Введение
Последние десятилетия ознаменовались развитием компьютера как инструмента практически во всех областях человеческой деятельности. Одной из причин такого развития стало внедрение удобных для человека интерфейсов, которые сделали компьютеры простыми в использовании и обучении. Наиболее успешной парадигмой пользовательского интерфейса до сих пор была метафора рабочего стола Xerox Parc, популяризированная среди пользователей компьютеров Macintosh. Графические пользовательские интерфейсы, основанные на метафоре рабочего стола, можно рассматривать как ограниченную форму виртуальной среды, которая упрощает взаимодействие человека и машины, создавая осязаемую, конкретную иллюзию для пользователей манипулировать реальными физическими объектами, расположенными на столе.
Исследования виртуальной реальности, исходя из того, что люди хорошо подготовлены к взаимодействию с миром, в котором они живут, должны стремиться к тому, чтобы пользователи взаимодействовали с виртуальными мирами так же, как они взаимодействуют с реальными мирами, что делает задачу взаимодействия гораздо более естественной и сокращает обучение [1]. Таким образом, потенциал систем виртуальной реальности как более интуитивной метафоры взаимодействия человека и машины огромен, поскольку пользователь может использовать свои существующие когнитивные и моторные навыки для взаимодействия с миром в различных сенсорных модальностях.
С эволюционной точки зрения виртуальная реальность рассматривается как способ преодоления ограничений стандартных человеко-компьютерных интерфейсов; с революционной точки зрения технология виртуальной реальности открывает двери для новых типов приложений, которые используют возможности, предлагаемые симуляцией присутствия.
1. История
В конце 1960-х и 1970-х годов исследования по целому ряду направлений сформировали основу виртуальной реальности в том виде, в каком она предстает сегодня (например, головные дисплеи, проекционная виртуальная реальность). Виртуальные среды существовали еще до того, как была изобретена симуляция телеуправления. Однако технология отображения в этих случаях обычно устанавливалась на панели, а не на голове. В середине 1980-х годов различные технологии, позволившие разработать виртуальную реальность, сошлись воедино, чтобы создать первые настоящие системы виртуальной реальности. В Массачусетском технологическом институте в начале 1980-х годов было разработано ограниченное трехмерное виртуальное рабочее пространство, в котором пользователь интерактивно манипулирует трехмерными графическими объектами, пространственно соответствующими положению руки [2].
В 1984 году НАСА запустило проект VIVED (Virtual Visual Environment Display), а затем проект VIEW (Virtual Interactive Environment Workstation). Как описано в Fisher et al., целью исследований в NASA Ames была разработка многоцелевого мультимодального интерфейса оператора для облегчения естественного взаимодействия со сложными оперативными задачами и повышения осведомленности оператора о крупномасштабных автономных интегрированных системах. Прикладными областями, на которых сосредоточился НАСА Эймс, были контроль телеприсутствия, надзор и управление крупномасштабными информационными системами и поиск человеческого фактора. Несмотря на то, что исследования НАСА заинтересовали исследователей, виртуальная реальность не была представлена широкой публике до 6 июня 1989 года на двух выставках VPL Research и Autodesk, двух компаний, которые участвовали в проектах НАСА. Обе компании представили устройства и головные дисплеи для взаимодействия с виртуальными мирами.
2. Требования к приложениям виртуальной реальности
Цель виртуальной реальности состоит в том, чтобы поместить пользователя в цикл симуляции реального времени, погрузив его в мир, который может быть как автономным, так и отзывчивым на его действия.
Требования к приложениям виртуальной реальности определяются путем анализа потребностей в терминах входных и выходных каналов для симулятора виртуального мира [3].
2.1. Ввод данных пользователем
Входные каналы приложения виртуальной реальности-это те, с помощью которых люди излучают информацию и взаимодействуют с окружающей средой. Мы взаимодействуем с миром в основном посредством передвижения и манипуляций, и мы сообщаем информацию в основном с помощью голоса, жестов и мимики.
Жестовая коммуникация, а также локомоция делают желательным полный анализ движения тела, в то время как вербальная коммуникация с компьютером или другими пользователями делает голосовой ввод важным вариантом. Как говорится в Докладе Национального исследовательского совета США 1995 года о виртуальной реальности,поскольку люди составляют существенный компонент всех систем [синтетической среды] (SE), существует очень мало областей знаний о человеческом поведении, которые не имеют отношения к проектированию, использованию и оценке этих систем.
Однако для практических целей можно ограничить ввод пользователя несколькими выбранными каналами. Поскольку рука имеет гораздо больше степеней свободы, сосредоточенных в небольшой области, чем любая другая часть тела, отслеживание движения руки достаточно для большинства применений. Более того, тот факт, что рука является нашим привилегированным инструментом манипулирования, делает отслеживание движения руки важным входным сигналом для взаимодействия с виртуальными мирами.
3. Перспективы и направления развития
Виртуальная реальность-это больше, чем просто взаимодействие с 3D-мирами. Предлагая пользователям имитацию присутствия в качестве метафоры интерфейса, он позволяет операторам выполнять задачи в удаленных реальных мирах, компьютерных мирах или любой их комбинации. Моделируемый мир не обязательно должен подчиняться естественным законам поведения. Такое утверждение делает почти каждую область человеческой деятельности кандидатом на применение виртуальной реальности. Тем не менее, мы можем определить некоторые области применения, преимущества которых более просты, чем другие. Ниже приводится краткое изложение наиболее важных из них.
3.1. Виртуальное прототипирование
Решения, принимаемые на этапе проектирования крупномасштабных инженерных проектов, часто являются самыми деликатными из-за их возможного драматического влияния на конечные результаты, сроки и затраты [4]. Макеты обычно используются для таких применений, как интеграция испытательного оборудования, доступность и требования к пространству в различных областях-от аэрокосмического и автомобильного производства до архитектуры. Виртуальное прототипирование позволяет дизайнерам тестировать и совершенствовать свой дизайн так же, как при использовании физических макетов, но лучше, раньше и с большими возможностями для многосайтового сотрудничества.
Естественное взаимодействие с цифровыми макетами очень важно, особенно для целей тестирования. В попытке преодолеть существующие ограничения взаимодействия САПР и параллельного проектирования крупные инженерные проекты часто сопровождались разработкой различных видов специализированных инструментов виртуального прототипирования.
Заключение
Технология виртуальной среды развивалась в течение длительного периода времени и предлагала пользователям симуляцию присутствия в качестве метафоры интерфейса к синтезу - размерный мир стал исследовательской повесткой дня для растущего сообщества исследователей и отраслей промышленности. За последние несколько лет были достигнуты значительные успехи, и мы можем, наконец, сказать, что виртуальная реальность здесь, и она здесь останется. Все больше и больше исследований демонстрируют его полезность как с эволюционной точки зрения обеспечения лучшего пользовательского интерфейса, так и с революционной точки зрения обеспечения ранее невозможных приложений. Примерами областей применения, которые выиграли от технологии VR, являются виртуальное прототипирование, моделирование и обучение, телеприсутствие и телеоперация, а также дополненная реальность. Виртуальная реальность, таким образом, наконец-то начала смещаться от чисто теоретического к практическому.
Тем не менее, написание профессиональных приложений виртуальной реальности остается неизбежно сложной задачей, поскольку она включает в себя создание программной системы со строгими ограничениями по качеству и срокам, продиктованными человеческим фактором. Учитывая цели виртуальной реальности, эта сложность, вероятно, будет всегда.