НИР. Дополненная и виртуальная реальность
 Скачать 52.99 Kb.
|
|
Научно-исследовательская работа на тему «Дополненная и виртуальная реальность» СодержаниеГлава 1. История кафедры вычислительной техники 2 1.1 Основание кафедры. 2 1.2 Выдающиеся выпускники МЭИ – основоположники отечественного компьютеростроения. 4 1.3 Исследования в области информатики и вычислительной техники в МЭИ. 10 Глава 2. История дополненной и виртуальной реальности 11 2.1 Определения сходства и различия. 11 2.2 История возникновения. 12 Глава 3. Проблематика и перспективы развития 14 3.1 Проблематика. 14 3.2 Перспективы. 21 Заключение 24 Глава 1. История кафедры вычислительной техники 1.1 Основание кафедры. Историю кафедры вычислительной техники НИУ «МЭИ» я буду рассматривать на основе статьи Топоркова В. В. ««ЭФФЕКТ МЭИ» В РАЗВИТИИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ШКОЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ». В этой работе автор рассматривает особый вклад выпускников МЭИ в развитие вычислительных технологий в 40-х – 50-х гг. 20-го века, когда и промышленность, и оборона испытывали острую необходимость в этой сфере. Прародительницей кафедры ВТ стала кафедра "Счетно-решающие приборы и устройства" (1951 г.), заведующим которой стал Григорий Митрофанович Жданов (1898-1967), доктор технических наук, профессор. В то время это была первая кафедра, которая готовила инженеров-вычислителей. Позже, в 1955-м году, была организована объединенная кафедра автоматики, телемеханики и математических машин, а уже в 1958-м году сформировалась кафедра вычислительной техники. С момента формирования и до 1967 года ею руководил её основатель – Г. М. Жданов. Для подготовки специалистов в области вычислительных технологий необходима углубленная подготовка по математическому и программному обеспечению, схемотехнике и конструированию ЭВМ. Именно для этого Жданов приглашал ведущих преподавателей того времени для обучения студентов кафедры ВТ, а некоторые из них были выпускниками МЭИ. С. А. Лебедев (1902-1974 гг.) сыграл огромную роль в становлении и развитии школы вычислительной техники МЭИ. Долгое время он работал на кафедре релейной защиты и автоматизации энергосистем, а в 50-е годы он читал в МЭИ курс лекций «Вычислительные машины дискретного действия». По словам профессора МЭИ А. В. Нетушила Лебедев вынашивал идею создания цифровой вычислительной машины, был знаком с двоичной системой счисления, интересовался триггерами и электронными быстродействующими счетчиками на заре развития этих отраслей. С осени 1948-го года до конца 1951-го года С. А. Лебедев участвовал в разработке Малой электронной счетной машины (МЭСМ), на которой уже в 1952-м году решались важнейшие научно-технические задачи из области термоядерных процессов, космических полетов и ракетной техники, дальних линий электропередач, механики, статистического контроля качества. В то время подобной МЭСМ машиной была лишь ЭДСАК (Англия), но и она уступала МЭСМ по алгоритмам. А с 1950-го года до 1951-го года Лебедев был назначен заведующим лабораторией №1 Института точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ), среди сотрудников которой в основном были выпускники МЭИ. В это же время он разрабатывал БЭСМ – Большую электронную счетную машину, которая уже в 1953-м году была принята Государственной комиссией в эксплуатацию. Но значительно большую популярность она получила позже – в 1956-м году, когда С. А. Лебедев представил доклад на международной конференции в Дармштадте. Сенсацией этот доклад стал в связи с тем, что БЭСМ была на уровне лучших американский машин, а в Европе – самой быстродействующей. С 1958-го года БЭСМ была передана в серийное производство. В 1953-м году С.А. Лебедев был назначен директором ИТМ и ВТ, где с 1955-го года до 1958-го года разрабатывал М-20 (быстродействие машина – 20 тыс. оп./сек). В М-20 впервые были реализованы автоматическая модификация адреса, совмещение работы арифметического устройства и выборки команд из памяти, введение буферной памяти для массивов данных, выдаваемых на печать, совмещение ввода и вывода данных со счетом, использование полностью синхронной передачи сигналов в логических цепях. Позднее были разработаны полупроводниковые варианты М-20: М-220 и М-222. После завершения работ над БЭСМ-2 и М-20 ИТМ и ВТ начал проектировать полупроводниковую БЭСМ-6 с быстродействием 1 млн. оп./сек. Уже в 1967-м году она была рекомендована к серийному производству. На основе БЭСМ-6 были созданы вычислительные центры коллективного пользования для научных организаций, системы автоматизации научных исследований в ядерной физике и других областях науки, информационно-вычислительные системы обработки информации в реальном времени. Она использовалась для моделирования сложнейших физических процессов и процессов управления, в системах проектирования программного обеспечения для новых ЭВМ. ИТМ и ВТ совместно с заводом САМ на основе БЭСМ-6 разработал вычислительную систему АС-6, модульная организация и унифицированные каналы обмена которой обеспечивали возможность построения децентрализованных многомашинных вычислительных комплексов. АС-6 использовалась для обработки данных и управления в системах космических экспериментов, а также в ряде вычислительных центров крупных научно-исследовательских организаций. В период «холодной войны» под руководством Лебедева были созданы специализированные ЭВМ для системы противоракетной обороны (ПРО), которое стали основой достижения стратегического паритета СССР и США. Этот факт заставил США искать пути заключения договора с СССР об ограничении ПРО. Помимо школы С. А. Лебедева были и другие научные школы вычислительной техники, которые серьезно влияли на становление исследований и подготовку инженеров в МЭИ. Таким образом, к началу 50-х годов в МЭИ был создан мощный потенциал, который во многом предопределил развитие отечественной вычислительной техники. 