Ещё несколько лет назад мы со сладким предвкушением и замиранием читали очередные порции новостей об Oculus Rift. Но в какой-то момент вдруг начали появляться и другие разработки в сфере виртуальной реальности (ВР), лишив Rift своеобразной монополии на новизну. С появлением кардбордов порог вхождения в ВР упал ниже плинтуса. Технология стала ещё ближе, ещё доступнее, хотя индустрия пока только приноравливается к новинке. Наблюдается очевидная нехватка идей, да и специалисты по виртуальной реальности — птицы редкие. А пока инноваторы ищут интересные пути развития технологии, давайте вспомним, с чего начиналось её становление. А заодно подумаем, как ВР может трансформироваться в будущем.
Визуализация
История ВР началась задолго до того, как Джон Кармак, стоявший у истоков жанра 3D-шутеров, приложил руку к созданию Oculus Rift. Да что там — ещё за несколько лет до рождения Кармака, в 1962 году, Мортон Хейлиг (Morton Heilig) получил патент на установку, которую можно считать прародительницей технологий виртуальной реальности, — Sensorama.
Усевшись в кресло и погрузив голову в футуристический раструб, пользователь мог за 25 центов (немалая сумма по тем временам) посмотреть на выбор один из пяти коротеньких фильмов, длившихся по две минуты. Сенсорама предлагала неизбалованному зрителю середины прошлого века такие высоты технологий, как цветное стереоизображение, стереозвук, запахи, ветер (из встроенного фена) и вибрирующее кресло.
В 1965 году Айвен Сазерленд представил свою разработку — устройство, считающееся первым в истории шлемом виртуальной реальности. Изображение генерировалось с помощью компьютера, хотя термин «компьютерная графика» здесь применим с трудом. Сначала видеосигнал выводился на два ЭЛТ-монитора, а затем изображение с них по оптической системе передавалось на окуляры. По сути, и шлемом-то это назвать тяжело — девайс представлял собой объёмную стационарную систему, подвешенную к потолку. Зато здесь присутствовали зачатки интерактивности: изображение менялось в зависимости от движений головы пользователя.
В первой половине 1960-х начинаются и разработки алгоритмических средств создания виртуальных миров. Лоуренс Робертс (Lawrence Roberts), учившийся вместе с Сазерлендом в Массачусетском технологическом институте, создал алгоритм удаления скрытых или загороженных поверхностей при обсчёте изображения компьютером, что позволяло экономить более чем скромные вычислительные мощности того времени. А в 1965 году Робертс представил однородную схему координат для расчёта преобразований и перспективы, лёгшую в основу новых алгоритмов вычисления скрытых поверхностей.
В последующие годы разработки в сфере ВР в основном не выходили за стены университетов и военных лабораторий. В частности, американские ВВС спонсировали разработку шлема для пилотов-истребителей, призванного упростить управление самолётом и взаимодействие с его системами, упорядочить поток всевозможной входящей информации в условиях боя. Для отображения виртуального кокпита было выбрано очень широкое поле зрения — 120 градусов.
Ещё в Советском Союзе была впервые внедрена нашлемная система целеуказания, позволявшая пилотам одним лишь поворотом головы управлять наведением вооружения. И сегодня разработки в этой области активно продолжаются, так что вполне вероятно, что в будущем военные пилоты получат «прозрачные» кокпиты, когда в шлем будет транслироваться цифровое изображение всего пространства, окружающего самолёт.
Следующей важной вехой в истории разработки виртуальной реальности стал проект «Кинокарта Аспена», реализованный в 1978 году. С помощью специальной установки на крыше автомобиля были сняты на 16-миллиметровую киноплёнку улицы городка Аспена. Эти изображения потом были переведены в текстуры, натянутые трёхмерные модели зданий.
Затем было сгенерировано много коротких видеороликов «езды» по городу, один фрагмент на один квартал. Ролики записали на оптический носитель LaserDisc, откуда они считывались в зависимости от направления движения, которое пользователь выбирал с помощью меню, выведенного поверх картинки. Были сделаны две виртуальные версии города — летняя и зимняя.
