Революционная технология визуализации – системы виртуального окружения

Илья Вигер
Исполнительный директор VE-Group
wieger.ilya@ve-group.ru

Идея использовать стереопредставление информации для визуализации не нова. Еще в 60 – 70 гг. в СССР были разработаны и внедрены передовые по тем временам технологии стереокинотеатров и панорамных кинотеатров. Их популярность была относительно высока, но, к сожалению, лишь до тех пор, пока снимались стереофильмы, панорамных фильмов практически не было, существовали лишь демонстрационные версии технологии на ВДНХ и несколько сотен стереокинотеатров. Сейчас в Москве нет ни одного такого нормально функционирующего кинотеатра, так как не снимаются фильмы в стереоформате. Стоит отдельно упомянуть технологию IMAX, по которой построен кинотеатр в комплексе «Рамстор» на Ленинградском шоссе. Эта технология поддерживает свой формат стереокино, и есть небольшой набор современных фильмов, но основное преимущество этой технологии – широкоформатное изображение.
Основная беда стереокинотеатров – это отсутствие фильмов для показа. Просто-напросто режиссеры не очень любят и не умеют снимать фильмы в таком формате. Да и гибкость всего аппаратного комплекса оставляет желать лучшего. Требуется специальное оборудование для съемок (хотя не такое уж и редкое) и для показа, причем только в аналоговом формате, качество, конечно, получается высокое, но демонстрировать почти нечего.
Всего этого можно избежать и сделать более гибкую систему на базе недорогих проекционных технологий LCD- и DLP-проекторов и под управлением персональных компьютеров (или кластеров ПК). При этом применяя специальное программное обеспечение и системы трекинга, можно сделать гораздо больше, чем позволяли аналоговые технологии стереопоказа, и использовать всю гибкость, интерактивность и простоту 3D-моделирования для создания фильмов, роликов и виртуальных миров. Системы получаются чрезвычайно гибкими и в добавок ко всему мобильными, в связи с чем становятся еще более привлекательными. Еще совсем недавно для подобных установок требовалось очень дорогое специализированное графическое оборудование, поэтому такие системы были доступны лишь крупным компаниям. Сейчас возможно создавать системы виртуального окружения на базе одного или нескольких персональных компьютеров (кластера), которые в принципе доступны для средних и малых компаний, а также для индивидуального использования, например в качестве домашнего стереокинотеатра (существуют алгоритмы создания псевдостереоизображения из обычного DVD или MPEG4).
Об установках виртуального окружения
Технология виртуального окружения базируется на принципе создания иллюзии присутствия в искусственном, созданном человеком мире. Человек ощущает эту иллюзию посредством разделения изображения для левого и правого глаза, и затем уже восстанавливается трехмерное изображение в соответствующей части мозга. Существует несколько способов такого разделения.
Поляризационное разделение.
Два изображения разделяются по поляризации света (линейной или круговой). Они проецируются на специальный экран, не меняющий поляризации падающего света. Направления поляризации фильтров подобраны таким образом, что каждый глаз видит только предназначенное для него изображение.
Применяется в установках виртуальной реальности, стереокино.
Преимущества: относительно низкая стоимость.
Недостатки: дефекты при разделении изображений из-за рассеивающих свойств экрана.
Затворное разделение (shutter).
Изображения для левого и правого глаза проецируются на экран по очереди, и для наблюдения используются очки, стекла которых затемняются синхронно с подаваемым изображением.
Применяется в установках виртуальной реальности, компьютерных играх и т.д.
Преимущества: высокое качество изображения.
Недостатки: высокая стоимость оборудования.
Цветовое разделение.
Изображения для левого и правого глаза используют разные цвета (аниграфическое разделение).
Например, левое изображение преимущественно красного цвета, а правое – синего. Очки для наблюдения тоже имеют соответствующие светофильтры (красный и синий).
Применяется в стереофотографии.
Преимущества: низкая стоимость.
Недостатки: искажения в отображении цветов.

Классы установок
Кроме создания объемного изображения, одной из основных задач при разработке установок виртуального окружения является максимально возможное исключение взаимодействия наблюдателя с объектами реального мира. Тем самым создается иллюзия присутствия человека в искусственном, смоделированном мире (эффект погружения). Чем меньше у зрителя возможностей видеть реальные предметы, т.е. чем выше степень погружения, тем более сильное впечатление производит на него увиденное. Для этой цели в дорогих хороших установках используют несколько экранов, окружающих пользователя по возможности со всех сторон, либо большой панорамный экран. Например, американские установки CAVE (рис. 1) представляют собой комнату, на три стены и пол которой проецируется стереоизображение. Немецкие установки iCONE (рис. 2) используют панорамный экран, а установки типа WorkBench представляют собой конструкцию «стол-экран» (рис. 3).
Менее дорогие установки используют один экран (рис. 4 и рис. 5).
Технологическая схема простой установки виртуального окружения представлена на рис. 6.
Основные подсистемы установок виртуального окружения.
• Графическая подсистема: персональный компьютер или кластер ПК с соответствующим программным обеспечением, генерирующий пару изображений для левого и правого глаза (стереопару).
• Проекционная подсистема: проекторы, экраны и очки, позволяющие человеку видеть стереоизображение и обеспечивающие эффект погружения.
• Подсистема слежения за положением наблюдателя (отслеживается положение глаз и устройств для интерактивного взаимодействия с виртуальным миром для правильной генерации стереоизображения в графической подсистеме) – система трекинга.

Возможное применение
систем виртуального окружения
До последнего времени такие системы могли себе позволить только военные организации и крупные корпорации, которые использовали их для тренажеров и дистанционного управления техническими средствами, систем промышленного дизайна и в качестве системы визуализации для управления технологическими процессами. Сейчас в мире существует более 100 крупномасштабных установок виртуального окружения, которые применяются в различных сферах, таких, например, как выставки и презентации (архитектура, дизайн, обычные презентационные ролики и пр.); домашний стереокинотеатр; игровые системы и аттракционы; обучение, тренажеры и симуляторы; промышленный дизайн и управление технологическими процессами.
Так как технология абсолютно нова, то еще не известны все области, где применение систем виртуального окружения дало бы ощутимый эффект. На данный момент в России это дело относительно новое. Но жизнь развивается по своим объективным законам, и то, что привычно где-то в дальнем зарубежье, скоро проникает и в Россию, становясь привычным для нас.