1.2 Выдающиеся выпускники МЭИ – основоположники отечественного компьютеростроения.Среди выпускников МЭИ много выдающихся ученых, внесших поистине огромный вклад в становление и развитие вычислительной техники. Самыми известными из них стали В.А. Мельников и В.С. Бурцев. Мельников (1928-1993 гг.) вместе с Лебедевым участвовал в разработке БЭСМ. А позже стал руководителем следующей разработки ИТМ и ВТ – ЭВМ БЭСМ-2, ее наладки и подготовки к серийному производству. В истории отечественной вычислительной техники эпохальным событием следует считать создание ЭВМ БЭСМ-6. Многие из решений её построения, реализованных на технической базе ЭВМ второго поколения, были положены в основу архитектуры ЭВМ третьего и четвертого поколений. А в 1969-м году В. А. Мельникову была присуждена Государственная премия СССР. После БЭСМ-6 Мельников приступил к разработке вычислительной системы АС-6 в качестве главного конструктора. В этой системе были воплощены многие идеи, составившие основу будущих супер-ЭВМ. Кроме этого она использовалась при реализации разных космических программ. В последние 10 лет жизни Мельников создавал векторно-конвейерные супер-ЭВМ на отечественной элементной базе. В то же время В.А. Мельников организовал Институт проблем кибернетики АН СССР и стал его директором. Вычислительная система «Электроника-ССБИС» так и не была закончена им в связи с перестройкой 80-х годов и длительным экономическим кризисом. Большая и плодотворная работа В.А. Мельникова была отмечена высокими наградами. В. С. Бурцев был ответственным исполнителем. В 1953-1956 гг. он предложил принцип селекции и оцифровки радиолокационного сигнала. На основе этого принципа были разработаны специализированные вычислительные машины «Диана-1» и «Диана-2». В 1956-1961 гг. под непосредственным руководством Всеволода Сергеевича были разработаны принципы построения вычислительных средств ПРО страны и создан двухмашинный высокопроизводительный вычислительный комплекс на базе спроектированных в ИТМ и ВТ машин М-40 и М-50. Для последних Бурцев впервые предложил принципы распараллеливания вычислительного процесса на уровне аппаратных средств. М-50 использовалась для выполнения операций с плавающей точкой. Обе машины были введены в эксплуатацию в 1959-м году. В 1961-1968 гг. под непосредственным руководством В.С. Бурцева были разработаны высокопроизводительные полупроводниковые машины, предназначенные для построения сложных боевых комплексов ПРО. В дальнейшем эти машины сыграли важнейшую политическую роль в заключении в 1972 г. Договора по ограничению ПРО. В 1969-1972 гг. B.C. Бурцев, являясь главным конструктором, создал первую бортовую вычислительную машину третьего поколения для боевого возимого зенитно-ракетного комплекса С-300, а в 1973-1985 гг. Всеволод Сергеевич руководил разработкой многопроцессорных вычислительных комплексов (МВК) «Эльбрус-1», «Эльбрус-2». Для последнего были созданы новые быстродействующие интегральные схемы, высокочастотные групповые разъемы, многокристальные и большие интегральные схемы, микрокабели, прецизионные многослойные печатные платы. В 1986-1993 гг. под руководством В. С. Бурцева разработана архитектура супер-ЭВМ, основанная на новом, не фон-Неймановском принципе, обеспечивающая распараллеливание вычислительного процесса на аппаратном уровне. В настоящее время академик В.С. Бурцев является научным руководителем фундаментальных исследований по разработке нетрадиционных архитектурных решений высокопроизводительных вычислительных машин с использованием новых физических принципов, а также системного программного обеспечения с целью создания информационно-вычислительных комплексов с максимальной производительностью 1012 – 1014 оп/с. Ю. И. Митропольский – выпускник кафедры вычислительной техники МЭИ. С 1963 г. Работал в ИТМ и ВТ, принимал участие в разработке и внедрении БЭСМ-6, занимался проектированием системы обмена с внешними накопителями. Следующей разработкой была система обработки данных АС-6. Ю.И. Митропольский отвечал за периферийный процессор и систему автоматизации проектирования АПАС. Под его руководством продолжаются исследования по мультикомпьютерным вычислительным суперсистемам. С 1994 г. Ю.И. Митропольский возглавляет базовую кафедру Московского физико-технического института. М. А. Карцев и Н. Я. Матюхин принадлежат к школе И. С. Брука. М. А. Карцев (1923-1983 гг.) – выпускник радиотехнического факультета МЭИ. Будучи еще студентом, он принял участие в разработке электронной вычислительной машины М-1. В 1952 г. М.А. Карцев был направлен на постоянную работу в лабораторию И.С. Брука, где возглавил создание машины М-2, которая была введена в эксплуатацию уже в 1953-ем году. По характеристикам М-2 находилась в одном ряду с ЭВМ «Стрела» и БЭСМ. Зимой 1954-1955 гг. она была существенно модернизирована Карцевым. При этом в системе команд, вероятно, впервые была реализована идея укороченных адресов и кодов операций, послужившая предшественницей принципа формирования исполнительных адресов в ЭВМ второго и третьего поколений. В 1957-1962 гг. М. А. Карцев руководил разработкой М-4, в которой он реализовал разделение оперативной памяти машины на память данных и память программ и констант, размещаемых в постоянном запоминающем устройстве, для того, чтобы повысить устойчивость к отказам и сбоям систем, построенных на базе этой машины. На основе этой системы, были построены многомашинные вычислительные комплексы, объединённые в мощную вычислительную систему, работавшую в реальном масштабе времени. В 1967 г. Карцев выдвинул дерзкий проект вычислительного комплекса М-9 с производительностью порядка миллиарда оп./с при использовании высокой степени параллелизма и высокой производительности при работе с разнородными данными для широкого класса вычислительных задач. Эти идея Карцева опережали его время и не были реализованы в полном объёме прежде всего из-за отсутствия тогда необходимой технической базы. В 1969-1973 гг. М. А. Карцев занимался разработкой векторной вычислительной машины М-10 на микроэлектронной элементной базе. Основное применение она нашла в системе раннего предупреждения о ракетном нападении, а также в системе общего наблюдения за околоземным космическим пространством, состоявшей из сети радиолокационных станций, сопряжённых с вычислительными комплексами М-10. М.