ОБЗОР СИСТЕМ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

УДК 004.032.6

DOI 10.21685/2072-3059-2020-2-1

А. Ю. Тычков, К. Ю. Волкова, Д. В. Киселева, Е. А. Родионова

ОБЗОР СИСТЕМ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ1

Аннотация.

Актуальность и цели. Объектом исследования являются системы виртуальной реальности, представляющие собой уникальные программируемые средства погружения пользователя в условно смоделированную среду. Предметом исследования является изучение свойств известных и ранее разработанных устройств виртуальной реальности, достоинств и недостатков с точки зрения масштабирования в различных отраслях науки и техники. Цель работы -провести аналитический литературный обзор и анализ известных устройств виртуальной реальности, представить наиболее перспективные решения с точки зрения безбоязненного использования для решения в различных технологических задачах.

Материалы и методы. В качестве материалов исследования использовался поисковый метод научных и научно-популярных работ в лицензированных российских и зарубежных базах E-library и Scopus по ключевым словам: VR, virtual reality, history, review.

Результаты. Представлены тренды развития виртуальной реальности в разрезе информационных, инженерных и потребительских решений. Рассмотрены современные виртуальные устройства, особенности их применения и сравнительные характеристики.

Выводы. Виртуальная реальность на современном этапе развития может стать необходимой формой поддержки принятия решения, с помощью которой можно значительно повысить эффективность работы специалистов в различных сферах деятельности.

Ключевые слова: виртуальная и дополненная реальность, позиционирование пользователя, передача данных, разрешение экрана.

A. Yu. Tychkov, K. Yu. Volkova, D. V. Kiseleva, E. A. Rodionova A REVIEW OF VIRTUAL REALITY SYSTEMS

1 Материалы публикации подготовлены при поддержке Российского научного фонда (проект № 17-71-20029-п).

© Тычков А. Ю., Волкова К. Ю., Киселева Д. В., Родионова Е. А., 2020. Данная статья доступна по условиям всемирной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons. org/licenses/by/4.0/), которая дает разрешение на неограниченное использование, копирование на любые носители при условии указания авторства, источника и ссылки на лицензию Creative Commons, а также изменений, если таковые имеют место.

Abstract.

Background. The object of research is virtual reality systems, which are unique means of immersing the user in a conditionally modeled environment. The subject of the work is the study of the properties of known and previously developed virtual reality devices, advantages and disadvantages in terms of scaling in various branches of science and technology. The purpose of the work is to conduct an analytical literature review and analysis of known virtual reality devices, to present the most promising solutions in terms of fearless use for solving various technological problems.

Materials and methods. The materials of the investigation was the search method of scientific and popular scientific works in Russian and foreign licensed databases E-library and Scopus by keyword: VR, virtual reality, history, review.

Results. Presents the trends of virtual reality in the context of engineering and consumer decisions. Modern virtual devices, features of their application and comparative characteristics are considered.

Conclusions. Virtual reality at the present stage of development may become a necessary form of decision support, with which you can significantly improve the efficiency of the work of specialists in the various fields of activity.

Keywords: virtual and augmented reality, user positioning, data transmission, screen resolution.

Введение

В настоящее время, в эпоху информационных технологий, глобальной сети Интернет и дистанционной работы в различных сферах деятельности, широкую популярность получил термин «виртуальная реальность» (лат. virtus - потенциальный, возможный; лат. realis - действительный, существующий). Виртуальная реальность (virtual reality, VR) - это искусственно созданный с помощью компьютера трехмерный мир, воспринимаемый человеком посредством специальных устройств [1].

Технология виртуальной реальности формирует виртуальное сообщество, которое отличается от окружающего реального мира. VR способна воздействовать на все органы чувств человека и сделать восприятие виртуального пространства максимально естественным.

Обзор известных систем VR

Технология VR прошла длинный путь от первых экспериментов в 50-х гг. XX в. до современных шлемов виртуальной реальности в 20-х гг. XXI в. Известны два подхода к формированию систем VR: виртуальная комната и носимые устройства.

