отчёт. Разработка программных средств для воспроизведения виртуальной реальности
 Скачать 157.29 Kb.
|
|
Разработка программных средств для воспроизведения виртуальной реальности Комашинский М.А Аннотация В работе проведен анализ методов фильтрации данных полученных из инерционного измерительного устройства, методы преодоления дрейфа нуля гироскопа, разработана программа стереоскопического улучшенный рендеринг для мобильного телефона и беспроводной инерционный манипулятор. Что позволяет пользователям углубиться в мир виртуальной реальности за не большую сумму. Выбранные методы фильтрации данных позволяют собирать в автоматическом режиме собирать, фильтровать и сглаживать данные практически любого вида. Ключевые слова: виртуальная реальность, алгоритмы фильтрации шума, инерционный манипулятор, стереоскопический рендер, Unity 3d. Постановка проблемы. В данный момент технологии виртуальной реальности (ВР) широко применяются в различных областях человеческой деятельности: проектировании и дизайне, добыче полезных ископаемых, военных технологиях, строительстве, тренажерах и симуляторах, маркетинге и рекламе, индустрии развлечений и т.д. Объем рынка технологий виртуальной реальности оценивается в 15 млрд долларов в год [1]. В начале 1990-х годов виртуальная реальность еще только находилась на стадии развития, и ограничивалась лишь несколькими "квадратными" шахматными фигурками на шахматной доске. Но с развитием индустрии развлечения виртуальная реальность стала наращивать своя темпы развития. Ей стали использовать в кинотеатрах и для создания видеоигр. Позже с помощью ВР многие архитекторы начали создавать фасады зданий, еще до того как сам фундамент закладывали. Заказчики проекта могли свободно путешествовать по виртуальному зданию, задавать вопросы архитектору и вносить свои изменения в его дизайн. Виртуальная реальность давала значительно больше возможностей заказчикам при выборе дизайна здания, чем миниатюрный макет со снимаемой крышей. Стратили, архитекторы, медики, инженеры и многие другие профессии, где работают с какими - либо материальными объектами, требуют от студентов отличной квалификации. Для этого им регулярно проводить практики, где они приобретают все необходимые знания и умения [2]. Но виртуальная реальность может вывести процесс обучения на новый уровень. Создание программ, способных продемонстрировать строении человеческого тела или в режиме реального времени показать, как меняется нагрузка на отдельные узлы здания в зависимости от использованных технических решений, позволит продемонстрировать студентам уже на первых курсах практическую часть их работы не тратя времени специалистов и не рискуя жизнями людей. Плюсом становится и лучшее усвоение материала, ведь куда понятнее расположение и принцип работы органов человека, когда на них можно посмотреть в 3Б-формате, прикоснуться своими руками и покрутив со всех сторон, а не просто осмотрев в разрезе на картинке в учебнике и запомнив их. При этом у преподавателей появится прекрасная возможность для поддержания интереса студента за счет интерактивных лекций, наполненных полезной информацией [3-5]. Поэтому программы с виртуальной реальностью используются для обучения солдат, летчиков, космонавтов и медиков. Виртуальная реальность способствовала развитию медицины, ведь в таких условиях можно было спокойно обучать новых медиков, не опасаясь за здоровье пациента. В некоторых случаях виртуальной реальности использовали для проведения так сказать предыдущей операции, когда врач делал операцию в виртуальном мире и смотрел за своими ошибками, чтобы затем устранить их на практике. Так же развитие ВР привело к тому, что операции стали проводить с помощью роботов. Первая операция с участием робота была сделана в 1998 году в одной из больниц Парижа. Единственный недостаток такой операции заключается в том, что во время работы устройств ВР могут произойти сбои или задержки, которые могут стоить пациенту жизни. Пилотажные тренажеры являются разновидностью систем виртуальной реальности. Все летчики и космонавты перед полетом занимаются на таких тренажерах для того, чтобы быть готовым ко всем трудностям, которые могут возникнуть во время полета. Летчики и космонавты пытаются управлять своим виртуальным самолетом или шаттлом при любых погодных условиях - во время грозы, тумана, ветра, метеоритного дождя и так далее. Для этого существуют специальные программы. И хотя такое оборудование для виртуальной реальности стоит несколько десятков тысяч долларов, пилотажный тренажер все равно выходит дешевле, чем если проводить обучение на настоящих летательных аппаратах [3]. Сфера развлечений все больше обращается к мультимедийным технологиям, тем более что в мире давно экспериментируют с виртуальной реальностью. Виртуальные декорации- это панорамные муль-тиэкранные проекции виртуальных миров. Экраны