В 1985 году для NASA была разработана относительно дешёвая станция виртуальной реальности. Она представляла собой систему из шлема VIVED (Virtual Visual Environment Display) и компьютера PDP-11/40 производства Digital Equipment Corporation. Станция была оснащена двумя 19-дюймовыми мониторами, камерами, датчиками движения головы и специально разработанной схемой обработки видеосигнала. Станция использовалась для таких задач, как исследование поверхности других планет, гидродинамическое моделирование, управление космическими роботами.
Дотянуться до звёзд
Как известно, для погружения в виртуальную реальность очень важно предоставить пользователю возможность взаимодействовать с объектами. Современное дешёвое решение — простенькие манипуляторы с парой кнопок.
Но идеальный вариант — полное моделирование кистей рук. Первая виртуальная перчатка, позволявшая отслеживать и передавать движения наших конечностей, — Sayre Glove — была разработана в 1977 году Томом Дефанти (Tom Defanti) и Дэниэлем Сандином (Daniel Sandin). Степень сгибания пальцев вычислялась любопытным образом: вдоль пальцев проходили трубки, на одном конце которых были источники света, а на другом — фотоприёмники. Чем сильнее изгибалась трубка, тем меньше света поступало на датчик, исходя из чего можно было рассчитать сгибание пальцев.
В 1983 году Гэри Граймс (Gary Grimes) запатентовал перчатки Digital Data Entry Glove, оснащённые датчиком позиционирования кисти в пространстве. Вместо трубок здесь уже использовалось оптоволокно.
Вскоре появились и первые коммерческие перчатки DataGlove, стоившие 9000 долларов.
Пожми мне руку
Ещё одним компонентом технологии виртуальной реальности стала передача тактильных ощущений. В 1967 году Фредерик Брукс (Frederick Brooks) запустил проект GROPE, целью которого было создание тактильного интерфейса, предназначенного для молекулярного инжиниринга. То есть человек должен был в буквальном смысле чувствовать возможность соединения тех или иных молекулярных конструкций. В результате исследований родилась установка GROPE-I, работавшая в двух измерениях.
В 1976 году была создана GROPE-II, которая могла работать во всех шести измерениях (три — перемещение в пространстве и три — вращение). Правда, установка несколько опередила своё время: компьютеры могли обрабатывать в реальном времени только очень простые модели.
Согласно расчётам команды Брукса, для реалистичного моделирования сил межмолекулярного взаимодействия необходимо было нарастить вычислительные мощности в 100 раз по сравнению с имеющимися на тот момент. В результате проект заморозили на десятилетие. В 1986 году компьютеры достигли нужной производительности, а в 1988-м была создана установка GROPE-III.
Сегодня в играх и прочих виртуальных развлечениях обратная тактильная связь почти не используется, поскольку это усложняет и удорожает оборудование, да и нагрузка на вычислительные мощности повышается. Но есть области, где тактильные интерфейсы имеют огромное значение, например в хирургических роботизированных установках.
Предыдущее поколение виртуальной реальности
Из-за многочисленных трудностей и несовершенства технологий разработка ВР-систем в 1970–1980-х годах шла ни шатко ни валко. Однако к началу 1990-х развитие микроэлектроники и рост вычислительных мощностей позволили снова вспомнить о столь многообещающей идее. В 1991 году Sega громко разрекламировала шлем Sega VR, сообщив, что выпустит его в продажу в ближайшее время. Увы, но довести продукт до уровня коммерческой привлекательности им не удалось, и в 1994 году проект был закрыт.
Также можно отметить игровые автоматы Virtuality, оснащавшиеся шлемами с задержкой не более 50 миллисекунд, джойстиками, микрофонами и возможностью играть по сети здесь же, в общем гнездовье. В каждом шлеме стояли два LCD-дисплея с разрешением по 276 × 372 пикселя.