К носимым устройствам VR относятся нашлемные индикаторы и очки виртуальной реальности. Основная задача их заключалась в формировании стереоскопического изображения на сетчатке глаз. Простейшей VR-системой является стереоскоп, разработанный в 1837 г. английским физиком Чарльзом Уинстоном [2]. Стереоскоп - это первое оптическое устройство для просмотра фотографий и рисунков (рис. 1,а).

Спустя ровно 120 лет в 1957 г. Мортон Хейлинг создал систему Sensorama, которая обеспечивала иллюзию реальности с помощью 3D-фильма со стереозвуком, запахами и вибрациями [3].

Уже в 1961 г. был изобретен первый шлем со стереоскопической гарнитурой Headsight [4]. С помощью камеры оператор, находящийся в шлеме, мог наблюдать за происходящим вокруг нее, а шлем передавал на камеру данные о поворотах головы (рис. 1,6).

В 1968 г. профессор Гарвардского университета Айвен Эдвард Сазер-ленд создал видеошлем Sword of Damocles (рис. 1,в), который осуществлял трансляцию изображений, отслеживание движений пользователя, наложение компьютерной графики на реальные объекты [5].

В 1989 г. компания NASA разработала Virtual Environment Workstation (рис. 1,г) - прототип оригинальной системы виртуальной реальности с использованием сенсорной перчатки, шлема виртуальной реальности и технологий распознавания голоса [6].

В 1992 г. Дэн Сэндин, Том ДеФанти и Каролина Круз-Нейра разработали первую комнату виртуальной реальности The Cave [7], представляющую

собой комнату, на стены которой проецировались стереоскопические изображения (рис. 1,д).

В 1995 г. братья Латыповы разработали систему под названием VirtuSphere [8]. Внутри конструкции пользователь способен передвигаться в любом направлении и на любое расстояние без ограничений реального пространства (рис. 1,е).

В 2002 г. компания Essential Reality выпустила продукт под названием P5 GLOVE (рис. 2,а) - перчатка со встроенной системой слежения за положением руки в пространстве [9].

д) е)

Рис. 2. Разновидности устройств VR: а - P5 GLOVE; б - CyberGlove II; в - AcceleGlove; г - Oculus Rift; д - Google Cardboard; е - HTC Vive

В 2005 г. компания Immersion Corporation выпустила перчатку Cyber-Glove II [10]. В отличие от предыдущих моделей, перчатка обладала беспро-водностью посредством Bluetooth, а также позволяла почувствовать пользователю физическое воздействие виртуальной среды (рис. 2,6).

В 2009 г. американская компания AnthroTronix [11] выпустила первую в мире программируемую перчатку виртуальной реальности Accele Glove. Считывание движений пальцев рук, их положение относительно плеч и всего тела фиксируются с помощью акселерометров, которые надеваются на запястья рук и над локтем (рис. 2,в).

В 2012 г. Лаки Палмер, основатель компании Oculus VR, продемонстрировал шлем-дисплей виртуальной реальности (рис. 2,г). В процессе создания устройства были исследованы такие функции, как трехмерная стереоскопия, беспроводная связь и широкий обзор в 270° [12].

В 2014 г. компания Google создала доступное и простое решение под названием Google Cardboard (рис. 2,д) - картонная рамка, в которую вкладывается смартфон со специально установленным приложением [13].

В 2015 г. компания HTC совместно с Valve Corporation выпустила систему виртуальной реальности HTC Vive [14]. Система состоит из шлема виртуальной реальности, двух беспроводных контроллеров для управления действием, двух базовых станций, которые отслеживают движение пользователя, наушников и коммуникационного модуля для подключения к компьютеру (рис. 2,е).

В 2016 г. компанией Sony произведен шлем VR, обеспечивающий работу приставки PlayStation [15]. Управление виртуальной реальностью осуществлялось посредством специализированных контроллеров, а движение пользователя в шлеме - посредством камеры. Очки виртуальной реальности проецировали пользователю экран меню и режимы работы.

В 2019 г. компания HTC [16] выпустила гарнитуру HTC VIVE COSMOS. В устройстве осуществляется позиционирование пользователя с помощью встроенных в шлем камер. Применяемые LCD-панели с более плотным расположением пикселей минимизируют «эффект москитной сетки» (screen -door effect).

