Мультимедиа и виртуальные миры

Что такое виртуальная реальность?

Осторожно прокладывает путь в болотистом лесу отважный натуралист. Он озирается по сторонам. Но нигде не видно ни одного животного. И все же он точно знает: они здесь. Еще несколько шагов — и перед его взором возникает поляна. И тут натуралист видит их: два, три, четыре… бронтозавра весом по несколько тонн стоят на поляне и, вытянув шеи до вершин деревьев высотой с многоэтажный дом, объедают их сочные листья. Еще никогда ученый не подходил так близко к гигантам доисторических времен.

Внезапно его охватывает тревога: на поляну спешат два мощных тираннозавра. Они уже широко раскрыли свои метровые пасти, нашпигованные громадными и острыми, как бритва, зубами. Бронтозавры обращаются в бегство, но один из них замешкался, слишком поздно осознав опасность, — в его бок впились клыки хищников. Как вкопанный, наш путешественник смотрит на разыгрывающуюся прямо перед его глазами схватку. Вдруг он чувствует теплую руку на своем плече и слышит доносящийся словно из другого мира голос: — Коля, иди обедать?

Коля снимает электронный шлем, с удивлением смотрит на мать — не так-то просто в мгновение ока перенестись с доисторической поляны в свою комнату.

Школьные уроки, уборка, мытье посуды и другие малоприятные будничные обязанности кажутся ему совсем не такими интересными, как мир динозавров.

Фантастический мир, в котором Коля стал действующим лицом, называют виртуальной реальностью (от латинского слова virtualis — возможный). В виртуальной реальности информация об окружающем нас мире, которую обычно, то есть в реальной жизни, мы воспринимаем с помощью органов чувств, подменяется информацией, генерируемой компьютером.

В физической реальности мы существуем в трех измерениях, в реальном времени и взаимодействуем с окружающим миром. Средства виртуальной реальности имитируют эти условия так точно, что вы можете «потрогать» объекты ненастоящего мира и даже увидеть, как они деформируются в ответ на ваше прикосновение.

Через несколько лет, вероятно, многие будут предпочитать приключения в мире, создаваемом компьютером, обыденности. Фирмы и исследовательские лаборатории развитых стран заняты как раз тем, что разрабатывают средства виртуальной реальности и постоянно их совершенствуют. Виртуальная реальность находится еще на довольно ранней стадии разработок, но. учитывая стремительное развитие микроэлектроники, следует ожидать, что очень скоро появится необходимое оборудование.

В таких консолях уже сегодня можно перенестись в виртуальные миры. Они помогают путешественникам во времени удерживаться на ногах при передвижении в искусственном мире.

В каком снаряжении можно попасть в виртуальный мир?

Какое оснащение понадобится вам для того, чтобы попасть в виртуальный мир? Прежде всего электронный шлем-дисплей с двумя небольшими, экранами (по одному на каждый глаз), формирующими трехмерное изображение, наушниками, датчиком, сообщающим компьютеру о движениях головы (компьютер отслеживает таким образом положение вашей головы и подставляет соответствующее изображение: если вы смотрите вверх, вы видите виртуальное небо, если вниз — виртуальную землю). Кроме того, вам потребуются ручное устройство ввода для управления движением в виртуальном пространстве и информационная перчатка — она устанавливает связь между перемещением тела или по крайней мере движениями рук и компьютером.

Электронный костюм для виртуального бокса. Специальные датчики имитируют ощущение удара.

В информационной перчатке датчики создают виртуальное осязание — ощущение прикосновения руки к предмету: вы словно на самом деле гладите кошку, чувствуя ее мягкую шерсть, или держите фарфоровую чашку с холодным соком, с трудом открываете тяжелую деревянную дверь, чувствуя ее сопротивление.

Информационная перчатка. Ею можно манипулировать объектами в виртуальном мире, трогать их и даже ощущать их прикосновение.

В настоящее время ни один компьютер не может создать искусственный мир, в котором вы будто наяву увидите битву динозавров на фоне флоры и фауны доисторического времени. Важнейшее условие хорошей системы виртуальной реальности — качественный управляющий компьютер.

Современная модель электронного шлема с электронными очками, изготовленными по новейшим технологиям.

Требования, предъявляемые к нему, очень высоки, а возможности современных компьютеров пока еще им не соответствуют. Летные тренажеры, на которых пилоты учатся управлять самолетами, еще нельзя в полной мере назвать средствами виртуальной реальности. В них используются быстродействующие компьютеры, но представление об окружающем мире ограничивается небольшим числом признаков — взлетными полосами, зданием аэропорта, холмами, деревьями и другими самолетами. Для подготовки пилотов этого вполне достаточно: главное — правильно воссоздать расположение взлетных полос и помехи, которые могут создать трудности в полете, а не добиться четкости изображения, скажем, автомобиля, припаркованного у здания аэропорта.

Виртуальное помещение (в данном случае лестничный марш и кабинет) появляется в результате поэтапного проектирования. Программист-дизайнер конструирует отдельные предметы обстановки, которые в конце концов будут скомбинированы в единую виртуальную комнату.

Как создаются виртуальные миры?

Чтобы у вас создалось ощущение, что вы на самом деле попали в виртуальный мир, каждая отдельная сцена и каждый его отдельный предмет должны быть соответствующим образом продуманы и спроектированы. Чем больше составляющих предмет элементов, тем выше требования, предъявляемые к скорости вычисления компьютера.

Создание всего лишь одной комнаты, такой, например, как на рисунке, — с окнами, шторами, мебелью, люстрой и кафельным полом, — дело кропотливое.

