МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Воронезька ІНСТИТУТ ВИСОКИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Факультет заочно-післявузівської навчання

Контрольна робота № 1

З дисципліни : "Архітектура ЕОМ та систем"

На тему: "Системи віртуальної реальності"

| | |
| | |
| | |
| | |
| | |

Воронеж 2003 г.

Системи віртуальної реальності

З екранів телевізорів, зі сторінок комп'ютерної та некомп'ютернимпреси все частіше чується словосполучення "віртуальна реальність". Що жховається під цим модним сьогодні словом?

У першу чергу мається на увазі тривимірне, об'ємне зображення (ввідміну від псевдотрехмерной графіки на площині) і тривимірний звук.
Проте повною мірою відчути всю принадність віртуальної реальності можнатільки за наявності таких елементів, як детектори переміщення, що дозволяютьвідслідковувати зміни положення користувача у зв'язці із зображенням наекрані монітора і датчики, які фіксують дії користувача. До недавньогочасу такі системи можна було побачити лише в найбільших в світі ігровихцентрах, а вартість їх перевищувала всі мислимі значення. Але все змінюється всучасному світі комп'ютерної техніки, і в результаті постійного зниженняцін на комп'ютерне обладнання такі системи стають доступними ірядовим користувачам настільних комп'ютерів. Більше того, все частішевиробники та ігрового програмного забезпечення, і бізнес - додатківвбудовують підтримку віртуальної реальності в свої системи. А з середини
1995 з'явилися фірми, що спеціалізуються на випуску такогопрограмного забезпечення.

Системи віртуальної реальності в поєднанні з ПК широко використовуютьсязараз для розваг. Вони являють собою різні більш-меншскладні пристрої, що реагують на рухи користувача. Якщо кількапрацюючих систем віртуальної реальності поєднати, утвориться такзване загальне кіберпростір, де користувачі можуть зустріти одинодного. Система відслідковування рухів голови дозволяє вам кинути погляд убудь-яку сторону кіберпростору. А що в цьому просторі можна робити іщо з вами станеться - залежить від прикладної програми.
Деякі високоякісні системи віртуальної реальності використовуютьспеціальні маніпулятори, подібні миші і джойстика, пересування якоговгору і вниз інтерпретується датчиками як рух користувача вперед ітому. Це пристрої дають додаткову можливість пересування ввіртуальної реальності. Елітарні системи віртуальної реальностіпропонують також стереоскопічні 3D - зображення та стереозвук, а такожможливість спілкуватися з іншими користувачами в єдиному кіберпросторі здопомогою вбудованих мікрофонів. Сьогодні найкращі аркадні відеоігрипідтримують віртуальну реальність, що дозволяє гравцям боротися не згенеруються програмою супротивником, а один з одним.

Предметний світ, що оточує нас - тривимірний. Наші очі сприймаютьоб'єкти під різними кутами: два незалежних зображення аналізуютьсямозком, і в результаті їх зіставлення формується образ предмета, йогоознаки і глибина зображення. Відстань між очима людини зазвичайстановить 6-7 см, і коли зіниці зосереджуються на предметі, лівий іправе око фокусуються в цьому напрямку. У залежності від відстані дооб'єкта кут огляду змінюється. Наші очі і мозок аналізують відстань,грунтуючись на відмінності між зображеннями, які отримуються лівим і правимоком. Це розходження називають паралакс зору. Саме за допомогою цьогоефекту і створюються тривимірні, об'ємні зображення.

Всі системи подібного роду в своїй основі мають кілька головнихпринципів отримання 3D - зображень:

Метод фільтрації кольору.

Ефект 3D досягається за рахунок того, що синій колір, що спостерігається черезчервоний фільтр тієї ж глибини кольоровості, невидимий, а при перегляді черезсиній фільтр здається чорним, таким чином, розмістивши перед одним окомсиній, а перед іншим червоний фільтр, під час перегляду зображення,закодованого відповідним чином, за рахунок світлового заломлення,можна створити ілюзію 3D. Такий метод дуже незручний, тому що сильностомлює очі і нормальна передача кольору все ж таки не забезпечується.

Метод паралакса.

Перед одним оком міститься прозорий, а перед іншим практичночорний фільтр. Ефект 3D виявляється тільки при спостереженні за рухомимиоб'єктами. В основі створюваної ілюзії лежить різниця в часірозпізнавання зображення кожним оком через чорний і прозорий фільтри.
Для статичних зображень цей метод не підходить.

Метод затвора ( "Чарівні окуляри ").