В табл. 1 приведены основные технические характеристики большинства рассмотренных ранее устройств VR. Сопоставляя шлемы VR Oculus Rift разного поколения DK1 и DK2, отметим, что за два года выхода продукта DK2 в 2 раза увеличила разрешение экрана, повысила частоту смены кадров, стала использовать матрицу AMOLED.

Развитие устройств VR за последнюю декаду позволило получить пользователям адаптивные контроллеры, увеличение разрешения экрана более чем в 2 раза, увеличение частоты смены кадров с 60 Гц до оптимальных 90 Гц, обеспечивая лучшее качество продукта. Кроме того, заметно различие в каналах передачи данных: от HDMI и USB до Bluetooth и Display Port. Однако одним из основных недостатков существующих систем виртуальной реальности является длительная привыкаемость пользователей к смене сюжетных событий в условиях погружения в смоделированные среды. Необходимо решение этой задачи посредством адаптации существующих систем виртуальной реальности под каждого пользователя индивидуально, с учетом физиологических и физических способностей каждого человека. Это позволит создать новое поколение систем адаптивной виртуальной реальности и расширить пользовательские преимущества известных систем.

Таблица 1

Сравнение основных технических характеристик VR-гарнитур

Название устройства VR Характеристики устройств VR

Разрешение gp каждого глаза Частота смены кадров, Гц ¥гол о&рра, ° Разъемы: Матрица Контроллеры

2012 г. Oculus Rift - DKi 640=<800 60 ГШ HDM1, USB LCD -

2014 г. Oculus Rift-DK2 9фк|080 75 100 HDMI, USB AMOLED Xbox One,-Rover GUJi

2016 г. PlayStation VR 960ВД8О :90-120 100 HDMI, USB OLED-RGB Dualshoc 4, PS Move, Aim Controller

2016 г. StarVR 1440Ш60 90 ет 1 SB Туре-С ISB, Display Port AMOLED -

2016 г. Oculus Rift G¥1 ЯШ 90 110 USB AMOLED Oculus Touch, Oculus Sensor

2018 r. HTC Vive PRO: 1440Й600 100 110 USB, Bluetooth, Display Port AMOLED Головные контроллеры и две базовые станции Steam VR

2019 r, HTC Yi\ с i.'osmos 1440Й700 90: ПО ШВ, Display Port AMOLED 2 контроллера 1:1С Vive Cosmos

Сферы применения VR

Широкое применение виртуальной реальности наблюдается в игровом мире. В 2016 г. студия Nyantic выпустила PokemonGo [17] - игру в дополненной реальности, охватившую более 100 млн человек.

Виртуальная реальность позволят пользователю ощутить эффект полного присутствия на массовых мероприятиях. Научные конференции и концерты можно посещать из любой части планеты из офиса или дома.

Спортивный канал Fox Sports Eredivisie, посвященный голландской футбольной лиге, провел первую в истории трансляцию матча Фейеноорд -Эйндховен с использованием систем VR компании BeyondSports [18]. За событиями на поле пользователь может наблюдать глазами вратаря, нападающего или полузащитника.

Для съемки фильмов с VR используются специальные камеры, обеспечивающие круговые панорамы на 360° [19]. Компания Грин РумВоркерс [20] разработала интерактивный аттракцион с дополненной реальностью, в котором использовалась технология 360°.

Технологии VR привлекает пользователей в сферу продажи недвижимости. Компания Planoplan [21] разработала автоматизированный сервис для создания 3D-туров по квартирам в строящихся домах.

Технологии VR начинает применяться в сферах образования, позволяя приспосабливаться ученикам (пользователям) к сложным учебным процессам в интерактивной форме. Компания Google продвигает в школах проект Cardboard [22]. Компания AR production выпустила мобильное приложение [23], которое позволяет видеть дополненную реальность в обычных школьных учебниках.

