Федеральное агентство по образованию РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Уральский государственный университет им. А.М.Горького
Математико-механический факультет
Кафедра информатики и процессов управления
Исследование и анализ сред виртуальной реальности, используемых в системах компьютерной визуализации
"Допущен к защите"
___________________
"___"____________2010 г.
|
|
Дипломная работа
магистранта II курса
Щербинина Александра Александровича
Научный руководитель :
Авербух Владимир Лазаревич
ИММ УрО РАН, заведующий сектором,
кандидат технических наук
|
Екатеринбург
2010
РЕФЕРАТ
Щербинин А. А., Исследование и анализ сред виртуальной реальности, используемых в системах компьютерной визуализации, дипломная работа.
Ключевые слова: КОМПЬЮТЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ, ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ, СРЕДА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ, ПРИСУТСТВИЕ, ПОГРУЖЕНИЕ.
Работа посвящена исследованию и сравнительному анализу сред виртуальной реальности в связи с проектирование и разработкой систем компьютерной визуализации, предназначенных для представления больших и очень больших объемов информации, генерируемых при супервычислениях. В ходе работы будет реализован набор программных инструментов исследования и анализа. В качестве одного из результатов работы предполагается создание методик и описание некоторых принципов проектирования мощных средств визуализации на базе виртуальной реальности.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………4
Виртуальная реальность……………………………………………………7
Аппаратное обеспечение исследования………………………………….18
Подготовка эксперимента…………………………………………………20
Результаты пилотного исследования……………………………………..29
Результаты основного исследования……………………………………..37
Дальнейшая перспектива исследования…………………………………48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………50
Список литературы……………………………………………………….. 51
ПРИЛОЖЕНИЕ 1…………………………………………………………54
ВВЕДЕНИЕ
Резкое возрастание объемов вычислений, связанное с использованием параллельных и распределенных вычислений, естественно приводит к необходимости дальнейшей обработки, анализа и интерпретации все большего и большего количества данных. Эти этапы компьютерного моделирования обеспечивает научная и информационная визуализация.
Визуализация - это процесс формирования ментальной модели данных, посредством чего обеспечивается представление о их внутренней структуре. Задача информационной визуализации - представление и выявление (возможно скрытых) взаимоотношений, структур и отдельных характеристик изучаемых данных.
"Процесс визуализации можно рассматривать как построение визуального (геометрического) образа на основании абстрактных представлений об объекте. Эти абстрактные представления есть модель (исследуемого объекта, явления, или процесса), как-то связываемая с имеющимся у пользователя когнитивными структурами, описывающими данную сущность. Визуальные образы, представляющие моделируемую сущность, служат для того, чтобы создать или восстановить по нему когнитивные структуры. Цель исследований в области визуализации состоит в создании таких методик и принципов, которые обеспечат восстановление по визуальным образам адекватных когнитивных структур. Порождение когнитивных структур по визуальным образам и есть процесс интерпретации. Этот процесс является обратным или, точнее, двойственным визуализации. Аналогично принципам визуализации, существуют принципы, на которых базируется интерпретация.)"
Таким образом, наша задача при разработке системы визуализации — облегчить работу пользователя по анализу и интерпретации полученных в результате моделирования данных. Особенно это важно в системах, разработанных для визуализации больших и сверхбольших объемов данных, поскольку это возлагает еще большую нагрузку на пользователя, и, переложив часть ее на систему визуализации (за счет подбора адекватных средств отображения, удобного интерфейса и построения визуальных образов, максимально соответствующих ментальной модели пользователя), мы сможем повысить эффективность работы пользователей, а также снизить требования, предъявляемые к пользователям и расширить их круг.
Среды виртуальной реальности потенциально могут быть использованы для подобной визуализации, однако до сих пор крайне неясным остается вопрос, насколько эффективно их применение. Зачастую не учитывается влияние присутствия как фактора, влияющего на качество работы пользователей, да и на самих пользователей, поскольку в большинстве работ на эту тематику не учтены многочисленные психологические факторы, которые, наряду с техническими и физиологическими факторами, влияют на работу пользователей в виртуальных средах. На наш взгляд, именно в этом кроется одна из причин такой низкой исследованности и наличия «белых пятен», несмотря на то, что сами технологии доступны уже более 20 лет.
Можно поставить вопрос и более радикально - насколько эффективно пользователь таких систем может проводить интерактивную интерпретацию данных, при этом нормально ориентируясь в виртуальном пространстве и осознанно управляя перемещением в нем. Нужны эксперименты, выявляющие возможности пользователя по работе в средах виртуальной реальности и сравнению эффективности этой работы с аналогичной деятельностью в рамках систем визуализации на базе “традиционной” компьютерной графики.
