О виртуальной реальности человечество мечтает уже много десятилетий. Еще в шестидесятые годы многочисленные писатели-фантасты задумывались о возможности создания имитирующего привычную нам реальность мира, полностью "придуманного" компьютерами. Однако и первые, сегодня уже кажущиеся наивными и смешными художественные произведения, описывающие "виртуальность", подобные повести Лино Алдани "Оринофильм", и современные фантастические романы на ту же тематику, такие как "Лабиринт Отражений" и "Фальшивые Зеркала" объединяет одна общая черта: фигурирующий в них электронный мир является, увы, всего лишь выдумкой авторов этих новелл. Тем не менее, любители современной литературы твердо убеждены в том, что фантастика - всего лишь еще одно измерение реальности. Означает ли это, что описываемые в столь популярных среди российских читателей произведениях технологии существуют на самом деле? Да, безусловно, это так.
В отличие от писателей, ученые подходят к вопросу создания виртуальной реальности с иной, а именно - с практической точки зрения. На сегодняшний день реальное появление и широкое распространение электронного мира "спотыкается" всего лишь о две технологические трудности: обеспечение передачи пользователю стереоскопических фрактальных изображений высокого качества и организация надежного двустороннего канала связи между периферийным оборудованием, применяющемся для обеспечения "эффекта присутствия" человека в виртуальной реальности, и самим компьютером, эту реальность создающим. Давайте рассмотрим обе этих проблемы более подробно.
Графика
Трудности, возникающие при передаче видеоизображений, с которыми сталкивались разработчики виртуального мира еще несколько лет назад, теперь уже практически решены. О технологическом оборудовании, позволяющем транслировать на экраны виртуального шлема или "электронных очков" независимые картинки для левого и правого глаза, размещаемые под разными углами к пользователю и имитирующими таким образом особенности реального человеческого зрения, было достаточно много сказано в "Магии ПК" N1/2001. Как уже упоминалось в этом материале, такое изображение должно быть не просто стереоскопическим: необходимо обеспечить соответствующее изменение "панорамы" при повороте или наклоне головы пользователя, скашивании глаз, увеличении или уменьшении освещенности. Специальные датчики, вмонтированные в шлем, фиксируют перемещение головы оператора, другие датчики отслеживают движения зрачков, существуют технологии, позволяющие транслировать картинку виртуального мира не на жидкокристаллические экраны, расположенные перед лицом пользователя, а непосредственно на сетчатку его глаза. Однако и здесь не обошлось без трудностей. Очевидно, что многие люди обладают различными врожденными, либо благоприобретенными дефектами зрения, такими как близорукость, дальнозоркость или косоглазие. Именно этим фактором, не позволявшим вынести "виртуальность" в массы, до недавнего времени тормозился прогресс эволюции "виртуальных видеотехнологий": пользователи с плохим зрением просто не увидят изображения, транслируемого на экраны виртуального шлема, а использование очков или контактных линз, искажающих распространение световых волн между экранами и человеческим глазом, в большинстве случаев только ухудшало дело. Однако с возникновением аппаратных средств, позволяющих передавать изображение на сетчатку глаза, эту трудность удалось обойти: индивидуальные особенности зрения легко компенсируются изменением фокусировки светового луча, которую можно без труда откалибровать под каждого конкретного потребителя. Вероятно, именно эта технология станет в будущем доминирующей на рынке периферийных устройств для путешествий в виртуальные миры.
Помимо "сферичности" картинки, которую должен получать пользователь виртуальной технологии, данное изображение должно быть фрактальным. Это означает, что при "приближении" какого-либо предмета к зрителю должна увеличиваться его детализация, компьютеру необходимо в подробностях прорисовать все мелкие, неразличимые издалека элементы объекта, текстуру материала, игру света и тени на его поверхности в зависимости от расположения источников света. Без этого зритель не "поверит" в виртуальный мир, окружающее пространство останется для него условной абстракцией, подобной примитивной компьютерной анимации середины восьмидесятых годов прошлого века. Виртуальное пространство в трехмерной проекции не заложено в память машины, а "обсчитывается" компьютером "на лету" согласно заранее введенным программистами алгоритмам, описывающим физические законы реального мира, такие как законы отражения, поглощения и преломления света различными материалами, или эффекты, которые может оказывать на предмет какое-либо динамическое воздействие. Например, машина самостоятельно вычислит траектории разлета осколков виртуального стекла известной толщины, в которое запустили летящим с известной скоростью виртуальным булыжником заданной массы. Компьютеру останется лишь изобразить полет этих осколков с достаточной степенью достоверности, а конструкторам виртуального мира - изначально расставить соответствующие предметы на существующем только в памяти машины "полигоне". Методики обсчета фрактальных изображений уже сейчас широко используются в многочисленных 3D - играх, причем качество работы математического аппарата подобных программ эволюционирует год от года: вполне достаточно вспомнить примитивные автомобильные гонки образца 1995 года и нынешние гоночные симуляторы, в котором весьма правдоподобно отображается грязь, налипшая на стекло автомобиля и подробно прорисовываются полученные им от ударов о встретившиеся на трассе столбы вмятины. Для получения достаточных для имитации реальности фрактальных изображений уже сейчас вполне хватает ресурсов среднего домашнего компьютера. Аудиосистемы современных "персоналок" также находятся на весьма высоком уровне развития, позволяющем передавать в наушники виртуального шлема стерео или даже квадрозвук с цифровым качеством. Иными словами, технические проблемы, связанные с визуальным представлением "виртуальности", на практике решены уже сейчас. Однако одним лишь "сферическим видеорядом" электронное пространство отнюдь не ограничивается.