Прежде всего программист-дизайнер определяет, что и где будет находиться в помещении, а затем начинает конструировать на компьютере каждую отдельную деталь, работая скорее как столяр, чем как чертежник. Так, чтобы «построить» стол, он сначала отдельно «изготовит» столешницу, потом ножки и боковины, а затем соберет все вместе. Так же, деталь за деталью, обозначая их пока контурными линиями, он создаст и другие предметы мебели (выполненная контурными линиями модель называется сеточной).

Только теперь, когда все готово, он обставит виртуальную комнату на экране.

На следующем этапе дизайнер определяет, какого цвета будут комната (ее стены, пол, потолок, двери и т. д.) и мебель и из каких материалов будут сделаны все предметы. Он выбирает бумажные обои, шелковую ткань для штор, желтый металл и матовое стекло для люстры, рисунок древесины — ему нужно решить, из чего будет стол — из дуба или березы, покрытие пола — линолеум, паркет, скажем, из дуба или бука либо кафель. На основе этих данных компьютер раскрасит и сделает «настоящим» все, что было прежде обозначено контурными линиями.

Специалисты называют эту стадию визуализацией (еще они употребляют такие слова, как рендеринг, заполнение, оживление, фактуризация). Далее переходят к освещению.

Прежде всего нужно уточнить, где находится источник света, как далеко и в каком направлении распространяются его лучи. Например, свет настольной лампы расходится широким конусом, а всю комнату освещают лучи солнца, проникающие через окна.

Чем более реальным должно быть изображение, тем больше времени уйдет у компьютера на обработку данных. Особенно долго рассчитываются световые эффекты вроде бликов на поверхностях и прозрачность элементов. Один из наиболее часто применяемых методов — трассировка лучей. При этом компьютер обсчитывает каждый отдельный световой луч: как он проходит через комнату, отражается от поверхности, поглощается, преломляется или насыщается другими цветами и, наконец, попадает в глаза наблюдателя. Высокопроизводительный компьютер рассчитывает детали одной комнаты не меньше четырех дней. И это только один неподвижный кадр! А для того, чтобы у человека создалась иллюзия движения, перед его глазами за одну секунду должно последовательно пройти по крайней мере 25 кадров. Это означает, что при проектировании виртуального мира, в котором при любом движении головы изменяется угол зрения, компьютеру на расчет каждого кадра остается лишь 0,04 секунды.

Тем не менее, если в новых моделях компьютеров скорость вычислений и далее будет увеличиваться вдвое каждые 18 месяцев, как это происходит в последние годы, нам не придется долго ждать, когда появятся системы, способные создавать виртуальную реальность в полном смысле слова.

Фильм «Кто подставил кролика Роджера?» — пример комбинирования анимации и играющих «вживую» артистов. Это стало возможным благодаря средствам мультимедиа.

Динозавров из фильма «Парк юрского периода» компьютер сначала трехмерно смоделировал, а затем скопировал в фильм.

Где будут применяться системы виртуальной реальности?

Первыми, кто применит доступные «рядовому- человеку системы виртуальной реальности, отвечающие предъявляемым к ним требованиям, скорее всего, станут производители игр. Конечно, игры, переносящие вас по первому желанию в виртуальный мир, найдут громадный спрос. Несколько играющих смогут подключать свои компьютеры к одному общему — серверу — и в искусственно созданном мире выступать друг против друга или действовать единой командой.

Для этого им нет необходимости находиться в одной комнате и сидеть за одним компьютером: если на их компьютеpax нет какой-то игры, а она есть, например, на сервере в Internet, ее можно загрузить на время.

Но, вероятно, еще интереснее окажутся путешествия по виртуальным мирам с познавательной целью. Почему бы, сидя дома, не спланировать отпуск или не отправиться на Крит или в другие части света и не полюбоваться местными достопримечательностями. Это экономит и время, и деньги. Кроме того, заметно поредевшие толпы туристов будут наносить меньше вреда окружающей среде. Уроки географии или истории изменятся до неузнаваемости. Школьники будут виртуально забираться на вершину Эвереста, заседать в курии вместе с сенаторами Древнего Рима, выслеживать мамонтов с охотниками каменного века.

Искусственный человек «Виртуальный Джек». С его помощью в компьютерном моделировании, например, автомобилей разработчики проверяют, насколько удобна будущая модель.

Конечно, систему управления устройствами, формирующими виртуальную реальность, можно использовать по-разному, например, для добычи полезных ископаемых со дна океана — сейчас разрабатываются технологии для дистанционного управления роботами, транспортными средствами и другими сложными машинами. А какую неоценимую услугу оказали бы эти средства ученым-натуралистам! Представьте, сколько интересного мог бы увидеть управляемый мини-робот, оснащенный телевизионной камерой, в ходах муравьиной кучи. Сколько новых открытий было бы сделано с помощью таких роботов!

Как ни увлекательны виртуальные миры, но они таят в себе и немалую опасность. Они дарят человеку гораздо более яркие впечатления и острые ощущения, чем действительность, поэтому для легко увлекающихся людей они могут стать своеобразным наркотиком. Вероятно, многие, особенно недовольные своей жизнью, предпочтут искусственный рай серым будням и будут снимать электронный шлем только во время еды и сна. Последствия могут оказаться самыми печальными: действительность и вымысел так перепутаются в их головах, что и в обыденной жизни они будут вести себя как в виртуальном мире, где путь к достижению цели нередко сопровождается насилием.

Цех виртуальной фабрики, где человек в электронном шлеме и перчатках управляет виртуальным роботом-манипулятором.