Виртуальная реальность находит широкое применение в здравоохранении, для лечения фобий и психических расстройств, проведения виртуальных приемов [24]. При помощи VR врачи могут быстро получить доступ к любой необходимой информации (данные о пациенте и результаты анализов). В литературе встречаются работы [25] по созданию в виртуальном пространстве различных стрессовых ситуаций для лечения и реабилитации пациентов. Британская компания Tribemix создала программу Dementia VR [26] для лечения старческой деменции. Компания PSYCHO [27] разработала прототип хирургического VR-симулятора для лапароскопии, в котором используется высокоточная навигация и отслеживание тактильной связи органов и тканей оперируемого.

VR применяются в обучении летчиков, пехоты, военных медиков [28], позволяя солдатам погрузиться в условия, максимально приближенные к боевым действиям, но без опасности для их жизни. Разработка BAE Systems -шлем Q-warrior - позволяет в VR отслеживать огневые точки противника и состояние бойцов.

Посредством VR-технологий специалисты строительных компаний моделируют дома и сооружения [29]. Система виртуальной реальности подключается к инструментам автоматизированного проектирования.

Заключение

Анализ литературы по тематике исследования показал, что число работ, в которых рассматриваются вопросы развития виртуальной реальности в раз-

личных предметных сферах, достаточно широк. Запросы по ключевым словам в российских и зарубежных базах E-library и Scopus (VR, virtual reality, history, review) показали, что более чем в 1000 публикациях в год рассматриваются вопросы применения виртуальной реальности в различных сферах: от инженерии до медицины. В результате анализа работ установлено, что отечественными учеными за последние 5 лет опубликовано 1420 статей в ведущих рейтинговых журналах, включенных в E-library и Scopus, по тематике исследования настоящей статьи. Виртуальная реальность на современном этапе развития может стать необходимой формой поддержки принятия решения, с помощью которой можно значительно повысить эффективность работы в различных сферах деятельности. Необходимо детально изучать данную технологию на предмет ее положительного и отрицательного влияния на пользователя, совершенствовать инженерные разработки и создавать новые оригинальные решения.

Библиографический список

1. Кондратьев, И. Технология - виртуальная, результат - реальный / И. Кондратьев // Computerworld. - 2007. - № 35. - 32 с.

2. Tapani Levola Diffractive optics for virtual displays // SID (Society for Image Display). -2006. - Vol. 14/5. - 12 p.

3. The History of Virtual Reality. - URL: https://www.avadirect.com/blog/the-history-of-virtual-reality/

4. Jerald, J. The VR Book: Human-Centered Design for Virtual Reality / J. Jerald. -New York : Association for Computing Machinery and Morgan & Claypool, 2016. -636 p.

5. Линовес, Дж. Виртуальная реальность в Unity / Дж. Линовес ; пер. с англ. Ра-гимов Р. Н. - Москва : ДМК Пресс, 2016. - 316 с.

6. NASA Virtual Environment Workstation. - URL: http://www.warrenrobinett.com/ nasa/index.htm

7. Системы виртуальной, дополненной и смешанной реальности : учеб. пособие / А. А. Смолин, Д. Д. Жданов, И. С. Потемин, А. В. Меженин, В. А. Богатырев. -Санкт-Петербург : Университет ИТМО, 2018. - 59 с.

8. Осипов, М. П. Системы виртуальной реальности : учеб.-метод. пособие / М. П. Осипов. - Нижний Новгород : Нижегородский госуниверситет, 2012. - 48 с.

9. Компьютерные перчатки. - URL: https://3dnews.ru/167155

10. Virtual Realities LLC. - URL: https://www.vrealities.com/

11. Kristina Grifantini Open-Source Data Glove // MIT Technology. - 2009.

12. Walter Galan Oculus Rift Development Kit 2 Teardown. - URL: https://www. ifixit.com/Teardown/Oculus+Rift+Development+Kit+2+Teardown/27613

13. Google Cardboard - картонный шлем виртуальной реальности. - URL: http://www. proghouse.ru/article-box/15-cardboard

14. The history of virtual reality. - URL: https://www.musictech.net/features/trends/virtual-reality-history/

15. История создания PlayStationVR. - URL:https://got.vg/article/kak_sozdavalsja_ play station_vr-161016/