Показывать убедительные трёхмерные миры, позволяя пользователю с ними взаимодействовать, — это огромное достижение. Но всё же шлемы и кардборды подходят не всем. В них довольно быстро устают глаза, а длительное использование может плохо сказаться на зрении. Кроме того, погрешности в работе датчиков и нехватка вычислительных мощностей могут приводить к рассинхронизациям между движением тела и изображением, что может вызывать неприятные физические ощущения и даже разрушать эффект погружения. Поэтому одним из ответвлений на Древе Виртуальной Реальности стали технологии, в которых человек освобождён от шлема и прочих устройств, а изображение проецируется на стены, пол, потолок и другие поверхности в пределах конкретной комнаты. Иными словами, это разновидность дополненной реальности.
Одной из первых разработок в этой области стал проект CAVE. Первый прототип, появившийся в 1992 году, представлял собой кубическое пространство с длиной ребра 3 метра. Все внутренние поверхности служили отражающими экранами, на которые проецировалось стереоизображение с проектора.
Здесь пользователь ещё не был полностью свободен от проводов и гаджетов. Как минимум нужно было надеть стереоочки, чтобы ощутить эффект объёмности проецируемого изображения.
Система отслеживала положение головы и рук пользователя, корректируя стереоскопический эффект. Человек мог ходить по кубу, «исследуя» виртуальный мир, и взаимодействовать с объектами с помощью трёхкнопочного манипулятора.
«Комнатная» концепция легла в основу и более позднего проекта — Microsoft RoomAlive.
Недостатки такого подхода очевидны: громоздкость, не слишком высокое качество получающегося изображения, зависимость от освещения, полное отсутствие мобильности. Зато при передвижении в пространстве человек чувствует себя не в пример увереннее, не опасаясь наткнуться на мебель или стены, как это бывает с пользователями шлемов.
В конце 1994 года компания Victormaxx выпустила свой шлем CyberMaxx. Разрешение каждого экрана составляло 505 × 230, можно было настраивать цветовой оттенок изображения. Стоил шлем достаточно дорого и был весьма требователен к производительности компьютера.
В 1995 году замахнулась на шлем и Nintendo — её весьма специфический продукт, имевший монохромное изображение, получился абсолютно провальным.
В том же 1995 году компания Virtual IO выпустила свою версию шлема — i-glasses. Это был довольно интересный продукт: компактный, лёгкий, удобный в ношении. К сожалению, мобильность у этого шлема была условной: куча кабелей, блок питания, собственный системный блок, не считая самого устройства… Разрешение изображения достигало целых 640 × 480.
Также стоит упомянуть шлем Forte VFX1, чей дизайн даже сегодня можно назвать весьма современным. Лаконичность линий, ничего лишнего. Разрешение было весьма скромным — 263 × 230 пикселей. Зато в комплекте шёл небольшой шайбообразный джойстик, позволявший управлять в трёхмерном виртуальном пространстве.
Через пару лет на рынке появился шлем Glasstron, разработанный в Sony. Было выпущено несколько моделей, наилучшая из которых обладала разрешением 800 × 600. Шлем имел возможность переключения режимов управления: либо игрок двигался по направлению своего взгляда, либо движение и обзор становились независимыми, чтобы можно было, например, покрутить головой в кабине.
Новая волна
После всплеска в девяностых интереса к виртуальной реальности снова наступило длительное затишье. А в феврале 2012-го появилась первая информация о новой разработке, относящейся к сфере дополненной реальности, когда происходит наложение компьютерной графики на окружающее пространство. Этой новинкой были очки Google Glass.
В том же году была анонсирована другая «знаменитость» мира гаджетов — шлем Oculus Rift. Примечательно, что немалая доля бюджета была собрана на Кикстартере. Спустя примерно четыре года, в январе 2016-го, по предзаказу была распродана первая партия «рифтов».
А дальше одно за другим стали анонсировать новые устройства виртуальной реальности. Осенью 2013-го стало известно, что в Sony работают над шлемом PlayStation VR (Project Morpheus), предназначенным для использования с игровыми приставками этой компании. Разрешение — 1920 × 1080. Пока что устройство находится в разработке, его выход в продажу назначен на 2016 год.
