной прессы все чаще слышится словосочетание "виртуальная реальность". Что же скрывается под этим модным сегодня словом?

В первую очередь имеется в виду трехмерное, объемное изображение (в отличие от  псевдотрехмерной  графики  на плоскости) и трехмерный звук.  Однако в полной мере ощутить всю прелесть виртуальной реальности можно только при наличии таких элементов, как детекторы перемещения, позволяющие отслеживать изменения положения пользователя в увязке с изображением на экране монитора и датчики, фиксирующие действия пользователя. До недавнего времени такие системы можно было увидеть лишь в крупнейших в мире игровых центрах, а стоимость их превышала все мыслимые значения. Но все меняется в современном мире компьютерной техники, и в результате постоянного снижения цен на компьютерное оборудование такие системы становятся доступными и рядовым пользователям настольных компьютеров. Более того, все чаще производители и игрового программного обеспечения, и бизнес - приложений встраивают поддержку виртуальной реальности в свои системы. А с середины 1995 года появились фирмы, специализирующиеся на выпуске такого программного обеспечения.

Системы виртуальной реальности в сочетании с ПК широко используются сейчас для развлечений. Они представляют собой различные более или менее сложные устройства, реагирующие на движения пользователя. Если несколько работающих систем виртуальной реальности соединить, образуется так называемое общее киберпространство, где пользователи могут встретить друг друга. Система отслеживания движений головы позволяет вам бросить взгляд в любую сторону киберпространства. А что в этом пространстве можно делать и что с вами произойдет - зависит от используемой прикладной программы. Некоторые высококачественные системы виртуальной реальности используют специальные манипуляторы, подобные мыши и джойстику, передвижения которого вверх и вниз интерпретируется датчиками как движение пользователя вперед и назад. Это устройства дают дополнительную возможность передвижения  в виртуальной реальности.  Элитарные системы виртуальной реальности предлагают также стереоскопические 3D - изображения и стереозвук, а также возможность общаться с другими пользователями в едином киберпространстве с помощью встроенных микрофонов. Сегодня лучшие аркадные видеоигры поддерживают виртуальную реальность, что позволяет игрокам бороться не с генерируемым  программой противником, а друг с другом.

Предметный мир, окружающий нас - трехмерный. Наши глаза воспринимают объекты под разными углами: два независимых изображения анализируются мозгом, и в результате их сопоставления формируется образ предмета, его признаки и глубина изображения. Расстояние между глазами человека обычно составляет 6-7 см, и когда зрачки сосредотачиваются на предмете, левый и правый глаз фокусируются в этом направлении. В зависимости от расстояния до объекта угол обзора изменяется. Наши глаза и мозг анализируют расстояние, основываясь на различии между изображениями, получаемыми левым и правым глазом. Это различие называют параллаксом зрения. Именно с помощью этого эффекта и создаются трехмерные, объемные изображения.

Все системы подобного рода в своей основе имеют несколько главных принципов получения 3D - изображений:
Метод фильтрации цвета.
Эффект 3D достигается за счет того, что синий цвет, наблюдаемый через красный фильтр той же глубины цветности, невидим, а при просмотре через синий фильтр кажется черным, таким образом, разместив перед одним глазом синий, а перед другим красный фильтр, во время просмотра изображения, закодированного соответствующим образом, за счет светового преломления, можно создать иллюзию 3D. Такой метод очень неудобен, так как сильно утомляет глаза и нормальная цветопередача все же не обеспечивается.
Метод параллакса.
Перед одним глазом помещается прозрачный, а перед другим практически черный фильтр. Эффект 3D проявляется только при наблюдении за движущимися объектами. В основе создаваемой иллюзии лежит различие во времени распознавания изображения каждым глазом через черный и прозрачный фильтры. Для статичных картинок этот метод не подходит.

Метод затвора ("Волшебные очки").

Этот принцип состоит в формировании изображения поочередно для левого и правого глаза. Чтобы в нужный момент картинка попадала только на сетчатку соответствующего глаза, необходимо каким-то образом синхронизировать изображения с устройством "шторки", закрывающей другой глаз. Для этой цели используется скоростная LCD - затворная линза, управляемая платой синхронизации, одна из главных трудностей на этом пути - невысокая частота вертикальной развертки мониторов. Лишь недавно был достигнут приемлемый уровень для одинарного изображения, при котором не устают глаза - около 100 Гц.  Использование мониторов для 3D - изображения предъявляет особенно жесткие требования к развертке - от 150 до 300 Гц. Последнему значению удовлетворяют лишь самые дорогие модели. 