А. Карцев был награждён орденами Ленина, Трудового Красного Знамени, «Знак почёта», орденом Красной Звезды, медалью «За отвагу» и другими медалями. Н. Я. Матюхин (1927-1984 гг.) – выдающийся ученый в области вычислительной техники и конструктор специализированных ЭВМ для систем противовоздушной обороны (ПВО). С 1950-го до 1951-го гг. он возглавлял создание первой автоматической цифровой вычислительной машины М-1. В 1956 г. Группа Н. Я. Завершила разработку малой ЭВМ М-3, предназначенной для научных и инженерных расчетов в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях и послужившей прототипом широко известных серий ЭВМ «Минск» и «Раздан». А в 1957 г. Группа сотрудников ЛУМС АН была приглашена в институт для создания цифровых вычислительных и управляющих комплексов для системы ПВО страны, по назначению аналогичной американской системе «Сейдж». Первой разработкой Н.Я. Матюхина в этом направлении была специализированная ЭВМ «Тетива». Это была первая отечественная ЭВМ второго поколения, в которой устройство управления использовало микропрограммы, хранящиеся в постоянной памяти. Начиная с 1964 г. Матюхин выполнил ряд основополагающих исследований и разработок в автоматизации проектирования средств вычислительной техники. Матюхин разработал язык моделирования цифровых устройств МОДИС и первую систему моделирования. Комплексный подход к проектированию, объединяющий логическое моделирование с автоматизированным конструированием устройств и выпуском документации, также был предложен Н.Я. Матюхиным. Как крупный специалист в области вычислительной техники, один из тех, кто заложил основы этой отрасли в СССР, в 1979 г. Н.Я. Матюхин был избран член-корреспондентом АН СССР по Отделению механики и процессов управления. Кроме всего прочего Матюхин преподавал в МЭИ, был профессором базовой кафедры Московского института радиотехники, электроники и автоматики при НИИАА. А. М. Ларионов (1928-1995 гг.) окончил Московский энергетический институт по специальности «электромеханические приборы» в феврале 1951 г., был направлен в СКБ-245 (Москва), где занимался наладкой и отработкой устройства центрального управления ЭВМ «Стрела», быстро став ведущим специалистом. В 1971 г. Он был награжден орденом Трудового Красного Знамени, в 1977 г. – орденом Ленина. Г. П. Лопато (1924-2003) закончил электрофизический факультет МЭИ. Лопато был главным конструктором первой ЭВМ, разработанной в СКБ завода им. Г. К. Орджоникидзе (1960 г.). Наиболее значительной работой было создание по заказу Министерства обороны ряда возимых ЭВМ, совместимых с машинами ЕС ЭВМ (1983–1989 гг.). В 1970 г. За вклад в разработку семейства ЭВМ «Минск» второго поколения Г.П. Лопато присуждена Государственная премия. В. В. Пржиялковский в 1953 г. Окончил факультет электровакуумной техники и специального приборостроения Московского энергетического института по специальности «автоматические и измерительные приборы и устройства». С 1971-го по 1977-го гг. Пржиялковский – заместитель директора по научной работе НИЦЭВТ, заместитель Генерального конструктора ЕС ЭВМ, заместитель главного конструктора БЦВМ комплекса «Аргон». В 1970 г. Он стал лауреатом Государственной премии СССР, в 1983 г. Героем Социалистического труда. В. К. Левин в 1944 г. Поступил в Московский энергетический институт, который окончил в 1950 г. По специальности «автоматика и телемеханика». В 1951–1958 гг. он участвовал в создании высокопроизводительных специализированных вычислительных машин на лампово-диодной схемотехнике с тактовой частотой 1,5 МГц, рекордной для того времени. В 1966–1967 гг. Владимир Константинович руководил аванпроектом системы «Ряд». В 1976–1995 гг. В. К. Левин – директор КБПА, которое в 1978 г. Преобразовано в НИИ «Квант». С 1996 г. По настоящее время он научный руководитель НИИ «Квант». В 1996–1999 гг. под руководством В.К. Левина на основе микропроцессоров Alpha DEC создана вычислительная система нового поколения МВС-1000. Левин – лауреат Ленинской (1957 г.) и Государственной (1983 г.) премий, награжден орденом Ленина (1955 г.), двумя орденами Трудового Красного Знамени (1958 г. И 1971 г.), несколькими медалями. Б. Н. Наумов (1927-1988) закончил МЭИ по специальности «автоматика и телемеханика». В 1950-1967 гг. Б.Н. Наумов трудился в Институте автоматики и телемеханики. Наиболее ярко масштабность и организационный талант Б.Н. Наумова проявились в период 1974-1984 гг., когда он руководил разработкой международной системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ) в качестве Генерального конструктора. За создание СМ ЭВМ Б.Н. Наумов был удостоен Государственной премии СССР в области науки и техники. 1.3 Исследования в области информатики и вычислительной техники в МЭИ.Отсчетом хронологии вычислительной техники в МЭИ принято считать 1951 год, когда была открыта специальность "математические и счетно-решающие приборы и устройства" и состоялся первый выпуск инженеров-вычислителей. С.