В 2014 году появился ранний прототип шлема HTC Vive, разработанного совместно с Valve. Разрешение обоих экранов — по 1080 × 1200. Устройство поступило в продажу совсем недавно. В комплекте идут два манипулятора. Помимо всевозможных датчиков, которыми нашпигован Vive, используются и две дополнительные внешние станции, отслеживающие положение игрока.
В 2014 году был анонсирован всем известный проект Google Cardboard. Идея проста до гениальности: из картонных вырезок пользователь сам собирает шлем, вставляет две линзы и смартфон. Всё, добро пожаловать в виртуальную реальность для
Та же идея — использование смартфона в качестве «начинки» — легла в основу шлема Samsung Gear VX. Он заточен под работу с Samsung Galaxy Note 4. Естественно, как и в случае с картонкой, уровень погружения и качество изображения совсем не такие, как у полноценных шлемов. Зато устройство гораздо дешевле, крайне просто в использовании и не требует заморачиваться с настройкой компьютера и игр.
Компания Razer также решила урвать кусок пирога на празднике жизни виртуальной реальности. Совместно с Sensics они разрабатывают проект OSVR — Open Source Virtual Reality. Это ещё один шлем, с разрешением 1920 × 1080. Его особенность заключается в открытости исходного кода ПО устройства и средств разработки игр. Этакое дружелюбное устройство для энтузиастов разработки ВР.
Google Glass сегодня не единственный интересный проект в сфере дополненной реальности. Уже завершается работа над Microsoft HoloLens. Это довольно массивные прозрачные очки, в которых голографическое изображение виртуальных объектов вписывается в реальный мир. Очки оснащены четырьмя камерами, сканирующими окружающее пространство, всевозможными датчиками и мощным процессором. Устройство не просто проецирует объекты, а ещё и позволяет с ними взаимодействовать, распознавая жесты пользователя. В продажу оно пока не поступило, но уже известна стоимость для разработчиков — 3000 долларов.
Что дальше?
Судя по всему, в последующие несколько лет мейнстримом виртуальной реальности окажутся полноценные шлемы. Они будут совершенствоваться, наращивая разрешение, производительность, точность отслеживания действий пользователя. Например, на Kickstarter собрали деньги на создание шлема FOVE, который для пущей точности отслеживает движения глаз игрока. Утверждается, что это поможет снизить утомляемость и расширить игровые возможности: например, можно будет выбирать направление движения поворотом головы, а целиться глазами. Другой пример улучшения идеи — создание шлема с углом обзора, приближённым к естественному, когда задействуется и периферическое зрение, как в шлеме StarVR. Это играет важнейшую роль в формировании чувства присутствия и сопричастности.
Также наверняка появятся гаджеты для любителей поиграть со шлемом. Уж джойстики в виде оружия поклонники 3D-шутеров точно оценят. Фишка в том, что они будут эмулировать отдачу при стрельбе (как, например, Striker VR), ещё сильнее погружая в игровую атмосферу.
Скорее всего, нас ждёт бурный рост видео, снятого в формате 360 градусов. Его можно уже и сегодня смотреть на обычном компьютере, но в шлеме-то совсем иные ощущения! Facebook на днях сообщил о создании видеоустановки для съёмки «сферических» видео — Surround 360. Она оснащена 14 камерами, каждая из которых снимает с разрешением 2048 × 2048 и частотой 60 кадров в секунду. Да уж, придётся делать не в пример больше декораций.
По сути, это ответ на прошлогодний проект Jump от Google.
Также одним из трендов, как считает Цукерберг, может стать появление устройств, в которых будут объединены технологии виртуальной и дополненной реальности. Как в шлеме Sulon Q, с разрешением дисплея 2560 × 1440.
Хотя, по мнению того же Цукерберга, в будущем всё же будет превалировать дополненная реальность, а сами гаджеты будут стремиться к облику очков, а не шлемов. А там, глядишь, реальность будет дополняться и виртуализироваться прямо у нас в голове.
Поживём — увидим. Да пребудет с вами пиксель!