16. Особенности HTC VIVE COSMOS. - URL: https://www.vive.com/ru/product/vive-cosmos/features/

17. Игры будущего: дополненная и виртуальная реальность. - URL: https://www. m24.ru/articles/nauka/24082016/114124

18. VR-трансляции реального футбола: будущее уже здесь. - URL: https://gmbox.ru/ materials/28987-vr-translyatsii-realnogo-futbola-budushchee-uzhe-zdes

19. Будущее VR видео. - URL: https://habr.com/ru/post/429414/

20. Оригинальные франшизы. - URL: https://printcolibri.ru/original-franchises-the-pawnshop-franchise-is-growth-during-the-fall/

21. Неигровое применение Unity3D и Oculus Rift. - URL: https://habr.com/ru/ company/kelnik/blog/198572/

22. Google Cardboard. - URL: https://arvr.google.com/cardboard/

23. Петрухина, О. В. Графический дизайн и виртуальная среда: реальность и перспективы / О. В. Петрухина // Философия и культура. - 2019. - № 1. -С. 13-19.

24. Баранов, А. А. Архитектура универсальной интерактивной системы на базе современных устройств взаимодействия с пользователем / А. А. Баранов // Современные научные исследования и инновации. - 2015. - № 4, Ч. 1. - 69 с.

25. Игровая система виртуальной реальности в реабилитации детей с прогрессирующими мышечными дистрофиями / Н. А. Николенко, О. В. Гончарова, С. Б. Артемьева, Е. Е. Ачкасов, Е. Б. Литвинова // Спортивная медицина: наука и практика. -2014. - № 4. - С. 90-97.

26. Virtual Dementia Experience. - URL: https://www.dementia.org.au/information/ resources/technology/virtual-dementia-experience

27. Диагностика, лечение и научные исследования в виртуальной реальности. - URL: http://vrcorp.ru/?p=1570

28. Posts Tagged «VR для военных». - URL: http://ve-group.ru/tag/vr-dlya-voennyih

29. BIM, VR, AR: как новые технологии меняют строительство. - URL: https://vc.ru/ future/93499-bim-vr-ar-kak-novye-tehnologii-menyayut-stroitelstv

References

1. Kondrat'ev I. Computerworld. 2007, no. 35, 32 p.

2. SID (Society for Image Display). 2006, vol. 14/5, 12 p.

3. The History of Virtual Reality. Available at: https://www.avadirect.com/blog/the-history-of-virtual-reality/

4. Jerald J. The VR Book: Human-Centered Design for Virtual Realit. New York: Association for Computing Machinery and Morgan & Claypool, 2016, 636 p.

5. Linoves Dzh. Virtual'naya real'nost' v Unity [Virtual reality in Unity] transl. from Engl. By Ragimov R. N. Moscow: DMK Press, 2016, 316 p. [In Russian]

6. NASA Virtual Environment Workstation. Available at: http://www.warrenrobinett.com/ nasa/index.htm

7. Smolin A. A., Zhdanov D. D., Potemin I. S., Mezhenin A. V., Bogatyrev V. A. Sistemy virtual'noy, dopolnennoy i smeshannoy real'nosti: ucheb. posobie [Virtual, augmented and mixed reality systems: teaching aid]. Saint-Petersburg: Universitet ITMO, 2018, 59 p. [In Russian]

8. Osipov M. P. Sistemy virtual'noy real'nosti: ucheb.-metod. posobie [Virtual reality systems: teaching aid]. Nizhniy Novgorod: Nizhegorodskiy gosuniversitet, 2012, 48 p. [In Russian]

9. Komp'yuternye perchatki [Computer gloves]. Available at: https://3dnews.ru/167155 [In Russian]

10. Virtual Realities LLC. Available at: https://www.vrealities.com/

11. MIT Technology. 2009.

12. Walter Galan Oculus Rift Development Kit 2 Teardown. Available at: https://www. ifixit.com/Teardown/Oculus+Rift+Development+Kit+2+Teardown/27613

13. Google Cardboard - kartonnyy shlem virtual'noy real'nosti. Available at: http://www. proghouse.ru/article-box/15-cardboard [In Russian]