А. Лебедев еженедельно приезжал в Москву и читал лекции в МЭИ по дисциплине "Вычислительные машины дискретного действия". Исследования в области вычислительной техники в МЭИ с начала 50-х годов прошлого столетия начинают динамично развиваться. В 1958-м году создалось новое подразделение – вычислительный центр МЭИ. С 1967 по 1982 год кафедру ВТ возглавлял Юрий Матвеевич Шамаев (1922-1998). По его инициативе в 1971 году кафедра ВТ начинает подготовку инженеров по конструированию и производству электронно-вычислительной аппаратуры. В 1976 году на базе отдела математического обеспечения создается кафедра прикладной математики (ПМ). С 1982 по 1996 год кафедрой ВТ руководил Гурам Семенович Чхартишвили, а начиная с 1996 года заведующим кафедрой является Топорков В. В. Исследования на факультете автоматики и вычислительной техники (АВТФ), благодаря тому заделу, который создали основатели вычислительного направления в МЭИ, всегда проводились на высоком уровне и завоевали признание не только в стране, но и за рубежом. Глава 2. История дополненной и виртуальной реальности Историю развития технологии дополненной и виртуальной реальности я буду рассматривать на примере статьи DivoTech «Виртуальная, дополненная и смешанная реальность: суть понятий и история развития». В этой работе автор рассматривает все ключевые моменты, касающиеся данной отрасли, в связи с резким развитием и популяризацией этих технологий. 2.1 Определения сходства и различия.Для начала определимся с терминологией. На сайте wikipedia.org предлагаются следующие определения. Виртуальная реальность (Virtual Rality, VR; далее — ВР) это созданный техническими средствами мир (объекты и субъекты), передаваемый человеку через его ощущения: зрение, слух, обоняние, осязание и другие. Сам термин «виртуальный» происходит от лат. Virtualis — возможный. Дополненная реальность (Augmented Reality, AR, расширенная реальность, улучшенная реальность и т.д.; далее — ДР) — результат введения в поле восприятия любых сенсорных данных с целью дополнения сведений об окружении и улучшения восприятия информации. Предположительно сам термин был введён инженером корпорации Boeing Томом Коделом в 1990 году. Уже тогда специалисты этой компании закрепляли на голове небольшие цифровые дисплеи, помогавшие им монтировать провода в самолёте. Главной целью виртуальной реальности является создание собственного цифрового мира, наиболее похожего на наш (например, по физическим признакам). Однако этот мир всё же является смоделированным компьютером, т.е. созданным человеком в цифровой среде с нуля. Дополненная же реальность лишь накладывает элементы искусственной реальности на наше окружение. Виртуальная реальность взаимодействует лишь с человеком, дополненная — ещё и с внешним миром. Кроме этого, ещё выделяют смешанную (гибридную, Mixed reality, MR; далее — СР) реальность — объединение виртуальной и дополненной реальности, т.е. накладывание несуществующих виртуальных объектов на наше окружение. Хорошим примером смешанной реальности может послужить функция Google-переводчика, которая в реальном времени переводит слова с одного языка на другой, сразу же подбирая похожий шрифт. Дополненная реальность «накладывает» вспомогательные объекты на окружение. Смешанная реальность встраивает виртуальны объекты в окружение и подстраивает их. Виртуальная реальность создаёт своё окружение, не взаимодействуя с внешним миром. 2.2 История возникновения.Началом развития технологий виртуальной и дополненной реальностей принято считать 1901-ый год, когда писатель Фрэнк Баум, который был автором «волшебной страны Оз», предвестником телевидения, ноутбуков и беспроводной связи, рассказал об идее электронного дисплея, накладывающегося поверх реальной жизни. Прошло около 50-ти лет прежде чем его идея воплотилась в машине «Сенсорама». Сейчас бы её назвали арт-проектом. Устройство представляло из себя стол-шкаф со стереокартинками, звуком, запахами, вибрирующим креслом и другими эффектами. Однако широкого интереса «Сенсорама» не вызвала. В 60-е годы появляется и начинает развиваться компьютерная графика. В 1960-м году Верн Хадсон и Уильям Феттер – специалисты компании Boeing – создают первые системы машинной графики, которую теперь принято называть компьютерной. В 1962-м году Стив Рассел, Мартин Грец и Уэйн Уитанем выпускают первую компьютерную видеоигру «Spacewar». В 1963-м году американский учёный Айвен Сазерленд создал первый графический редактор «Sketchpad». В то же время Станислав Лем, в одной из своих книг, формулирует и отвечает на вопрос «как создать действительность, которая для разумных существ, живущих в ней, ничем не отличалась бы от нормальной действительности, но подчинялась бы другим законам?». В 1964-м году компания «General Motors» представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM. В этом же году группой математиков под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. А через 4 года из неё сделали первую компьютерную анимацию — машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала на алфавитно-цифровом принтере мультфильм «Кошечка». А в 1968-м году появилась возможность выводить компьютерные изображения на экран электронно-лучевой трубки. В 1966 году вертолётостроительная компания «Bell Helicopter» начала разработку систем для управления полётами в ночное время. Этим изобретением руководил Айвен Сазерленд. Системы состояли из инфракрасных камер и приёмников, расположенных на шлеме пилота. Направление получило название «удаленная реальность» (Remote Reality). Профессор Сазерленд и один из его студентов Боб Споулл решили заменить инфракрасные приёмники на электронные трубки, подключенные к компьютеру, создав тем самым прототип первого видеошлема. В конце 60-х годов компьютерный художник Майрон Крюгер впервые вводит понятие искусственной реальности. А в 1977-м году в Массачусетском Технологическом Институте была создана «Кинокарта Аспена» — компьютерная программа, позволяющая совершить прогулку по американскому городу Аспен. Эта программа считается первой визуализацией виртуальной реальности. В том же году Даниэль Сандин, Ричард Сейр и ряд других инженеров из EVL изобрели перчатку, с помощью которой можно было передавать в компьютер данные о движении руки. Устройство получило название «Перчатка Сейра». И в 1982-м году Томас Зиммерман (один из основателей VPL Research) запатентовал установку в перчатку оптических датчиков. Перчатка Зиммермана была предназначена для