Словосочетание «виртуальная реальность» давно превратилось в подобие клише, причем чаще всего с акцентом на игровое применение. Даже способ взаимодействия с виртуальным миром в понимании обывателя ограничивается шлемом, надеваемым на голову и погружающим пользователя в нарисованный мир. Но это лишь верхушка «VR-айсберга», причем это касается и самой технологии построения виртуального мира, и способа доставки картинки к глазам пользователя с помощью индивидуального шлема.
Многоликий VR
Как и любая другая технология, достигшая уровня зрелости, а виртуальная реальность сегодня находится именно на этой стадии, она разделилась на множество направлений и специализаций, где действительно приносит пользу.
Если обратиться к официальному определению термина, то виртуальная реальность − это созданный техническими средствами мир, передаваемый человеку через его ощущения: зрение, слух, осязание и др., т. е. имитирующий как воздействие, так и реакции на воздействие в режиме реального времени.
Разберем данное определение по частям. Итак, мы говорим о мире, созданном техническими средствами, программным обеспечением и специалистами. Именно в способах создания и подготовки этого мира кроется первое существенное различие в подходах. Прежде всего стоит уточнить, что основная нагрузка в построении виртуального мира ложится на ПО, тогда как шлем или проектор являются лишь вариацией «телевизора» − средства доставки впечатлений к глазам пользователя.
На сегодняшний день принято разделять три принципиально разных типа программного обеспечения для создания виртуальной сцены:
• игровые движки-рендеры вроде Unreal Engine, CryEngine или Unity 3D для создания фантастических виртуальных миров, в основном для игровой индустрии;
• ПО, создающее виртуальный мир на основе инженерных данных с конвертацией и преобразованием исходных моделей. Это самый многочисленный класс систем для НЕ игрового применения виртуальной реальности. Среди систем, которые формируют собственный виртуальный мир на основе заданных данных, можно назвать: Amira 3D − ПО для моделирования и имитации, а также анализа медицинских данных; UNIGINE − универсальный 3D-рендер для визуализации моделей и создания тренажеров; Autodesk VRED, изначально ориентированный на автомобильную индустрию; многочисленные стартапы, например VARWIN, создающие VR-миры на основе готовых библиотек объектов;
• ПО для прямой загрузки CAD-моделей, разработанных в инженерном ПО, в создаваемую VR-сцену. В качестве примера можно привести французскую компанию TechViz, которая едва ли не единственная в мире строит виртуальную сцену на основе реальных инженерных данных без конвертации.
Говорить о том, какой из этих подходов лучше, бессмысленно − каждый хорош по-своему и годится для определенных задач. Это все равно что выбирать между ложкой, вилкой и ножом − для разных блюд они подходят совершенно по-разному, однако съесть суп можно и с помощью вилки, только это будет дольше и намного сложнее.
Что наша жизнь? Игра
Если посмотреть на игровые рендеры, то в последнее время они сильно прогрессируют по уровню детализации и качеству нарисованного мира. Именно они с точки зрения PR-шумихи перетянули на себя все потребительское внимание. Для разработчика здесь царит полная свобода. Можно рисовать что угодно и как угодно, ограничиваясь лишь фантазией и соображениями здравого смысла. Соответственно и область применения для таких систем тоже очевидна − индустрия развлечений, а также красивые презентации объектов, которых нет (или пока нет) в физическом мире.
Для построения VR-сцен на игровых движках используются реалистичные текстуры, световые эффекты, смена времен дня и года, а также имитация атмосферных явлений. Индустрия игры разработала все необходимые библиотеки работы с объектами и даже их «физику». В общем, все те приемы, которые позволяют максимально приблизить виртуальную реальность к физической, и там, где важны визуальная составляющая и желание произвести хорошее впечатление на пользователя.
Показать с лучшей стороны
Однако для VR-презентаций реальных и сложных объектов игровые движки подходят не идеально, поскольку создают хотя и предельно эффектную картинку, но слишком далекую от физических параметров объектов. Для таких задач лучший вариант − вторая категория VR-систем, предназначенных не только для развлечения и презентаций, но и для бизнес-задач, − ПО, создающее виртуальную сцену на основе реальных инженерных данных.
Как это работает? Например, необходимо эффектно представить будущий завод, который уже спроектирован в САПР-системе. Руководству или заказчикам не покажешь чертежи и электронные макеты со всеми подробностями. Им нужно презентовать проект с разных ракурсов, «полетать» вокруг или «заглянуть» внутрь будущего цеха так, как будто он уже существует.
Для этого берем реальные проектные данные будущего завода и преобразуем (конвертируем) их в объекты виртуального мира, покрывая соответствующими текстурами и добавляя реалистичное освещение. Это не быстро и довольно трудозатратно, но зато на выходе получаем очень красивый мир, похожий на реальный объект гораздо больше, чем просто нарисованный художником.