Именно поэтому нами при поддержке психологов была предпринята попытка осуществить качественные и количественные оценки интерфейса на основе виртуальной реальности, смоделировать работу пользователя, изучить его поведение в среде виртуальной реальности, а также понять, какое влияние на работу оказывает пресловутый эффект присутствия. Важно также, чтобы результаты исследования можно было считать строгими научными, поскольку многие исследования в этой области с научной точки зрения являются всего лишь псевдоэкспериментальными, а, следовательно, их результаты могут быть оспорены.
Наше экспериментальное исследование было разработано и проведено в соответствии со всеми правилами экспериментальной науки, на достаточно большой выборке, в контролируемой среде, а полученные результаты были обработаны и проверены на достоверность с помощью методов математической статистики.
Виртуальная реальность
Термин виртуальная реальность активно используется в последнее время для описания различных понятий. В этой работе виртуальная реальность понимается как трехмерная интерактивная среда, создающей у пользователя иллюзию присутствия там – в одном пространстве с теми объектами и данными, с которыми он взаимодействует. Это наиболее полное, на наш взгляд определение. В частном случае под виртуальной реальностью понимают программно-аппаратный комплекс, с помощью которого осуществляется взаимодействие пользователя с подобной средой.
Феномены присутствия, погружения в виртуальную среду являются предметом изучения психологии, также чрезвычайно важны с позиций компьютерной визуализации.
Феномен присутствия неоднократно описывался западными авторами как перцептивная иллюзия непосредственности или, иначе, «ощущение (пребывания) там», мысленное игнорирование компьютера как посредника между человеком и миром, с которым человек взаимодействует. Одновременно с феноменом присутствия описывается феномен погружения как явление, когда органы чувств пользователя обрабатывают не стимулы, происходящие из реального мира, а объекты и события виртуальной среды, и погружение тем полнее, чем выше процент виртуальных стимулов обрабатывается пользователем. В том же ключе можно описать и вовлеченность, которую, как и погружение, описывают в качестве компонента присутствия. Таким образом, вовлеченность описывает степень, в которой внутренний мир пользователя занят событиями виртуальной среды, т.е. в какой мере мышление, внимание, воображение и другие когнитивные процессы сосредоточены на виртуальной реальности. Присутствие, объединяя оба состояния, является, естественно, чем-то большим, нежели простая сумма своих частей. Присутствие в виртуальной среде не может быть сравнено с обычным пребыванием человека в среде реальной. Это особенное состояние сознание, как правило, переживаемое пользователем как яркое, необычное впечатление, новый способ восприятия мира, взаимодействия с миром.
Среды виртуальной реальности являются развитием симуляторов и тренажеров, созданных еще в 60-ые и 70-ые годы XX столетия для летчиков и космонавтов. В конце 80-х — начале 90-х концепция виртуальной реальности приобрела большую популярность в массовой культуре, поскольку средства для создания виртуальной реальности начали применяться в индустрии развлечений. Это, с одной стороны, привело к широкой популяризации идеи, но, с другой стороны (во многом «благодаря» научно-фантастической литературе и кино), сформировало в массовом сознании не вполне правильное понимание этого явления. Постепенно ажиотаж спал, и массовое применение технологий виртуальной реальности в развлекательных целях сошло на нет. Однако, применение этих технологий в информационной и научной визуализации набирало обороты. В 2000-х объем рынка информационной визуализации с применением виртуальной реальности был уже сопоставим с рынком тренажеров и систем обучения, что является показателем. Практически все крупные корпорации и промышленные концерны имеют в своем распоряжении системы визуализации на основе сред виртуальной реальности, применяемые для работы с данными, получаемыми в ходе моделирования. В частности, подавляющее большинство автоконцернов перешли от испытаний в настоящей аэродинамической трубе к проведению тех же экспериментов в виртуальной среде. Аналогично в виртуальных трехмерных средах осуществляется разработка дизайна, компоновка узлов и агрегатов, расчеты по безопасности и моделирование результатов столкновений.
Аппаратное обеспечение
Ключевым аспектом виртуальной реальности является подмена информации, поступающей на органы чувств пользователя, генерируемой компьютером, поэтому наиболее важной составляющей аппаратного комплекса являются средства вывода. Поскольку наиболее важным каналом получения информации от окружающего мира является зрение, в первую очередь рассматривается создание изображений и способы замещения ими зрительной информации от окружающего мира.