14. The history of virtual reality. Available at: https://www.musictech.net/features/ trends/virtual-reality-history/

15. Istoriya sozdaniya PlayStationVR [History of PlayStationVR creation]. Available at: https://got.vg/article/kak_sozdavalsja_playstation_vr-161016/ [In Russian]

16. Osobennosti HTC VIVE COSMOS [Features of HTC VIVE COSMOS]. Available at: https://www.vive.com/ru/product/vive-cosmos/features/ [In Russian]

17. Igry budushchego: dopolnennaya i virtual'naya real'nost' [Games of the future: augmented and virtual reality]. Available at: https://www.m24.ru/articles/nauka/ 24082016/114124 [In Russian]

18. VR-translyatsii real'nogo futbola: budushchee uzhe zdes'. [Real football VR streams: the future is here] Available at: https://gmbox.ru/materials/28987-vr-translyatsii-realnogo-futbola-budushchee-uzhe-zdes [In Russian]

19. Budushchee VR video [The future of VR video]. Available at: https://habr.com/ru/ post/429414/ [In Russian]

20. Original'nye franshizy [Original franchises]. Available at: https://printcolibri.ru/ original-franchises-the-pawnshop-franchise-is-growth-during-the-fall/ [In Russian]

21. Neigrovoe primenenie Unity3D i Oculus Rift [Non-gaming use of Unity3D and Oculus Rift]. Available at: https://habr.com/ru/company/kelnik/blog/198572/ [In Russian]

22. Google Cardboard. Available at: https://arvr.google.com/cardboard/

23. Petrukhina O. V. Filosofiya i kul'tura [Philosophy and culture]. 2019, no. 1, pp. 13-19. [In Russian]

24. Baranov A. A. Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovatsii [Modern researches and innovations]. 2015, no. 4, part 1, 69 p. [In Russian]

25. Nikolenko N. A., Goncharova O. V., Artem'eva S. B., Achkasov E. E., Litvinova E. B. Sportivnaya meditsina: nauka i praktika [Sports medicine: science and practice]. 2014, no. 4, pp. 90-97. [In Russian]

26. Virtual Dementia Experience. Available at: https://www.dementia.org.au/information/ resources/technology/virtual-dementia-experience

27. Diagnostika lechenie i nauchnye issledovaniya v virtual'noy real'nosti [ ]. Available at: http://vrcorp.ru/?p=1570 [In Russian]

28. Posts Tagged «VR dlya voennykh» [Posts Tagged: "VR for militaries"]. Available at: http://ve-group.ru/tag/vr-dlya-voennyih [In Russian]

29. BIM, VR, AR: kak novye tekhnologii menyayut stroitel'stvo [BE, VR, AR: how new technologies are changing construction]. Available at: https://vc.ru/future/93499-bim-vr-ar-kak-novye-tehnologii-menyayut-stroitelstv [In Russian]

Тычков Александр Юрьевич

доктор технических наук, заместитель директора научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований; доцент, кафедра радиотехники и радиоэлектронных систем, Пензенский государственный университет

E-mail: tychkov-a@mail.ru

Волкова Кристина Юрьевна

студентка, Пензенский государственный университет

E-mail: tychkov-a@mail.ru

Tychkov Aleksandr Yur'evich Doctor of engineering sciences, deputy director of the research institute for basic and applied studies; associate professor, sub-department of radio engineering and radioelectronic systems, Penza State University

Volkova Kristina Yur'evna

Student, Penza State University

Киселева Дарья Вячеславовна

студентка, Пензенский государственный университет

E-mail: tychkov-a@mail.ru

Родионова Екатерина Алексеевна студентка, Пензенский государственный университет

E-mail: tychkov-a@mail.ru

Образец цитирования:

Тычков, А. Ю. Обзор систем виртуальной реальности / А. Ю. Тычков, К. Ю. Волкова, Д. В. Киселева, Е. А. Родионова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2020. - № 2 (54). -С. 3-13. - DOI 10.21685/2072-3059-2020-2-1.

Kiseleva Dar'ya Vyacheslavovna Student, Penza State University

Rodionova Ekaterina Alekseevna Student, Penza State University