Цей принцип полягає у формуванні зображення по черзі для лівогоі правого ока. Щоб у потрібний момент картинка потрапляла тільки на сітківкувідповідного очі, необхідно якимсь чином синхронізуватизображення з пристроєм "шторки", що закриває друге око. Для цієї метивикористовується швидкісна LCD - затворна лінза, керована платоюсинхронізації, одна з головних труднощів на цьому шляху - невисока частотавертикальної розгортки моніторів. Лише нещодавно було досягнуто прийнятнийрівень для одинарного зображення, при якому не втомлюються очі - близько 100
Гц. Використання моніторів для 3D - зображення пред'являє особливожорсткі вимоги до розгортці - від 150 до 300 Гц. Останньому значеннямзадовольняють лише найдорожчі моделі.

За допомогою цих моделей виходить досить виразне зображення зчастотою 60 Гц (при частоті розгортки монітора 120 Гц). Однак, ввнаслідок значного миготіння зображення у таких пристроях, очідосить швидко втомлюються. Крім того, з деякими (не найгіршими) відеокартами правильно налаштувати очки буває непросто.

Метод роздільного формування зображень.

Принцип, на якому побудовані найбільш відомі пристрої
"віртуальна реальність - шоломи", полягає в побудові зображеннябезпосередньо на кольоровий LCD - матриці шолома або очок. Для розробниківі виробників пристроїв, які використовують таку схему, основна проблема --добитися високого дозволу. Якщо сучасні монітори легко працюють зроздільною здатністю 1024х768 пікселів, то використовувані LCD - матриці ледь сягаєеквівалентного дозволу 200х300 пікселів. Для згладжування зображення інодізастосовуються фільтри, але, як правило, вони тільки розмивають зображення. Крімтого, висока вартість LCD - матриць робить ці пристрої більш дорогими.
Велике значення для комфортності застосування має ергономічністьконструкції ВР - шоломів. Можливість регулювати ремені, що закріплюють шоломна голові і збалансованість ваги самого шолома вкрай важливі для зручностіпри тривалому перебуванні в кіберпросторі.

Шолом має два режими: режим "повного занурення" і
"напівпрозорий" режим, який дозволяє робити зображення напівпрозоримі працювати, дивлячись крізь нього. Обидва ці режиму можуть підтримувати дозвіл
640х480 пікселів при 16 кольорах і 320х200 при 256. Дисплеї шолома проектуютьзображення таким чином, що в користувача створюється враження, якніби він дивиться на 80-дюймовий екран, розташований приблизно за три метривід нього. Цього ефекту вдалося домогтися за рахунок того, що лінзи в ціймоделі знаходяться на великій відстані від очей, тому за інших рівнихумовах значно знижується стомлюваність і навантаження на них. Вхіднийсигнал для цього пристрою повинен бути в стандарті NTSC, тому дляпідключення до комп'ютера використовується конвертор SVGA - NTSC. З іншогобоку, використання цього стандарту дозволяє без проблем переглядативідеофільми.

Велике значення для створення ефектною ілюзії знаходження ввіртуальному просторі має звуковий супровід. Сучасний рівеньрозвитку звукового комп'ютерного супроводу дозволяє говорити, що всінеобхідне для систем віртуальної реальності вже існує. Різнізвукові ефекти, раніше зустрічалися тільки в професійномуапаратурі, поступово стають обов'язковим атрибутом комп'ютернихзвукових плат. Наприклад, багато звукові карти вже використовують систему 3D --звуку, яка відрізняється від звичайного стерео - звучання тим, що звукзнаходить таку характеристику, як глибина.

У більшості систем візуалізації 3D - зображень передбаченаможливість підключення вже наявної звукової карти.

Детектори переміщення і маніпулятори.

Детектори переміщення - це пристрої, що дозволяють відслідковуватизміни положення користувача і погоджувати його з зображенням намоніторі. Крім того, існують різні пристрої - рукавички і датчики,фіксують усі дії користувача. Однак ці пристрої не отрималиширокого поширення через досить високу ціну - від сотень додекількох десятків тисяч доларів. Усі детектори потребують значнобільш потужної обчислювальної техніки, і їх застосування виправдано тільки вразі використання всього комплексу засобів 3D.