С помощью этих моделей получается довольно отчетливое изображение с частотой 60 Гц (при частоте развертки монитора 120 Гц). Однако, в результате значительного мигания изображения в таких устройствах, глаза довольно быстро устают. Кроме того, с некоторыми (не самыми плохими) видео картами правильно настроить очки бывает непросто.
Метод раздельного формирования изображений.
Принцип, на котором построены наиболее известные устройства "виртуальная реальность – шлемы", состоит в  построении изображения непосредственно на цветной LCD - матрице шлема или очков. Для разработчиков и производителей устройств, использующих такую схему, основная проблема - добиться высокого разрешения. Если современные мониторы легко работают с разрешением 1024х768 точек, то используемые LCD - матрицы едва достигают эквивалентного разрешения 200х300 точек. Для сглаживания изображения иногда применяются фильтры, но, как правило, они только размывают картинку.  Кроме того, высокая стоимость LCD - матриц делает эти устройства более дорогими. Большое значение для комфортности применения имеет эргономичность конструкции ВР - шлемов. Возможность регулировать ремни, закрепляющие шлем на голове и сбалансированность веса самого шлема крайне важны для удобства при длительном пребывании в киберпространстве.

Шлем    имеет   два    режима:     режим      "полного погружения"  и "полупрозрачный" режим, который позволяет делать изображение полупрозрачным и работать, глядя сквозь него. Оба эти режима могут поддерживать разрешение 640х480 точек при 16 цветах и 320х200 при 256. Дисплеи шлема проецируют изображение таким образом, что у пользователя создается впечатление, как будто он смотрит на 80-дюймовый экран, расположенный примерно в трех метрах от него. Этого эффекта удалось добиться за счет того, что линзы в этой модели находятся на большом расстоянии от глаз, поэтому при прочих равных условиях значительно снижается утомляемость и нагрузка на них.  Входной сигнал для данного устройства должен быть в стандарте NTSC, поэтому для подключения к компьютеру используется конвертор SVGA - NTSC. С другой стороны, использование этого стандарта позволяет без проблем просматривать видеофильмы.

Большое значение для создания эффектной иллюзии нахождения в виртуальном пространстве имеет звуковое сопровождение. Современный уровень развития звукового компьютерного сопровождения позволяет говорить, что все необходимое для систем виртуальной реальности уже существует. Различные звуковые эффекты, раньше встречавшиеся только в профессиональной аппаратуре, постепенно становятся обязательным атрибутом компьютерных звуковых плат. Например, многие звуковые карты уже используют систему 3D - звука, которая отличается от обычного стерео - звучания тем, что звук обретает такую характеристику, как глубина.

В большинстве систем визуализации 3D - изображений предусмотрена возможность подключения уже имеющейся звуковой карты.
Детекторы перемещения и манипуляторы.

Детекторы перемещения - это устройства, позволяющие отслеживать изменения положения пользователя и увязывать его с изображением на мониторе. Кроме того, существуют различные устройства - перчатки и датчики, фиксирующие все действия  пользователя. Однако эти устройства не получили широкого распространения из-за довольно высокой цены - от сотен до нескольких десятков тысяч долларов. Все детекторы нуждаются в значительно более мощной вычислительной технике, и их применение оправдано только в случае использования всего комплекса средств 3D.

