Виртуальная реальность

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 виртуальная реальности в свои системы. А с середины 1995 года появилось несколько фирм, специализирующихся 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.  На таком принципе построены следующие модели устройств визуализации:
• Очки Cristal  Eyes PC (Stereo Graphics corp.)
• Очки 3D Max
• Очки CyberMaxx 3D (VictorMaxx Technologies inc.)
 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.
 Примером такой системы ВР, достаточно изощренной и к тому же с солидным программным обеспечением, может служить шлем VFX - 1, разработанный американской фирмой Forte Technologies, известный практически всем по разного рода рекламе. В качестве устройства отображения использовано бинокулярная оптическая система, ориентированная на стандарт VGA. Выбор направления взгляда во время игры выполняется поворотом головы в нужную сторону. Шлем оснащен стерео - наушниками, кроме того, фирма Forte снабдила его новым устройством управления движениями Cyber Puck, внешне очень похожем на хоккейную шайбу. Наклоняя Cyber Puck вперед или назад, игрок перемещается в соответствующем направлении. Чтобы сделать поворот, устройство нужно наклонить вправо или влево. Предполагается, что его работа должна быть согласована с работой оптической системы так, чтобы усиливалось впечатление реального присутствия в игровой среде. Разрешение шлема составляет 239x230.
Данное устройство выгодно отличается от многих ему подобных по целому ряду особенностей. Одна из них - наличие специально разработанной спецификации Access Bus - канала, при помощи которого можно подключить к компьютеру не только шлем, но и массу других атрибутов виртуальной реальности, таких как передатчики, датчики изгиба и пр. С помощью этого канала возможно, используя специальные РС - карты, соединять до 100 ВР- систем. Скорость передачи данных в канале - 100 Кбит/с.
Основным недостатком шлема VFX1 является невероятно сложное конфигурирование под те игры, которые он поддерживает, и когда это удается, результаты оставляют желать лучшего.
Другой пример удачного сочетания довольно высокого качества и разумной цены - шлем I - glasses  фирмы Virtual I/O. Этот шлем способен воспроизводить объемные цветные трехмерные изображения и стереозвук. У него существует специальная система слежения: если пользователь поворачивает голову вправо, влево, вверх, вниз или даже просто наклоняет ее вбок, изображение '' виртуального мира '' синхронно изменяется.
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.
Серьезным недостатком этой системы является низкая скорость реакции системы слежения за перемещение головы. Это происходит за счет низкой частоты отсчетов перемещения (250 отсчетов в секунду в отличие от VFX1 - сто отсчетов в секунду), и то, что датчик слежения расположен в задней части шлема (у VFX1 он расположен в центре шлема).
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. Музыка формируется с помощью wave-table - синтеза, 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.
Манипуляторы бывают двух типов - с тремя или с шестью степенями свободы. Из устройств, имеющих три степени свободы хотелось бы отметить такие устройства, как мышь CyberMen 3D и штурвал управления самолетом Flight Control System.
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.  10 января 1995 года газета ''USA TODAY''(''США Сегодня'') опубликовала рекламу Learning Machine, которая представляет из себя качественный CD-плеер, преобразователь, очки виртуальной реальности с наушниками и набор лазерных дисков. В тексте рекламы было сказано: '' Подключите свое сознание к Learning Machine для повышения ментальной энергии, для программирования вашего сознания на успех и для запуска фантазий виртуальной реальности ''. Не правда ли, что некоторые слова в этой рекламе настораживают? Если возможно программирование сознания человека, то почему нельзя сделать из него зомби - биологического робота? С одной стороны, такие мысли могут показаться чистой фантастикой, однако можно на уже существующих примерах сект увидеть, как легко человек подвергается чужому влиянию. А если принять во внимание то, что через виртуальную реальность можно воздействовать на человека на много глубже, чем обычными способами, и то, что виртуальной реальностью больше всего увлекаются дети и подростки?
В журнале '' Изобретатель и рационализатор '' №11-12 за 1992 год была опубликована заметка '' Филат двойного действия '' следующего содержания :
'' Врач психиатр из Луганска, совладелец малого предприятия ''Торсидо'' Алексей Качура - один из изобретателей импульсных очков ''Торсидо''. Идея - принцип раздельного неспецифического воздействия на правое и левое полушария головного мозга, отвечающие за различные психические функции.  В отличае от оптико-механических очков ('' Изобретатель и рационализатор '' №7-8 за 1992 г.) в электронных подбор цветовых сочетаний упрощается: светофильтры заменяются окрашенными цветодиодами, управляемыми с пульта. К цветовому воздействию добавляется частное (в диапазоне естественных ритмов головного мозга). Использование электроники увеличивает число побеждаемых очками заболеваний. Метод может применяться, в частности, для оптимизации психоэмоциональных состояний, снятия утомления и стрессов, укрепление половой функции, эффективен также в качестве профилактики. Процедура длится 3 - 7 минут, эффект наступает через 3 - 4 часа, пик - через сутки и держится 3 - 4 дня. В отличае от медикаментозного лечения очки '' Филат'' не дают побочных эффектов и аллергии. Точность дозировки обеспечивает фирменный микропроцессор ''Торсидо'', входящий в комплект. ''
С одной стороны, все вроде бы хорошо - почти панацея от всех болезней.  Но, если задуматься, то может прийти мысль - ведь если можно лечить болезни, то, варьируя цветовую гамму, используя различные виды модуляций, можно достигнуть обратного эффекта - вызвать стресс, усталость, депрессию, и все, что угодно. Длительность процедуры будет той же, эффект наступит через 3 - 4 часа, а окончательно плохо станет уже через сутки, и никто не узнает, отчего. К тому же, никто не может сказать точно, что может получится, например, в результате короткого замыкания, повышения напряжения в сети или зависания системы !
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 XXI 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 XX 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.