Виртуальный костюм
Технологии передачи пользователю виртуальной реальности тактильных ощущений, то есть ощущений от соприкосновения с окружающими предметами, можно условно разделить на две категории. И в том, и в другом случае подобные устройства являются двунаправленным преобразователем информации: они не только передают компьютеру непрерывный поток данных о перемещениях и движениях оператора, но и воздействуют на его органы чувств, демонстрируя таким образом реакцию окружающего мира на его действия. Разница заключается лишь в технологических принципах, заложенных в тот или иной аппаратный комплекс, используемый "обитателем" виртуального мира.
Обычно виртуальный костюм имеет двухслойную структуру: наружный слой изготавливается из мягкого эластичного материала и выполняет исключительно защитную функцию, предохраняя хрупкую электронную "начинку" от случайных повреждений. "Подкладка" производится из металлизированной ткани, имеющей целый ряд специальных физических свойств: например, существуют технологии, благодаря которым "вплетенные" в ткань металлические нити изменяют свою жесткость в зависимости от прикладываемого к ним электрического напряжения. Таким образом можно передавать пользователю тактильные ощущения от взаимодействия с объектами виртуальной реальности: облаченный в подобный костюм человек почувствует соприкосновение с нарисованным компьютером монстром или упавшей на него бетонной плитой.
Отдельную часть данного аппаратного комплекса составляют датчики, определяющие положение тела человека в пространстве. Давайте кратко рассмотрим принцип их действия на примере достаточно сложного устройства, являющегося составной частью виртуального костюма, а именно - так называемой "интерфейс-перчатки". Данная технология была предложена еще в середине восьмидесятых годов двадцатого века американскими специалистами и на настоящий момент не претерпела существенных изменений. Итак, положение руки в пространстве определяется так называемым датчиком абсолютного положения и ориентации - подобные датчики, вмонтированные в "опорные точки" виртуального костюма, позволяют фиксировать и передавать компьютеру информацию о движениях пользователя, вычисляемую по изменению углов между сегментами его скелета. Специальная программа "привязывает" полученные от костюма данные к некой системе абсолютных координат и, анализируя произошедшие в каждый момент времени изменения согласно заложенному разработчиками алгоритму, отправляет обратно сигналы, определяющие реакцию окружающей среды на действия оператора. Вдоль пальцев перчатки протянуты тонкие световоды, закрепленные на эластичных направляющих. Сгибая палец, пользователь сгибает и световод, специальные датчики фиксируют изменение энергии направленного по оптическому волокну импульса света и отсылают полученное значение на вшитую в район запястья интерфейсную плату, которая, в освою очередь, перенаправляет эту информацию компьютеру. Другие датчики отслеживают изменения значения угла между пальцами кисти, тактильные датчики реагируют на нажатие и фиксируют прикосновение оператора к различным физическим предметам. Интерфейсная плата, выполняющая роль "коллектора информации", собирает все эти сведения в единый непрерывный поток данных, который по соответствующей магистрали через порт ЭВМ отсылается управляющей виртуальной реальностью программе.
Другая технология, разработанная московскими изобретателями - братьями Латыповыми, позволяет "привязывать" данные о положении тела пользователя не к абстрактной системе абсолютных координат, а к опорным направлениям геомагнитного и гравитационного полей Земли, вычисляемым с помощью электромагнитного компаса и "датчика вертикали". Такой подход позволяет работать с виртуальным костюмом не только в каком-то ограниченном объеме пространства, "знакомого" управляющей программе, но и практически в любом помещении или даже на открытом воздухе.
Виртуальные костюмы, оснащенные системой датчиков, могут применяться не только для развлечений и игр. С помощью подобных аппаратно-программных комплексов западные киностудии оцифровывают движения созданных компьютером персонажей, делая их более плавными и естественными, данные технологии могут применяться и в обучающих комплексах, действующих в интерактивном режиме и "поправляющих" допустившего ошибку оператора, например, в процессе освоения движений при игре в теннис или управлении вертолетом. Интерфейс-перчатки открывают возможность управлять операционной системой компьютера не только при помощи мыши, но и жестами, использовать так называемую "виртуальную клавиатуру" с произвольным набором, размером и формой клавиш, адаптированными под вкусы и потребности каждого человека. И, безусловно, дальнейшее развитие подобных систем приблизит пока еще весьма абстрактное понятие "виртуальная реальность" к каждому пользователю, в конце концов сделав эту перспективную область информационных технологий таким же обыденным и распространенным явлением как, например, цифровые видео- и фотокамеры или Интернет.