Главное − маневры
То же самое с виртуальными тренажерами. Зачем придумывать с нуля кабину управления железнодорожного локомотива, пассажирского самолета или пульт управления атомной станцией? Игровые движки здесь также могут пригодиться, но лучше подойдет реально спроектированная в САПР модель, возможно, ее придется упростить до нужного уровня и конвертировать инженерные данные в виртуальную сборку. Добавляем реалистичные текстуры и физику, задаем сценарии применения − и тренажер готов. Именно этим и занимается многочисленная армия профессиональных VR-движков второго типа из представленного выше списка. Надев VR-шлем или используя комнату виртуальной реальности, можно увидеть «реальное» оборудование и приборы.
Именно на тренажерах виртуальная реальность часто выходит за рамки индивидуального шлема, поскольку для обучающегося требуется предельная реалистичность окружения. Виртуальный мир за окном создается с помощью проектора или системы проекторов с разных сторон, а сами такие системы зачастую используют микс реальных приборов и виртуального окружения. Это может быть реальная кабина локомотива (рис. 1), у которой лобовое и боковые стекла заменяют экран с реалистичной обстановкой за ними. Экзаменуемый начинает движение состава, и окружающий пейзаж приходит в движение в соответствии с управляющими командами. Другой оператор, управляющий тренингом, может изменять время дня или года, а также моделировать препятствия по маршруту для проверки скорости реакции и навыков экзаменуемого.
Рис. 1. Обучение на тренажере
На таких тренажерах сегодня обучаются специалисты, прежде чем сесть за штурвал или заступить на ответственное дежурство, ведь здесь цена ошибки – человеческая жизнь, испорченное оборудование или техногенная катастрофа.
На кончике пера
Любопытно, что для некоторых задач красота виртуального мира отходит на второй план, уступая скорости и точности виртуальной модели. Для этого используется третий тип ПО, которое строит виртуальную сцену напрямую из CAD-моделей − без конвертации и удаления метаданных (рис. 2). Так, ПО от TechViz фактически перехватывает в компьютере OpenGL или DirectX поток, направляемый на видеокарту, и строит на его основе собственную виртуальную сцену в режиме реального времени. Построение VR-сцены таким образом происходит «на лету» и без «посредников», а в виртуальный мир попадают настоящие инженерные модели в том виде, как их задумал конструктор. Для многих задач это критически важно, особенно на стадии проектирования. Например, для моделирования процессов в условиях дефицита места и анализа зон обслуживания оборудования в отсеке подводной лодки или космическом корабле.
Рис. 2. Проектирование с помощью виртуальной реальности
До построения реального прототипа «в железе» виртуальная сборка позволяет быстро и наглядно примерить на себя компоновку и размещение оборудования, понять, насколько удобно его использовать и обслуживать: ведь что-то модифицировать и изменить в цифровой модели гораздо проще и дешевле, чем на более поздних стадиях физического макетирования. Таким образом, виртуальная реальность превращается из средства визуализации в рабочий инструмент инженера, расширяющий возможности системы проектирования до виртуального мира с создаваемым объектом в центре него.
Именно для инженерных применений VR чаще всего принято выходить за рамки индивидуального VR-шлема. Зачастую виртуальную обстановку вокруг оператора нужно смоделировать полностью. Для этого создаются целые комнаты, называемые VR-cave («виртуальная пещера» − рис. 3), где вместо стен, пола и потолка − специальные проекции, окружающие оператора со всех сторон. Каждую такую плоскость визуализирует отдельный проектор, которым управляет своя графическая карта, и все они должны быть точно синхронизированы между собой в глазах оператора.
Рис. 3. «Виртуальная пещера» для инженера
В «виртуальной пещере» инженер (или даже группа) может перемещаться в любом направлении, а виртуальный мир будет изменяться и подстраиваться под команды оператора, что обеспечивается специальной системой трекинга, с высокой точностью отслеживающей действия людей. Это могут быть специальный джойстик (flystick) с маркерами, перчатки с сенсорами, которыми можно очень точно нажимать на виртуальные кнопки в кабине или держать виртуальный инструмент, а может быть целый костюм с датчиками, который демонстрирует поведение оператора внутри виртуального мира.
Кроме того, для создания эффекта объема оператор надевает 3D-очки, как в кинотеатре (чаще всего использующие активную (затворную) технологию и рисующие отдельную картинку для правого и левого глаза). Тогда окружающий мир получает еще и объем в глазах пользователя, способствуя максимальному погружению в окружающую обстановку.
Такую систему очень удобно использовать для решения междисциплинарных коллизий и выявления ошибок проектирования, приемки технических решений либо совместного проектирования, поскольку в VR-комнате одновременно могут находиться несколько специалистов с разным взглядом и уровнем понимания. Виртуальная сборка позволяет быстро и наглядно погрузить их в единый контекст задачи.
Заключение
Применение виртуальной реальности сегодня очень разнообразно. Она позволяет человеку расширить границы возможного, взаимодействуя с виртуальными моделями объектов так, как будто они существуют в физическом мире. Многообразие самих виртуальных инструментов и подходов делает использование этой технологии более точной и целесообразной для решения конкретных задач.