В широком смысле, для создания виртуальной реальности может использоваться любой дисплей или аналогичное ему устройство вывода. Однако существует классификация, в соответствии с которой выделяют устройства с частичным погружением (такие, в которых часть информации, получаемой пользователем, будет компьютерно-генерируемой, а часть будет поступать от реального мира; другими словами — не полностью изолирующие) и устройства с истинным (полным) погружением (такие, в которых пользователь может видеть исключительно виртуальной реальности, и не имеет возможности воспринимать какие-либо стимулы из реального мира). Кроме этого, применение термина «трехмерный» к большинству современных «трехмерных» сред, строго говоря, не вполне корректно, поскольку без соответствующих средств вывода они будут псевдотрехмерными: изображение проецируется на плоский монитор, и только после этого воспринимается глазами; объем в данном случае «додумывается» мозгом на основании дополнительных зрительных «ключей». С этой точки зрения устройства также можно подразделить на плоские (к примеру, традиционный дисплей) и трехмерные (например, очки виртуальной реальности).
Основные технологии трехмерного отображения включают в себя очки\шлем виртуальной реальности (на основе встроенных дисплеев, затворного типа, поляризованные), театры виртуальной реальности (также часто называемые CAVE — по названию наиболее популярной технологии), 3D-дисплеи и 3D-проекторы.
Принцип действия всех трехмерных средств вывода основан на явлении стереопсиса. Это процесс обработки зрительной информации в мозге человека, который приводит к тому, что восприятие окружающего мира с двух разных точек зрения (левым глазом и правым глазом) вызывает ощущение глубины пространства. Стереопсис возможен при расстояниях до объекта не более 9-10 метров, поскольку на большем расстоянии разница между изображением объекта на сетчатке левого глаза и правого глаза становится незначительной (именно этим фактом объясняются затруднения в оценке расстояния до удаленных объектов, особенно в высоту). Это не то же самое, что восприятие глубины, поскольку даже люди, у которых функционирует лишь один глаз, способны воспринимать глубину благодаря дополнительной информации: движению глаза, перекрытию объектов, линейной перспективе, теням и т. д.. По этой же причине «трехмерное» изображение на экране монитора или на картине может восприниматься как объемное. Однако именно стереопсис является наиболее важным для восприятия глубины. Для того, чтобы он был возможен, необходимо подавать различные изображения на каждый глаз таким образом, чтобы на сетчатке они воспринимались как полученные с точки зрения именно этого глаза. Технически эта задача решается либо за счет выведения изображения через два дисплея, каждый из которых виден только соответствующему глазу, либо за счет разделения «общего» изображения с помощью различных ухищрений таким образом, чтобы каждый из глаз видел только предназначенную для него информацию.
Наиболее популярным средством для создания среды виртуальной реальности являются очки виртуальной реальности. Изначально использовался термин «шлем виртуальной реальности», однако современные технологии позволили снизить вес и габариты подобных устройств настолько, что их можно отнести уже к очкам.
Очки виртуальной реальности представляют собой устройство, надеваемое на голову таким же образом, как и традиционные очки, и содержащее встроенные в него специальные линзы, либо экраны, либо дополнительно оснащенные автоматическими затворами.
Самой первой технологией было анаглифное стерео, для которого использовались очки со стеклами разного цвета, чаще всего красного и синего. Разделение осуществлялось с помощью цветовой фильтрации, изображение содержало одновременно красные и синие участки, каждый из которых был лучше виден только «своим» глазом, что вызывало субъективное ощущение объемности за счет частичного разделения каналов. Плюсом технологии является простота и дешевизна. Минус — неполное разделение, нарушение цветопередачи и возможное ощущение дискомфорта, нарушение цветового восприятия у человека.
Другим вариантом является использование встроенных в очки дисплеев, каждый из которых показывает картинку только для «своего» глаза, что дает стопроцентное разделение изображения на левый и правый канал. При этом изображение трехмерной сцены рендерится поочередно с разных точек зрения (для этого используется специальный драйвер видеокарты). Уровень стереоразделения позволяет регулировать, насколько «виртуальные глаза» удалены друг от друга, что значительно влияет как на ощущение объема, так и на возможное возникновение побочных эффектов. Также основными характеристиками подобных очков являются:
-Поле зрения. Поле зрения человека (суммарное значение) составляет примерно 180 градусов по горизонтали, поле зрения стандартных очков виртуальной реальности значительно ниже (чаще всего в пределах 30-50 градусов, но до 145 у отдельных моделей). Общая тенденция — чем больше поле зрения, тем сильнее ощущается погружение, и тем больше вероятность побочных эффектов. Часто эта характеристика заменяется эквивалентным размером дисплея, если смотреть на него с указанного расстояния.