Безумовно, основною перевагою віртуальної реальності єможливість створення абсолютно будь-якого світу, в якому можна вільнопересуватися, спілкуватися і навіть отримувати які-небудь відчуття. Вже заразведуться розробки систем віртуальної реальності для використання впромисловості. Промислові системи віртуальної реальності засновані на тихж компоненти, що застосовуються і в індустрії розваг, але з підвищенимивимогами до деталей, швидкості і кількості. До того ж вони доповненітакими периферійними пристроями, як сенсорні рукавички, що дозволяють якб стосуватися об'єктів, що зустрічаються у віртуальному просторі,маніпулювати ними і брати в руки. Іноді застосовуються ще й спеціальніжилети, що викликають відчуття безпосередньо в тілі користувача при йоговзаємодії з об'єктами кіберпростору. За допомогою досить складногопрограмного забезпечення користувач може спроектувати новий будинок іпотім прогулятися всередині, щоб переконатися, що всі сходи, меблі таобладнання на місці і розташовані саме так, як йому подобається. Помітившинепорядок, можна прямо тут, у віртуальному просторі переставити все посвій розсуд. Або, спроектувавши новий автомобіль, забратися ввіртуальну кабіну, покрутити кермо і натискати на педалі, перевіряючи у справісвій проект. Відразу ж вносячи удосконалення в модель, ви досягнетемаксимального комфорту в майбутньому автомобілі. До власного задоволенняможна буде створити свій світ і не виходячи з дому, опинитися на березітеплого моря, та не поодинці, а з мережевим приятелем. Впливаючи на нашінервові закінчення, електричні імпульси здатні викликати певнівідчуття: знімати або підсилювати біль, створювати ілюзію руху, тискуі т. п. Властивості віртуальної реальності в майбутньому цілком можуть бутивикористані для тренування наших розумових здібностей. Досконалісистеми віртуальної реальності зможуть завдяки спеціальним датчиків ісимуляторам, вмонтованим в шолом і костюми віртуальної реальності,керувати нашими відчуттями, і ці відчуття, доповнені високохудожньоїстереоскопічною графікою, створять досконалу ілюзію світу, у якийзахочеться потрапити. Перспективи застосування віртуальної реальностібезмежні, наприклад, можна створити збільшену модель атома, щобподивитися, як він виглядає насправді, можна за допомогою віртуальноїреальності робити роботу з яких - небудь причин небезпечну для людини --всю роботу людина буде виконувати у віртуальній реальності, а йогоруху будуть дублюватися роботом, який знаходиться в реальнихумовах. Можна навести ще безліч прикладів застосування віртуальноїреальності. Але чи все йде так гладко, як хотілося б?

По-перше, до цих пір ще не вдалося створити дешеву і ефективнусистему для використання віртуальної реальності. Всі системи, що дозволяютьстворити хоч якусь подобу віртуальної реальності, які включають всебе сенсорні рукавички або навіть цілі костюми для подорожі повіртуального світу, коштують надто дорого. Крім технічних недоліків,є й інші фактори, що впливають на поширення систем віртуальноїреальності. Так, до цих пір не ясно, який вплив справляють ці системи наздоров'я - зокрема, на зір. Справа в тому, що очні м'язи нездатні тривалий час перебуває в напруженні. Тим не менш, саме цеі відбувається під час сеансу віртуальної реальності. В іншому випадкуока швидко втомлюються, очні м'язи послаблюються, в результаті чоговідбувається швидке погіршення зору. Однак найчастіше супротивникамивіртуальної реальності висловлюються побоювання на рахунок психічного здоров'япри застосуванні систем віртуальної реальності. Справа в тому, що людськапсихіка найбільше піддається впливу, коли людина на чомусьзосереджений, що і відбувається під час сеансу віртуальної реальності.
Людина, що сидить за нової тривимірної іграшкою, занурений в екран ічує звуки тільки свого Sound Blaster'а, є ідеальним об'єктомдля психогенного впливу. У такому стані на людину можнавпливати будь-якими методами - в тому числі за допомогою світлових та звуковихкомбінацій.

Сьогодні комп'ютери - вже не просто обчислювальні засоби. Вониможуть запропонувати нам новий світ, створивши ілюзію, причому досконалу, за все,що ми знаємо, торкаємося і відчуваємо. Хвилюють слова "віртуальнареальність ", поза всяким сумнівом, символізують поява нового стандартукомп'ютерів на рубежі XXII століття. Кінцева мета ВР - дати нам можливістьвідчувати, бачити, працювати і жити усередині світу, що є ні чим іншимяк досконалої імітацією. Поки що тренажери для льотчиків, можливо,кращий приклад "серйозного" застосування систем ВР, але це лише натяк на те,що будуть представляти собою системи ВР в майбутньому.

Уявна реальність може стати наркотиком XXI століття. Наркотиком,який поневолить людей швидше, ніж всі досі відомі, адже світ,представлений віртуальною реальністю, набагато привабливіші того, що вдійсності оточує нас.

Навколо систем віртуальної реальності належить ще багато суперечок. Інеобхідно насамперед зважити всі "за" і "проти", перш ніж прийнятиостаточне рішення, застосовувати такі системи на практиці чи ні. А тимЗгодом люди різного віку грають в ігри з допомогою шоломіввіртуальної реальності. Можливо, через кілька років все спілкування будездійснюватися у віртуальному світі, і не треба буде трястися в автобусі,щоб з'їздити до одного в гості - необхідно буде лише надягти шолом абокостюм і зануритися у віртуальний світ. І хто знає, добре це чи погано.