совмещения акустической гитары и компьютера. Она передавала компьютеру данные о положении пальцев, а программа уже преобразовывала полученные данные в звук. В 1989-м году перчатки виртуальной реальности, наконец, дошли до массового потребителя. Устройство под названием «Nintendo Power Glove» выпустила NES. Однако, широкого распространения оно не получило. В 1989-м году другой основатель VPL Research, программист, футуролог, философ, музыкант и много ещё кто Джарон Ланье вводит термин «виртуальная реальность». В 1991-м году анонсируется набор Sega VR, но до выпуска он так и не дошёл. Это было связано с физической и психологической неготовностью тестировщиков к новым ощущениям и состояниям. В 1994-м году Пол Милгром и Фумио Кисино описали континуум «виртуальность — реальность» — пространство между реальностью и виртуальностью, между которыми расположены дополненная реальность (ближе к реальности) и дополненная виртуальность (ближе к виртуальности). В этом же году выходит в продажу шлем Forte VFX1. Однако высокая цена и небольшое количество доступных игр не позволили ему стать популярным. В 1995-м году компания «Nintendo» выпустила игровую консоль «Virtual Boy». Однако и она не добилась успеха. Красно-чёрное изображение на экране было вредным и дискомфортным для глаз. Именно поэтому приставка стала первой консолью, вынуждавшей игрока делать перерывы, чтобы глаза могли отдохнуть. Все выходившие позже шлемы виртуальной реальности также не получили достаточную популярность. В начале 90-х годов вышло множество фильмов и книг, популяризирующих данную отрасль. Тема виртуальной реальности была интересна и обсуждаема. Но, несмотря на это (видимо из-за громких провалов шлемов ВР) почти 10 лет не появлялось никаких интересных разработок в этой сфере. В 2000-х годах виртуальная реальность перешла в сферу компьютерных игр. Сегодня на рынке представлен огромный выбор очков и шлемов ВР. Можно найти как проникнутые идеями футуризма, например «TLpower G100», так и просто «народные» очки, куда надо вставлять телефон — «Google Cardboard VR BOX III 3». Есть даже самосборные из картона под 5-ти дюймовые телефоны. Глава 3. Проблематика и перспективы развития 3.1 Проблематика. Коснусь теперь темы проблематики развития технологий виртуальной и дополненной реальностей. А также рассмотрю перспективы этой отрасли, исходя из указанных проблем. Эти вопросы я буду рассматривать, основываясь на работе А. А. Смолина «СИСТЕМЫ ВИРТУАЛЬНОЙ, ДОПОЛНЕННОЙ И СМЕШАННОЙ РЕАЛЬНОСТИ, на книге Попова Д. «Виртуальная и дополненная реальность-2016: Состояние и перспективы» и на статье Б. С. Яковлева «ИСТОРИЯ, ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕХНОЛОГИИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ. В настоящее время существующие устройства виртуальной реальности требуют подключения к мощному обрабатывающему устройству, что значительно снижает мобильность, системы захвата движения будут создавать некоторую задержку происходящего и последующих событий, а также цена реализации подобных систем с учетом использования всех перечисленных технологий. Безусловно, с развитием технологий и средств, реализация подобных идей станет реальнее и проще. В перспективе развития технологий ВР и ДР лежит решение проблемы формирования изображения. На примере этого вопроса рассмотрим общую проблематику более подробно. А. А. Смолин в своей вышеупомянутой работе описал научную сторону вопроса: Для формирования естественного восприятия изображения виртуального мира должен быть выполнен ряд обязательных условий. Ряд этих условий вполне естественен и требует только упоминания. Во-первых, синтезированное изображение виртуального мира должно быть высокого качества и реалистичным. Первое говорит о том, что угловой размер пикселя экрана должен быть меньше углового разрешения человеческого глаза и наблюдатель не должен видеть отдельных пикселей, составляющих изображение объекта. На данный момент — это требование едва ли выполнимо, поскольку для этого требуется микро дисплеи с разрешением 8К. Однако при ограниченном поле зрения, которое существует у большинства систем дополненной и смешанной реальностей, это требование может быть снижено до 4К или 2К, что уже вполне соответствует современным технологическим возможностям. Второе немаловажное требование – это реализм синтезированного изображения. Современные технологии компьютерной графики не в состоянии обеспечить реализм изображения, синтезируемого в режиме реального времени. Компьютерная графика в состоянии синтезировать очень «красивые» изображения, но при этом они могут быть нереалистичными. Это связано со спецификой зрительного восприятия визуальных образов. Если у человека в голове хранится визуальный образ знакомого объекта, то незначительные отклонения изображения виртуального объекта от знакомого ему образа будут вызывать у него диссонанс, который в конечном итоге приводит к повышенной утомляемости восприятия виртуальной реальности. Это хорошо заметно при визуализации синтезированных изображений человеческих лиц, которые, в большинстве случаев, воспринимаются как искусственные, поскольку графика реального времени не в состоянии передать всех деталей человеческого лица. С другой стороны, человеческий мозг прекрасно воспринимает незнакомые ему объекты, что объясняется тем, что у него нет того объекта, с которым он мог бы провести сравнение и оценить достоверность изображения. Поэтому, если на одном кадре синтезировать изображение человека и изображение внеземного существа, то скорее всего человек будет восприниматься как кукла, а внеземное существо будет выглядеть «естественным» образом. Важным фактором в формировании естественного восприятия является качество, с которым оптическая система передает изображение с микродисплея в глаз человека. Здесь необходимо отделять внешние характеристики оптической системы, такие как поле зрения и “eye box”, от собственно качества, т.