Миры в «виаре», а трекинг – в «реале»

Системы VR — это сумма технических решений, слаженная работа которых способна погружать человека в иные пространства. Эти системы могут быть построены на разных физических основах и использовать разные технологии, но если есть желание разобраться в принципах их работы — это не трудно.

Виртуальная реальность развивается очень быстро и становится все популярней. В современных условиях уже недостаточно просто показывать пользователю качественно отрисованные виртуальные миры. Человеку нужно действие в виртуальной реальности!

От VR к True VR

Обеспечить пассивное погружение в виртуальный мир можно, заставив базовые органы чувств человека поверить в реальность мира, отрисованного компьютером. Тут принцип работы известен: в шлеме виртуальной реальности два экрана перед глазами создают картинку, которую человек воспринимает как объемную, а два наушника – транслируют стереозвук. Это эффектно стирает грань между виртуальным и реальным миром. Но этого мало.

Для полного погружения пользователю нужно обеспечить активность – он хочет действовать внутри VR-пространств. И такое вполне возможно. Чтобы отличить новые решения с возможностью активного взаимодействия с окружающим миром от старого VR, где пользователь был только лишь пассивным наблюдателем, их иногда называют True VR. Они позволяют пользователю свободно и естественно двигаться внутри виртуального мира: ходить, поворачиваться, размахивать виртуальными спортивными снарядами или виртуальным оружием.

Для True VR нужен трекинг, то есть отслеживание движений пользователя в реальном мире. Компьютер непрерывно получает информацию от сенсоров, рассчитывает новое положение и немедленно вносит изменения в отрисовку виртуального мира. Именно реализация трекинга оказывается самой сложной задачей. Гораздо сложнее, чем просто демонстрация виртуальных миров пользователю. Для задач отслеживания движений создано много решений на разных технологиях, о чем мы сейчас и поговорим.

Трекинг: разные принципы и особые требования

Трекинг должен быть выполнен быстро и точно. Отставания действий в «виртуале» от движений в «реале» приводят к нарушению реалистичности. Компании активно работают над развитием технологий и построенных на их основе программно-аппаратных систем. Позиционирование и трекинг может быть построено на разной физике – использовать оптические методы, акустические, инерционные или магнитные.

Сегодня технологическим лидером в трекинге для задач VR являются оптические методы, работу которых с нужными скоростями реализовать проще и дешевле. В техническом плане тут есть два подхода: Outside-In Tracking и Inside-Out Tracking. В первом случае сенсоры, выполняющие трекинг, расположены вне VR-шлема, во втором, наоборот, установлены в шлеме. Строго говоря, отслеживать нужно не только положение VR-шлема, но и VR-контроллеров. В наиболее продвинутых технологиях – например, в SteamVR, которую мы будем рассматривать ниже – принципы отслеживания шлема и контроллеров одинаковы. Однако, сейчас на рынке можно встретить решения, в которых трекинг контроллеров отслеживают относительно VR-шлема, используя Bluetooth, ультразвук, инфракрасное излучение и т.п., но при этом сложно добиться нужного разрешения и скорости.

Аналогичные проблемы есть и при использовании Outside-In Tracking. В таких решениях по периметру зоны реального мира, в которой перемещается пользователь установлены сенсоры-видеокамеры, передающие сигналы системе «машинного зрения». Чтобы упростить работу, на шлем, конечности пользователя и контроллеры крепят маркеры: пассивные оптические метки или светодиодные, иногда с модулированным свечением. Однако, тут есть проблема – такая система обладает малым пространственным разрешением, то есть недостаточно точно определяет небольшие движения рук и ног, повороты головы и т.д.

Точность трекинга в сочетании с низкой задержкой сигнала обеспечивает реалистичность погружения, позволяя человеку комфортно находиться VR-пространствах в течение длительного времени. Иначе появление лагов приводят к тому, что мозг пользователя начинает чувствовать «подвох», а это не только снижает реалистичность, но и может приводить к головной боли, головокружению и т.д. Поэтому системы трекинга непрерывно совершенствовали, пока не получили точную и быструю, причем достаточно простую в реализации, чтобы стать массовой.

Как это работает в SteamVR?

Система SteamVR, созданная Valve и HTC, использует оптические методы для трекинга и построена на принципе Inside-Out Tracking: сенсоры помещены на пользователе, а маркеры – на базовых станциях, размещенных на границах зоны перемещения.

Каждый маркер создает в пространстве зоны лазерную развертку, которую считывают сенсоры на пользователе. В зависимости от местоположения сенсора, лазерный луч будет добираться до него с разной задержкой, а зная эту задержку, можно с высокой точностью определить координаты пользователя. Чтобы синхронизировать между собой маркеры на базовых станциях – а их нужно минимум две, по понятным причинам – система использует радиоканал.

В чем преимущества SteamVR

Основное преимущество SteamVR: высокая точность позиционирования. При увеличении скорости развертки лазеров на маркерах – а технически сделать это достаточно просто – можем ловить смещения шлема и контроллеров буквально на миллиметры.

Точность – ключевое преимущество SteamVR, но не единственное. Технология позволяет обеспечить нахождения в единой зоне нескольких шлемов/контроллеров. SteamVR допускает масштабирование — пусть сейчас для создания единой зоны можно использовать не более 4 базовых станций, но и это уже неплохо!

Наконец, система проста в исполнении, как следствие – надежна и по стоимости доступна для массовых пользователей VR-решений, начиная от энтузиастов, заканчивая профессионалами.

Развитие продолжается

Сейчас реализована вторая версия SteamVR, принцип ее работы остался прежним, только усовершенствованы маркеры, которые могут более гибко взаимодействовать друг с другом. Это позволяет увеличивать размеры единой игровой зоны или размещать независимые VR-зоны рядом друг с другом.Преимущества SteamVR позволяют использовать ее в самых продвинутых VR-решениях – VIVE Pro/Pro Eye, Valve Index, Pimax, VIVE Cosmos Elite. Это решение прекрасно подходит для развлечения, обучения, маркетинговых задач и т.д.

Практических примеров VR-задач, в которых важна точность трекинга, множество. Прежде всего, это симуляторы прикладных задач – индустриальных, медицинских, транспортных. Сегодня в VR специалисты десятков отраслей могут пройти обучение и повысить квалификацию – от хирургов до спасателей, от пилотов до инженеров ЦОДов, от военных до специалистов атомных электростанций. Разумеется, точность позиционирования важна и для развлекательных симуляторов, например, традиционного спорта, компьютерных игр и творчества. Количество сценариев, где важна высокая точность действий в VR, постоянно растет.