-Тип дисплея. Первые образцы имели дисплеи с электронно-лучевыми трубками, что крайне негативно сказывалось как на габаритах и весе, так и на качестве дисплея. Сейчас применяются жидкокристаллические, а также более перспективные светодиодные (LED) дисплеи.
-Разрешение. Поскольку очки данного типа имеют встроенные дисплеи, технологически идентичные традиционным полноформатным дисплеям, эта характеристика также применима и играет важную роль. Часто используется привычное указание разрешения как количество точек по горизонтали и вертикали (например 800х600), однако также может быть указана плотность пикселей. Разрешение в 60 пикселей на градус (или пиксель на одну угловую минуту) считается пределом разрешающей способности глаза; современные очки обычно имеют разрешение примерно 10-20 пикселей на градус, хотя развитие микродисплеев позволяет увеличить этот показатель.
-Зона перекрытия. Эта величина характеризует область изображения, которая будет общей для двух глаз. Благодаря перекрытию мы и воспринимаем стереоизображения и чувствуем глубину. В среднем зона перекрытия у человека — примерно 100 градусов (50 градусов левее носа, и 50 правее). Соответственно, чем большую зону перекрытия обеспечивают очки, тем лучше будет ощущаться стерео. Значение обычно указывается в градусах, либо в процентах, которые означают, какая часть поля зрения будет общей для двух глаз.
-Расстояние между оптическими осями. Это очень важная характеристика, которая позволяет приспосабливать очки под индивидуального пользователя, поскольку, в силу анатомических особенностей расстояние между оптическими осями двух глаз различно у разных людей, а несоответствие чревато сильными негативными явлениями.
Очки со встроенными дисплеями являются одной из трех технологий полного погружения, поскольку если ограничить поле зрения только этими дисплеями, то пользователь не будет видеть окружающий мир.
Плюсами данного решения являются качество стерео, качество изображения, относительная дешевизна такого решения, а к минусам можно отнести ограниченное разрешение, больший вес, дороговизну очков высокого разрешения, а также потребность в индивидуальной настройке.
В качестве альтернативы очкам со встроенными дисплеями используются очки с поляризацией и очки затворного типа.
Очки с поляризацией применяются в паре с соответствующим устройством создания изображения (3D-проектор или 3D-дисплей с поляризацией). Технология опирается на тот факт, что у световых волн возможно такое явление, как поляризация. Это направленного колебания векторов напряженности электрического поля или напряженности магнитного поля. В случае линейной поляризации свет можно разложить на две компоненты — горизонтально поляризованную и вертикально поляризованную, а в случае круговой поляризации — на правую и левую компоненту, в зависимости от направления вектора индукции. Затем с помощью специальных фильтров (поляроидов) можно выделять из всего светового пучка отдельные компоненты. При этом фильтр максимально прозрачен для световых волн соответствующей поляризации и полностью непрозрачен для волн с перпендикулярной поляризацией. Используя это свойство, можно подавать с помощью одного дисплея или проектора сразу два изображения с перпендикулярной поляризацией друг относительно друга, а затем с помощью встроенных в очки линз-поляроидов выделять свое изображение для каждого из глаз.
В простейшем случае для превращения дисплея в трехмерный на матрицу накладывается дополнительный слой, который поляризует изображение чересстрочно, либо в шахматном порядке, в соответствующем порядке отображаются и пиксели «левого» и «правого» изображений. В результате в поляризованных очках левый и правый глаз видят только «свои» пиксели. При этом разрешение для каждого из глаз падает вдвое (т. к. он видит только половину всех точек экрана), однако благодаря тому, что мозг сводит изображение воедино, суммарное качество для больших разрешений практически не страдает, а на меньших разрешениях появляется эффект зернистости.
В более продвинутых системах, например в трехмерных проекторах и трехмерных дисплеях с двумя матрицами, производится генерация сразу двух изображений с различной поляризацией, которые потом сводятся в единое изображение. Соответственно пользователь в поляризованных очках получит две полноценные картинки на каждый из глаз. Однако при всех достоинствах такая схема дороже и технически сложнее, поскольку требует двух матриц или двух проекторов соответственно (или одного, но имеющего конструктив, позволяющий проецировать сразу два изображения с разной поляризацией).
Преимуществами подобного метода является дешевизна, легкость и зрительный комфорт. Недостаток данного метода — очки с поляризацией снижают яркость изображения, поэтому к яркости дисплея/проектора предъявляются повышенные требования. Другой недостаток — невозможность в общем случае обеспечить полное погружение — решается оборудованием театра виртуальной реальности (CAVE). |