е. аберраций оптической системы. Значительные аберрации оптической системы могут разрушить весь реализм, который был получен при синтезе изображения виртуального мира на микродисплее. В системах виртуальной реальности аберрации обуславливаются сочетанием двух факторов: небольшим размером зрачка глаза (порядка двух миллиметров) и большим полем зрения оптики, которое превышает 100°. Поэтому основными аберрациями в окулярах систем виртуальной реальности является дисторсия и хроматизм увеличения (хроматическая дисторсия). Эти две аберрации могут быть исправлены при синтезе изображения виртуальной реальности. Для коррекции дисторсии достаточно внести обратное дисторсионное искажение в изображение, формируемое на экране микродисплея. Однако высокое качество оптики, реализм изображения виртуального мира и высокое разрешение микродисплея не в состоянии обеспечить естественность восприятия виртуального мира. Для естественности восприятия необходимо обеспечить согласование между вергенцией и аккомодацией глаз человека. Наибольшие проблемы в этом плане могут возникнуть у стереоскопических систем видео 360. В данных системах съемка одного участка сцены ведется парой сонаправленных камер, смещенных друг относительно друга на среднюю величину межцентрового расстояния человеческих глаз. Это соответствует практической бесконечности при наблюдении реального мира. При просмотре такого видео наблюдатель может комфортно воспринимать объекты, находящиеся на практической бесконечности. Если в поле зрения попал объект, находящийся вблизи камеры, то при попытке сконвертировать взгляд на этот объект, возникнет двоение изображения, поскольку направление съемки соответствовало бесконечно удаленному объекту. Данная проблема не может быть устранена в рамках просмотра видео 360 и поэтому возможная рекомендация по уменьшению влияния этой проблемы заключается в организации самой съемки без ближнего плана. В системах виртуальной реальности данная проблема может быть частично решена. При изменении направления взгляда, т.е. при фокусировке взгляда на выбранный объект виртуального мира, необходимо тут же синтезировать два новых изображения виртуальной сцены, соответствующих направлению взгляда правого и левого глаза. Естественно, для синтеза новых изображений необходимо определить новое направление взгляда. Это положение определяется с помощью специальных устройств отслеживания положения зрачка (eye tracking). Устройства отслеживания положения зрачка могут работать на различных принципах. Это могут быть контактные методы, когда на глаз надеваются контактные линзы со специальными зеркальными отражателями либо с миниатюрными излучателями магнитного поля. При этом оптические или магнитные датчики фиксируют изменения положения глаз. Кроме того, изменение положения зрачков глаз может фиксироваться специальными датчиками электрического поля, располагаемыми вокруг глаз человека. Однако в системах виртуальной реальности нашло применение более простое бесконтактное решение. Это решение основано на ряде особенностей человеческого глаза. Во-первых, глаз не реагирует на ближнее инфракрасное излучение малой мощности, во-вторых, зрачок глаза «бликует» при освещении его по оси зрения (эффект красных глаз) и, в-третьих, при освещении глаза внеосевым пучком света блик от роговицы глаза смещается относительно блика от хрусталика глаза и это смещение определяет направление взгляда. Однако правильная ориентация камер, соответствующих направлению взгляда левого и правого глаза, используемых при синтезе изображения реального мира, еще не является достаточным условием формирования естественного восприятия изображения виртуального мира. Достаточным условием является согласованность аккомодации и вергенции человеческого зрения. Поэтому, когда человек смотрит на объект, он не только сводит направления взглядов левого и правого глаза на этом объекте, но и фокусируется на нем, т.е. сжимает или расслабляет хрусталик, для того, чтобы видеть этот объект максимально четко (при этом остальные объекты размываются). Эффект размытия изображения, связанный с аккомодацией глаз, обуславливается конечным размером зрачка глаза. С оптической точки зрения глаз представляет собой фотографический объектив с переменным фокусным расстоянием. Он может фокусироваться на определенные объекты, но из-за конечного размера зрачка объекты, находящиеся вне плоскости фокусировки, размываются. Величина размытия зависит от величины смещения объекта от плоскости фокусировки (дефокусировка) и от размера зрачка. Чем больше дефокусировка и чем больше размер зрачка, тем больше размытие. Системы компьютерной графики, синтезирующие изображение виртуального мира, как правило используют модель идеальной точечной камеры с бесконечно малым размером зрачка, в результате чего они свободны от эффектов дефокусировки и размытия изображения. Если система компьютерной графики синтезирует изображение, сфокусированное на некоторую плоскость наблюдения, то изображение объектов, находящихся в этой плоскости будет четким. Кроме того, для того, чтобы видеть это изображение четким, необходимо выполнить соответствующую диоптрийную подвижку окуляра, т.