В начале 60-х американские ученые Сазерленд и Эванс продемонстрировали созданный ими индивидуальный достаточно громоздкий стереоскопический дисплей. Это были первые опыты зрительного погружения человека в синтезируемый компьютером геометрический мир. В те годы еще никто не говорил о "виртуальной реальности", словосочетание появилось гораздо позднее - в 1985 году и принадлежит Джерону Ланье.

Аттракцион в луна-парке: надев специальный костюм, человек отправляется в виртуальную среду, он ощущает себя птицей, парящей в небе.

Очки с жидкокристаллическими фильтрами позволяют видеть на экране компьютера объемное изображение.

Шлем-дисплей для погружения в виртуальную среду.

Устройство сенсорной перчатки ("дейта-глов").

Пожалуй, в истории человечества еще не было случая, чтобы первыми на какое-нибудь открытие или изобретение не положили глаз военные. Так случилось и с виртуальной реальностью. По крайней мере два десятилетия (примерно до середины 80-х) работы в этой области не особенно афишировались. Многое из того, что сегодня имеет отношение к виртуальной реальности, в своей существенной части есть побочный результат былых разработок по заказам военных ведомств США и Западной Европы.

Первыми потребителями систем виртуальной реальности были центры обучения пилотированию и вождению подвижных боевых средств: самолетов, вертолетов, танков и т. д. Эти системы позволяют воспроизводить большинство воздействий на человеческие органы чувств, например возникающие в полете на истребителе: воздействия на зрение человека, на его слух, вестибулярный аппарат, мышцы.

Приблизительно со второй половины 80-х годов уже достаточно окрепшая виртуальная реальность покидает стены засекреченных лабораторий, "выходит в мир" и постепенно начинает приносить прибыль. Сегодня в любом уважающем себя луна-парке вы найдете
аттракцион с виртуальной реальностью.

Существующие интерфейсные устройства (так правильно называется костюм "виртуанавта") можно разделить на две группы: для полного и для частичного погружения в виртуальную среду.

Устройства для полного погружения полностью изолируют глаза от внешнего мира, подменяя его двумя изображениями (они образуют стереопару), одновременно подаваемыми на левый и правый глаза. Их синтезирует компьютер в реальном времени и выводит на жидкокристаллические или электронно-лучевые дисплеи. Именно к устройствам для полного погружения относится шлем-дисплей, поскольку он закрепляется на голове пользователя. Так как комфортное расстояние между глазом и изображением составляет около полуметра, в шлемах применяются специальные оптические системы, чтобы имитировать это расстояние и при этом сделать шлем достаточно компактным. В наиболее совершенных моделях применяется растр изображения с числом элементов порядка 2000х1000 и большими углами обзора в горизонтальной плоскости.

Неотъемлемая часть интерфейсного устройства виртуальной реальности - система, которая использует инфракрасные, микроволновые, ультразвуковые датчики и непрерывно передает в компьютер информацию о мгновенном положении и ориентации головы пользователя. В свою очередь компьютер, располагая этой информацией, формирует изображение в нужном ракурсе так, что у человека создается полная иллюзия, что он, например, ходит вокруг неподвижного предмета, приближается к нему или удаляется от него, в то время как сам предмет остается на месте.

Почти всегда шлем-дисплей оснащается стереофонической системой с полным охватом звукового спектра. С высокой степенью адекватности имитируются положение и удаление источников звука, их спектры.

Реже шлемдисплейная система дополняется силовым жилетом. Это устройство имеет несколько сервоприводов, создающих небольшие, но убедительные нагрузки на мышцы туловища и рук оператора, имитирующие, например, нагрузки при поднятии и переворачивании тяжелого предмета, который человек видит перед собой.

Среди устройств взаимодействия с виртуальными объектами особое место занимают так называемые "дейта-гловы". В сущности, это перчатки (glove - по-английски и есть перчатка), снабженные датчиковой системой, регистрирующей перемещения предплечья и кисти руки. В наиболее совершенных системах регистрируются сгибания-разгибания суставов каждого пальца. Такие перчатки могут также оснащаться устройствами, передающими на нервные окончания пальцев раздражения (чаще всего используются пьезокристаллические вибраторы), похожие на прикосновения к поверхностям предметов, которые человек "берет в руки". Разработана сенсорная "обувь" для ног оператора, которая выглядит почти как обычные сапоги.