Безусловно, основным достоинством виртуальной реальности является возможность создания  абсолютно любого мира,  в котором можно свободно перемещаться, общаться и даже получать какие-нибудь ощущения.  Уже сейчас ведутся разработки систем виртуальной реальности для использования в промышленности. Промышленные системы виртуальной реальности основаны на тех же компонентах, что применяются и в индустрии развлечений, но с повышенными требованиями к деталям, скорости и количеству. К тому же они дополнены такими периферийными устройствами, как сенсорные перчатки, позволяющие как бы касаться объектов, встречающихся в виртуальном пространстве, манипулировать ими и брать в руки.  Иногда применяются еще и специальные жилеты, вызывающие ощущения непосредственно в теле пользователя при его взаимодействии с объектами киберпространства. С помощью довольно сложного программного обеспечения пользователь может спроектировать новый дом и затем прогуляться внутри, чтобы убедиться, что все лестницы, мебель и оборудование на месте и расположены именно так, как ему нравится. Заметив непорядок, можно прямо здесь, в виртуальном пространстве переставить все по своему усмотрению. Или, спроектировав новый автомобиль, забраться в виртуальную кабину, покрутить руль и понажимать на педали, проверяя в деле свой проект. Сразу же внося усовершенствования в модель, вы достигните максимального комфорта в будущем автомобиле.  К собственному удовольствию можно будет создать свой мир и не выходя из дома, оказаться на берегу теплого моря, да не в одиночку, а с сетевым приятелем. Воздействуя на наши нервные окончания, электрические импульсы способны вызывать определенные ощущения: снимать или усиливать боль, создавать иллюзию движения, давления и т. п. Свойства виртуальной реальности в будущем вполне могут быть использованы для тренировки наших умственных способностей. Совершенные  системы виртуальной реальности смогут благодаря специальным датчикам и симуляторам, вмонтированным в шлем и костюмы виртуальной реальности, управлять нашими ощущениями, и эти ощущения, дополнены высокохудожественной стереоскопической графикой, создадут совершенную иллюзию мира, в который захочется попасть. Перспективы применения  виртуальной реальности безграничны, например, можно создать увеличенную  модель атома, чтобы посмотреть, как он выглядит в действительности, можно с помощью виртуальной реальности делать работу по каким - либо причинам опасную для человека - всю работу человек будет выполнять в виртуальной реальности,  а его движения будут дублироваться роботом, который  находится  в реальных условиях. Можно привести еще множество примеров применения виртуальной реальности. Hо все ли идет так гладко, как хотелось бы?

Во-первых, до сих пор еще не удалось создать дешевую и эффективную систему для использования виртуальной реальности. Все системы, позволяющие создать хоть какое-то подобие виртуальной реальности, которые включают в себя сенсорные перчатки или даже целые костюмы для путешествия по виртуальному миру, стоят слишком дорого. Кроме технических недостатков, есть и другие факторы, влияющие на распространение систем виртуальной реальности. Так, до сих пор не ясно, какое влияние оказывают эти системы на здоровье - в частности, на зрение.  Дело в том, что глазные мышцы не способны длительное время находится в напряжении. Тем не менее, именно это и происходит во время сеанса виртуальной реальности. В противном случае глаза быстро устают, глазные мышцы ослабляются, в результате чего происходит быстрое ухудшение зрения.  Однако чаще всего противниками виртуальной реальности высказываются опасения на счет психического здоровья при применении систем виртуальной реальности. Дело в том, что человеческая психика больше всего подвержена влиянию, когда человек на чем-то сосредоточен, что и происходит во время сеанса виртуальной реальности. Человек, сидящий за новой трехмерной игрушкой, погруженный в экран и слышащий звуки только своего Sound Blaster'а, является идеальным объектом для психогенного воздействия. В таком состоянии на человека можно воздействовать любыми методами - в том числе с помощью световых и звуковых комбинаций. 

Сегодня компьютеры - уже не просто вычислительные средства.  Они могут предложить нам новый мир, создав иллюзию, причем совершенную, всего, что мы знаем, касаемся и ощущаем.  Волнующие слова "виртуальная реальность", вне всякого сомнения, символизируют появление нового стандарта компьютеров на рубеже XXII века. Конечная цель ВР - дать нам возможность чувствовать, видеть, работать и жить внутри мира, являющегося ни чем иным как совершенной имитацией. Пока что тренажеры для летчиков, возможно, лучший пример "серьезного" применения систем ВР, но это лишь намек на то, что будут представлять собой системы ВР в будущем.

Мнимая реальность может стать наркотиком XXI века. Наркотиком, который поработит людей быстрее, чем все доныне известные, ведь мир, представленный виртуальной реальностью, намного привлекательнее того, что в действительности окружает нас.

Вокруг систем виртуальной реальности предстоит еще много споров. И необходимо прежде взвесить все "за" и "против", прежде чем принять окончательное решение, применять такие системы на практике или нет. А тем временем люди самых разных возрастов играют в игры с помощью шлемов виртуальной реальности. Быть может, через несколько лет все общение будет осуществляться в виртуальном мире, и не надо будет трястись в автобусе, чтобы съездить к другу в гости - необходимо будет лишь надеть шлем или костюм и погрузиться в виртуальный мир. И кто знает, хорошо это или плохо.