е. согласовать положение окуляра с текущей аккомодацией глаза. В этом случае изображение в плоскости наблюдения будет четким и выглядеть естественным образом. Однако изображение всех остальных объектов, находящихся вне этой плоскости, будет также четким. И это будет выглядеть неестественно и вызовет дискомфорт. С другой стороны, отсутствие окулярной подвижки приведет к дефокусировке всего изображения, что также вызовет дискомфорт зрительного восприятия виртуального мира. Поэтому задача согласования эффектов вергенции и аккомодации заключается в формировании такого изображения, которое было бы четким в плоскости конвергенции глаз человека и естественным образом дефокусировано (в соответствии с аккомодацией глаз) вне этой плоскости. Для решения проблемы согласования вергенции и аккомодации в изображении виртуального мира существует несколько путей. Два основных пути, это либо формирование корректно дефокусированного изображения для окуляра с адаптивным фокусным расстоянием, либо преобразование плоского изображения на микродисплее в псевдообъемное с глубиной, соответствующей глубине сцены. В первом случае моделируется эффект дефокусировки, вызываемой естественной аккомодацией человеческого зрения. Эффект дефокусировки представляет собой аберрацию первого порядка и функцию рассеивания точки в виде цилиндра, радиус которого пропорционален значению дефокусировки. Такой эффект дефокусировки может быть легко воспроизведен в любой системе компьютерной графики. Однако, для естественной визуализации дефокусированного изображения окуляр должен осуществить фокусировку на плоскость наблюдения в пространстве виртуальной сцены. Система фокусировки окуляра должна быть адаптивной и непосредственно связанной с системой трекинга зрачка. Изменение направления взгляда должно отслеживаться системой трекинга зрачка и автоматически фокусировать окуляр на новую плоскость наблюдения. При этом изображения для правого и левого глаза автоматически перестраиваются в соответствии с направлением наблюдения и фокусируются на текущую плоскость наблюдения. В результате дискомфорт восприятия виртуального мира пропадает. Единственная сложность предложенного решения заключается в том, что реализация адаптивной фокусировки окуляра представляет собой серьезную научно-техническую проблему, которая до сих пор еще не была решена. Преобразование плоского изображения на микродисплее в псевдообъемное с глубиной, соответствующей глубине сцены, также представляет собой серьезную научно-техническую проблему. Для решения этой проблемы используют различного рода модуляторы изображения. Модуляция изображения осуществляется следующим образом. Виртуальная сцена разбивается на ряд слоев, ортогональных направлению зрения и для каждого слоя строится собственное изображение. Затем модулятор изображает каждый слой со своим фазовым (пространственным) сдвигом. Если количество слоев достаточно большое, то человек видит практически объемное изображение с согласованной вергенцией и аккомодацией. Способы модуляции слоев могут сильно отличаться, например, механическая модуляция адаптивными зеркалами или жидкокристаллическими фазовыми матрицами. Аберрации оптической системы и рассогласование вергенции и аккомодации не единственные эффекты, которые могут ухудшить восприятие виртуального мира. При построении изображения дополненной реальности в системах нашлемных индикаторов или индикаторов на лобовом стекле может возникнуть так называемый эффект рирпроекции. Этот эффект возникает в случае замены излучающего микродисплея на жидкокристаллическую матрицу, отражающую или пропускающую излучение мощного источника света. Такие решения используются для обеспечения работы систем дополненной реальности в условиях мощного внешнего освещения. Например, дисплей дополненной реальности должен обеспечивать видимость информационных знаков и текста в условиях яркого солнечного освещения, когда солнце или яркая облачность находятся в поле зрения системы дополненной реальности. Как правило, микродисплей не в состоянии обеспечить требуемую яркость формируемого изображения. Осветительная оптика собирает излучение мощного источника квазимонохроматического поляризованного света и равномерно распределяет его на поверхности жидкокристаллической матрицы, формирующей изображение дополненной реальности. Далее проекционный объектив переносит изображение с жидкокристаллической матрицы на диффузор, совпадающий с плоскостью промежуточного изображения. И наконец, наблюдатель рассматривает изображение, сформированное на диффузном экране с помощью коллимационной линзы (лупы) и полупрозрачного комбинера, который отражает узкое спектральное излучение, идущее от источника света и пропускает излучение в широком спектральном диапазоне от внешнего реального окружения. Основной недостаток данной схемы заключается в том, что жидкокристаллическая матрица не является абсолютно непрозрачной для черного цвета. Поэтому часть светового излучения, которое не должна была пропустить жидкокристаллическая матрица, проходит и изображается в виде светлого ореола на фоне информации дополненной реальности. Несмотря на то, что пропускание матрицы в непрозрачной области незначительно (порядка 1/300), светлый ореол может выглядеть очень ярким. Его яркость зависит от адаптации глаза к среднему уровню яркости видимого пространства. Если пространство темное, то ореол визуально выглядит очень ярким, хотя его реальная яркость в 300 раз ниже яркости полезной информации. Для комфортного визуального анализа окружающей обстановки и информации, выдаваемой на лобовое стекло, необходимо выполнение двух основных условий. Во-первых, вся информация выводимая на лобовое стекло, должна легко различаться на фоне окружающей обстановки, во-вторых, ложный ореол должен быть невидим или, по крайней мере, не закрывать полезную информацию об окружающей обстановке. Для этого мощность источника излучения должна выбираться исходя из средней яркости окружающего пространства и параметров световой адаптации глаза. Адаптация мощности источника света может происходить автоматическим образом (например, в результате анализа датчиков яркости) или вручную по результатам визуального контроля. 3.2 Перспективы.