В технологии виртуальной реальности интерфейсные устройства, предназначенные для туловища и конечностей, принято объединять в группу так называемых биомеханических устройств. К этой группе можно также отнести агрегаты, воздействующие на вестибулярный аппарат человека. Они обычно представляют собой кабину-капсулу (иногда кресло), закрепляемую на карданных подвесах или каких-либо других механических системах, способных перемещать и вращать оператора с шестью степенями свободы. Такие аппараты чаще всего используются в летных и танковых тренажерах (в последнее время в аттракционах). Они способны с достаточной полнотой и силой вызвать ощущения, возникающие при движении самолета, автомобиля, танка и т. д. Разработаны системы для тренировок в видах спорта, требующих высокого развития вестибулярно-двигательных навыков. Известны разработки для тренировок горнолыжников, серфингистов и т. п.

В 1996 году в журнале "Бизнес Ньюс" было опубликовано краткое сообщение об опытном образце "ретинального дисплея". Это устройство интересно тем, что растр изображения, минуя промежуточный носитель (экран дисплея), рисуется лазерным лучом непосредственно на сетчатке глаза (сетчатка - ретина, лат.). Необходимо упомянуть также специальные системы слежения за вращениями глазных яблок (за так называемым саккадным движением глаз), которыми снабжаются наиболее совершенные шлемы-дисплеи. Такие системы с высокой частотой передают в компьютер информацию не только о мгновенном положении и ориентации головы, но и о мгновенном положении зрачка. В итоге изображение для каждого из глаз синтезируется с более полным учетом условий наблюдения, что еще больше усиливает иллюзию реалистичности.

Особая разновидность систем с полным погружением - так называемые "виртуальные комнаты". Это параллелепипед размером с небольшую комнату, стены, пол и потолок которого представляют собой экраны, на них проецируется изображение виртуальной среды. При этом непрерывно отслеживаются положение и ориентация головы оператора, а изображения среды проецируются на стены, пол и потолок с учетом этой информации. Кроме того, выводимые изображения подвергаются необходимым преобразованиям с учетом перспективы. Оператор снабжен очками, позволяющими ему видеть стереоскопическое изображение, и испытывает достаточно сильную иллюзию отсутствия стен комнаты и пребывания в искусственном пространстве. Системы такого рода используются в основном для изучения психофизиологии пребывания в виртуальной среде. Среди наиболее известных - система "Кейв" лаборатории виртуальной реальности Иллинойского университета.

Устройства с частичным погружением не изолируют глаза оператора от окружающего пространства. Оператор видит перед собой не только дисплей компьютера, на который выводится стереоскопическое изображение, но и все, что окружает этот дисплей. Однако на голове оператора закрепляются датчики, позволяющие компьютеру фиксировать изменение направления взгляда, удаление оператора от дисплея и корректировать выводимую на экран картинку так, что человеку кажется, будто он находится перед прозрачным окном в виртуальную среду.

Каким образом на экране дисплея удается наблюдать стереоизображение? Достаточно просто. Оператор смотрит на экран монитора через очки, в которых вместо стекол установлены управляемые жидкокристаллические фильтры (они называются затворами). Затвор может полностью перекрыть или открыть зрительное поле глаза, в зависимости от сигнала, посылаемого компьютером на микросхему, управляющую состоянием затвора. Синхронно с этими сигналами на экран монитора попеременно выводятся изображения стереопары, которые видит по очереди то левый, то правый глаз (так как по очереди открываются и закрываются затворы). Когда частота переключений затворов и частота вывода полей стереопары на экран достаточно высока (примерно от 30 Гц и выше), возникает ощущение объемности изображения. При комфортных частотах (от 120 Гц и выше) у оператора не возникает никакого утомления.

См. в номере на ту же тему

А. ТОМИЛИН, В. АФАНАСЬЕВ - Виртуальная реальность.

Д. УСЕНКОВ - Компьютерная магия.

Рефераты.

В. СЕМЕНОВ, С. МОРОЗОВ, О. ТАРЛАПАН - Красочная жизнь сухих формул.

№2, 1999