воспринимаются зрителем как окна в другой мир. Располагать их можно по-разному. Все зависит от возможностей площадки, желаний и возможностей заказчика. Виртуальные декорации могут не только заменять собой интерьер, но и дополнять его. Можно использовать их для создания полностью иллюзорного 3Б-пространства, вплоть до покрытия проекциями пола. Но сами шлемы виртуальной реальности и манипуляторы для них которые используются в сфере развлечений достаточно не дешевы. Анализ последних исследований и публикаций. Daydream-платформа виртуальной реальности (VR), разработанная компанией Google [5]. Она была анонсирована на выставке Google I/O 2016, и представлена 10 ноября 2016 [6]. В отличие от первой платформы VR от Google, Google Cardboard, Daydream будет встроена в ОС Android начиная с момента выпуска Android 7.1 Nougat. Платформа включает в себя спецификации как программного, так и аппаратного обеспечения, предназначенных для совместимых с ней телефонов "Daydream-Ready". Google также анонсировала режим VR в Android Nougat для обработки высокопроизводительных вычислений приложений виртуальной реальности. Это будет первая VR платформа, выполненная в материальном дизайне. Google планирует обновить некоторые из своих установленных Android-приложений до VR-версий. Стоимость VR-гарнитуры Google Daydream View составляет $79, что дешевле чем большинство ее конкурентов на рынке. В комплекте с Daydream-гарнитурами поставляется беспроводной контроллер. Этот контроллер может быть использован для взаимодействия с виртуальным миром с помощью нажатия кнопок или движения устройства в пространстве. Пульт дистанционного управления используется для навигации в меню, игр и даже виртуальных прогулок в Google Street View. Установлены датчики используются для определения ориентации контроллера и примерного положения руки пользователя. Контроллер обеспечивает пользователя шестью степенями свободы в пространстве. Для владельца Google Daydream View контроллер может храниться в гарнитуре, пока он не используется [7]. Проблемой этой платформы является то что на данный момент она работает только с двумя устройствами - Google Pixel, Motorola Moto Z, Samsung Galaxy S8 и S8+. То есть с самыми дорогими флагманами. Та же самая ситуация со шлемами от Samsung под названием GearVR, такой шлем совместим только с некоторыми телефонами самой фирмы Samsung. А вот Google Cardboard может работать почти на всех Android-смартфонах, но использование ограничивается* использованием только на операционной системе Android. Разрабатываемый набор из средств разработки и утилит может быть совместим со всеми мобильными телефонами на операционной системе Android и iOS. Но есть определенные технические ограничения производительности. Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Шлемы виртуальной реальности и манипуляторы для них которые используются в сфере развлечений достаточно не дешевы. Поэтому в сфере развлечений их может себе позволить только достаточно ограниченный круг людей. Эта проблема свана с большими требованиями к аппаратной составляющей, отсутствием единого стандарта, и единого набора средств разработки и утили для всех платформ. Цель статьи. Заключается в разработке прототипа шлема на базе смартфона и разработке беспроводного манипулятора. Которые бы работали со всеми мобильными платформами такими как Android и iOS. Главной целью этой работы является: 1. Исследовать существующие подходы до получения стереоскопического изображения. 2. Рассмотреть основные алгоритмы фильтрации данных с датчиков. 3. Исследовать Unity Engine как графический движок для разработки приложений виртуальной реальности (ВР). 4. Разработать алгоритм трекинга положения и поворота манипулятора. 5. Исследовать основные методы и протоколы без проводного соединения. Изложение основного материала. Гироскопы очень точно меряют угловую скорость и после интеграции можно получить углы. Но у них есть проблема - показания всплывают со временем. Для коррекции этого дрифта применяется акселерометр, который всегда (ну или почти всегда в долгосрочной перспективе) знает, где земля. Но акселерометр ничего не почувствует, если его крутить вокруг оси Z, поэтому нам нужен магнитометр, который всегда знает, где север. Такое сочетание датчиков называют инерционным измерительным устройством [17]. Срок ИВП (англ. IMU или инерционно измерительное устройство) широко используется имея в виду устройство, которой содержит в себе три акселерометры и три гироскопа, а также может содержать дополнительно три магнитометры. Акселерометры располагаются так, что их три оси измерения ортогональные друг другу. Они определяют инерционное ускорение, которое еще называют G-силами. Три гироскопы располагаются таким же образом, ортогонально друг другу, и измеряют позицию вращения относительно произвольно выбранной координатной системы. Все больше