В своей вышеупомянутой статье Яковлев Б. С. Яковлев рассматривает дальнейшие перспективы развития технологий виртуальной и дополненной реальностей. Рынок технологии дополненной реальности молод и пока невелик. В настоящее время на нем доминируют «стартапы» с талантливыми командами разработчиков, которые продвигают данную инновацию. Но рынок имеет высокий потенциал, и для него будет характерен рост с высокими темпами в перспективе 5–10 лет. Маркетинг рассматривается как основная область адаптации и драйвер развития технологии дополненной реальности. Рекламная сфера станет наиболее быстрорастущей областью применения дополненной реальности в краткосрочной перспективе. Однако позднее основной областью ее применения станет промышленная сфера. Такие отрасли, как розничная торговля, местные органы управления и образование, а также отрасли тяжелой промышленности (включая добычу природных ресурсов, конструирование, машиностроение, металлургию, химическую промышленность и т.д.) получат большие выгоды от применения технологии, так как они в большей степени зависят как от физических активов, так и от информационных данных. Аналитики Gartner считают, что дополненная реальность уже вступила в пору своей технологической «юности» со свойственными данному возрасту проблемами, таким как отсутствие стандартов и значимой конкуренции. Но технология созреет и уже станет доминирующей на рынке на горизонте 5–10 лет. Специалисты Gartner считают, что к 2016 году дополненная реальность уже войдет в зону мейнстрима и приблизится к уровню проникновения в 50 %, а к 2021 году удвоит свое достижение и достигнет зоны зрелости с почти 100 % проникновением. На данный момент существуют разные оценки объема рынка дополненной реальности, но все единодушны в том, что рынок будет расти галопирующими темпами. Так, рынок дополненной реальности в 2010 году оценивался всего лишь в 21 млн. долларов. Уже в 2011 году аналитики посчитали, что выручка от реализации решений с использованием дополненной реальности составила 181,25 млн. долларов, притом этот доход сформировали только 0,1 % пользователей смартфонов, которые на сегодняшний день используют продукты с техно логией дополненной реальности. Большинство из них проживает в Северной Америке и Европе. Однако в ближайшие 5 лет основные доходы от приложений с дополненной реальностью будут поступать из Японии, Китая и Южной Кореи. Что касается прогнозов, то по оценкам аналитиков к 2014 году мировой рынок приложений и сервисов дополненной реальности для мобильных устройств достигнет объема в 732 млн. долларов, а ожидаемый уровень мировых доходов от мобильных приложений, использующих дополненную реальность, к 2015 году превысит 2,2 млрд. долларов. В 2016 году совокупный рынок достигнет уровня в 3-5 млрд. долларов. По мнению аналитиков, самым привлекательным из всех сегментов является сегмент смартфонов, и планшетных компьютеров. На этом рынке уже активно работают такие стартапы, как Total Immersion (Франция), Metaio (Германия), Wikitude (Австрия), Zugara (США) и Layar (Нидерланды). Считается, что всего через год более 400 млн. пользователей мобильных устройств будут использовать приложения с дополненной реальностью, по крайней мере, один раз в неделю. А через 3 года более половины всех сервисных компаний (наиболее приближенных к цифровой среде) будут применять в том или ином виде технологию дополненной реальности. На основе представленных данных можно сделать следующие выводы: На рынке есть все предпосылки для активного развития приложений с дополненной реальностью. Главным образом, это связано с увеличением доли проникновения смартфонов и планшетных компьютеров среди потребителей, а также ростом их производительности. В перспективе ближайших 5 лет мобильные приложения для смартфонов будут доминировать на рынке. Дополненная реальность наиболее вероятно будет развиваться как часть любых мобильных приложений, а не как самостоятельное дополнение к мобильному устройству. Функциональность и возможности технологии дополненной реальности будут развиваться очень быстро. Дополненная реальность превратит Интернет из информационной сети в предметную. Если сейчас пользователи в Сети разыскивают информацию, в том числе о товарах, то с дополненной реальностью поиск абстрактной информации будет лишен смысла. Человеку достаточно найти желаемый объект, а технология обеспечит контекстную информацию о нем. Среди отдельных компонентов технологии дополненной реальности можно выделить следующие перспективные направления для разработки: средства отображения информации и интуитивного управления, контентные базы данных, способные работать с разными операционными системами устройств, а также создание краудсорсинговой платформы для создания контента дополненной реальности самими пользователями. Заключение В перспективе, если учитывать, что техническая база дополненной реальности уже на данный момент обладает неплохим функционалом, несмотря на недостатки и ограничения, а также на то, с какой скоростью развивается сама технология дополненной реальности, можно с уверенностью утверждать, что внедрение этой технологии во все сферы жизни общества — вопрос времени. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ Попов Д. Виртуальная и дополненная реальность-2016: Состояние и перспективы. – М.: Изд-во ГПБОУ МГОК, 2016. – 386 с. СИСТЕМЫ ВИРТУАЛЬНОЙ, ДОПОЛНЕННОЙ И СМЕШАННОЙ РЕАЛЬНОСТИ / А. А. Смолин, Д. Д. Жданов, И. С. Потемин, А. В. Меженин, Богатырев В. А. – СПб.: Университет ИТМО, 2018. – 61 с. Топорков, В. В. «ЭФФЕКТ МЭИ» В РАЗВИТИИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ШКОЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ. // MPEI.RU. – URL: – URL: http://vt.mpei.ac.ru/ru/o-kafedre/istoriya-kafedry (дата обращения: 29.10.2021). Яковлев, Б. С. ИСТОРИЯ, ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕХНОЛОГИИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ // CYBERLENINKA.RU: Научная электронная библиотека «КиберЛенинка». 2020. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/istoriya-osobennosti-i-perspektivy-tehnologii-dopolnennoy-realnosti/viewer (дата обращения: 29.10.2021). DivoTech. Виртуальная, дополненная и смешанная реальность: суть понятий и история развития. // HABR.COM. 2016. – URL: https://habr.com/ru/company/dronk/blog/390805 (дата обращения: 29.10.2021). |