и больше производителей добавляют также три магнитометра в ИВП модули. Это улучшает быстродействие при подсчете динамической ориентации в системах определения отношения и направления, сделанные на базе ИВП. Модули ИВП используются в установленных на самолетах инерционных навигационных системах. На сегодняшний день почти каждое коммерческое или военное надводное средство имеет такое устройство. Большинство самолетов также оборудованы ИВП [19]. Основным недостатком использования ИВП в навигации является то, что он обычно имеет накапливаемую погрешность, включая погрешность Эббе. Поскольку навигационная система постоянно грустит зафиксированы изменения, к предварительно рассчитанной позиции, любые ошибки измерений, даже малые, аккумулируются от точки до точки. Это приводит к ‘дрейф’, или к постоянному росту разницы между координатами места, где система думает что находится, и фактическим ее местонахождению. Вроде все просто-из значения по оси Z вычтем константу 1g, достанем линейное вертикальное ускорение. Дважды проинтегрируем его (фактически суммируем в измерительном цикле) и получим скорость и относительное смещение. Но и здесь не все так хорошо, как хотелось бы. Наклон аппарата вызовет изменение проекции вектора ускорения А на ось Z. Движение датчика или изменение температуры могут вызвать "сдвиг" чувствительности, и наша константа 1g уже не будет соответствовать реальности. Но даже в случае идеально неподвижного датчика и точно выставленной 1g, любой сенсор издает шум. Ведь даже крошечная ошибка в течение десятка секунд двойной интеграции возрастает до размера слона, и вот мы в очках видим боком, или с наклоненным взглядом. Самые распространенные фильтры которые используются в ИВП: 1) Фильтр Калмана. 2) Complimentary filter, точный аналог, это "альфа-бета фильтр". 3) Фильтр Маджвика. Список Литературы 1. Sky N. Virtual Reality Insider: Guidebook for the VR Industry - New York: Inside, 2014. - 140 с. 2. Parisi T. Learning Virtual Reality - Sebastopol: O’Reilly Media, 2015. - 21 с. 3. Benton A. Oculus Rift in Action - New York: Manning Publications, 2015. - 2 с. 4. Smith M. Unity 5.x Cookbook - Birmingham: Packt Publishing Limited, 2015. - 2 с. 5. Craig A. Developing Virtual Reality Applications - San Francisco: eLsEVIER SCIENCE & TECHNOLOGY, 2009. - 53 с. 6. Torn A. Mastering Unity Scripting - Birmingham: ELSEVIER SCIENCE & TECHNOLOGY, 2015. - 31 с. 7. Zucconi A. Unity 5.x Shaders and Effects Cookbook - Birmingham: ELSEVIER SCIENCE & TECHNOLOGY, 2016. - 55 с. 8. Daydream is Google’s Android-powered VR platform. [Електронний ресурс] / Robertson, Adi // - Режим доступу: http://www.theverge.com/2016/5718/11683536/google-daydream-virtual-reality-announced-android-n-io-2016 9. Google Daydream Launch Date Confirmed. [Електронний ресурс] / Zeena Al-Obaidi // - Режим доступу: https://www.vrfocus.com/2016/05/google-daydream-launch-date-confirmed/ 10. Использование инерциальной навигационной системы (ИНС) с несколькими датчиками. [Електронний ресурс] / Алексей Москаленко // - Режим доступу: https://geektimes.ru/post/255736/ 11. MPU-6050. [Електронний ресурс] / InvenSense Inc. // - Режим доступу: https://www.terraelectronica.ru/ catalog_info.php?CODE=660710 12. Фильтр Калмана. [Електронний ресурс] / Худавердян Давид // - Режим доступу: https://habrahabr.ru/ post/166693 13. VR-Overview. [Електронний ресурс] / Zeena Al-Obaidi // - Режим доступу: https://unity3d.com/ru/learn/ tutorials/topics/virtual-reality/vr-overview?playlist=22946 14. Asynchronous Timewarp Examined. [Електронний ресурс] / Michael Antonov // - Режим доступу: https://developer3.oculus.com/blog/asynchronous-timewarp-examined/ 15. Asynchronous Spacewarp. [Електронний ресурс] / Dean Beerl // - Режим доступу: https://developer.oculus. com/blog/asynchronous-spacewarp/ 16. Фильтр Маджвика. [Електронний ресурс] / Петерсен Антон // - Режим доступу: https://habrahabr.ru/ post/255661/ 17. Google’s Daydream View VR headset goes on sale next month for $79. [Електронний ресурс] / Adi Robertson // - Режим доступу: http://www.theverge.com/2016/10/4/13161506/google-vr-headset-photos-daydream-view- virtual-reality 18. Як VR змінює світ: історія комп’ютерних інтерфейсів. [Електронний ресурс] / Березов П.П. // - Режим доступу: https://designtalk.club/yak-vr-zminyuye-svit-abo-majbutnye-bez-monitoriv/ 19. История развития технологий виртуальной реальности. [Електронний ресурс] / Корнинко П.А. // - Режим доступу: http://www.psychologov.net/view_post.php?id=1425 20. Виртуальная реальность: История, теория, практика. [Електронний ресурс] / Мелков Ю.П. // - Режим доступу: http://itc. ua/articles/virtualnaya-realnost-istoriya-teoriya-praktika/ 21. Мобильная виртуальная реальность. [Електронний ресурс] / Судницкий В.А. // - Режим доступу: https://vrgeek.ru/2016/05/23/1395_mobilnaya-virtualnaya-realnost/ |