Фрэнсис Хэмит Виртуальная реальность
(Дайджест книги) Книга "Virtual Reality" написана Фрэнсисом Хэмитом - журналистом, в течение последних 25 лет занимающимся новыми технологиями, такими как роботы, искусственный интеллект и компьютерная графика. Виртуальная реальность это соединение компьютерной графики со взаимодействием "человек компьютер". Использование компьютера требует от нас изучения не столько нового языка, сколько новой культуры. В процессе этого изучения мы бываем поражены нашей собственной ограниченностью, нам становится страшно из-за того, что мы нарушаем некие таинственные запреты. Эти приключения требуют от нас отбросить все культурные предрассудки и принять чуждые нам условия и обычаи. Данная книга представляет собой ряд очерков, которые не просто описывают технические тонкости развивающейся технологии, но стремятся обрисовать социальный, политический и деловой контекст этой новой сферы знаний. Наша терра инкогнита называется киберпространством. Самому понятию, самому слову меньше десяти лет. Его впервые описал в 1985 г. Уильям Гибсон в научно-фантастическом романе "Neuromancer" как единую, согласованную галлюцинацию миллиардов людей. Он написал о сверкающем мире, создавшем новую вселенную электронной медиации, где факты воспринимаются в своем физическом проявлении - не только слышатся и видятся, но и чувствуются. Однако сама идея киберпространства не нова. В этом направлении уже работали такие первооткрыватели, как Морзе, Эдисон и Маркони. Обычно киберпространство воспринимается через окно или экран. Теперь, благодаря технологиям виртуальной реальности, становится возможным превратить этот двухмерный взгляд в прямое трехмерное управление реальностью. Некоторым людям эта идея кажется восхитительной, остальных одолевают страх и опасения. Киберпространство - это сфера информации, полученной посредством электроники. В настоящее время мы окружены океаном фактов. Их можно воспринимать не только как числовые ряды, но и как текст, образы, голос, музыку. На протяжении человеческой истории альтернативные и искусственные реальности имели много форм, и некоторые из них описываются в этой книге, но, говоря о виртуальной реальности, мы имеем в виду графическое представление киберпространства. Идея виртуального мира не нова. Она содержится уже в использовании объектно-ориентированного программирования, манипулятора "мышь" для создания изображений, графическом интерфейсе пользователя или компьютерных тренажерах для "безболезненного" испытания новых устройств. Мысль об использовании виртуальных объектов или графических представлений вместо реального мира делает взаимодействие "человек - компьютер" более дружественным и доступным нам. Наиболее известным примером такого рода (имеющим корни в докомпьютерной технологии) является имитация полета. Корень концепции - в способности компьютеров изменять функцию через изменение программы. Эта гибкость и дает компьютерам их силу. Идея виртуальной реальности в том, что эти интерфейсы должны быть не просто представлением, но замещением во всех смыслах; пользователь должен не просто дергать "мышь" или другое средство контроля, но поворачивать виртуальную ручку так же, как и реальную. Это не только подразумевает использование зрения и, возможно, слуха, но и затрагивает чувственное восприятие в процессе обратной связи. Более того, пользователь виртуального мира должен быть готов брать и передвигать объекты, существующие внутри этого мира, а также перемещать внутри киберпространства свое тело или его части. Вы смотрите на головной дисплей: на нем - два слегка различных изображения одного объекта. Ваш мозг соединяет эти образы в единое трехмерное представление. Когда вы поворачиваете голову, образ меняется так же, как это было бы в реальном мире. Если вы хотите внутри этого виртуального пространства сдвинуть или изменить объект, вам надо использовать входное устройство. Традиционные входные устройства, вроде джойстиков, клавиатуры и "мышей", заменены перчаткой, рецепторы которой реагируют не только на положение, но на форму и изгибы вашей руки. Вы смотрите на отображение руки, двигаете собственной рукой и осознаете, что на самом деле - это один и тот же объект. У перчатки и головного дисплея есть следящие устройства, которые наблюдают за вашими движениями и передают информацию мощному компьютеру, являющемуся хозяином виртуального пространства. Вы с трудом ориентируетесь в этом странном новом мире, состоящем из ярких многоугольников. Сделав несколько жестов рукой, вы можете просто пролететь его насквозь. По мере того, как вы овладеваете параметрами новой реальности, к вам приходит огромное воодушевление. По некоторым данным, термин "виртуальная реальность" был придуман в Массачусетском Технологическом Институте в конце 1970-х годов, чтобы выразить идею присутствия человека в компьютерно создаваемом пространстве: идея интерактивности уже была в фокусе многих экспериментов в МТИ. Затем она перешла в Лаборатории Атари, где в начале 1980-х работали многие выпускники МТИ, а дальше получила распространение в индустрии компьютерных игр. Однако для того, чтобы испытать виртуальную реальность, вовсе не обязательно просовывать свою голову в киберпространство. Существует иная ее форма - окно. Виртуальная реальность Desctop использует оконный блок монитора или видеоэкрана. В кабинетной виртуальной реальности используются те же технологии, что и на тренажерах военных летчиков. Это позволяет привлекать большие группы людей. Телеприсутствие, которое может быть освоено любой из вышеназванных методик, можно разделить на отдаленное присутствие, когда виртуальная реальность используется для управления таким оборудованием, как роботы в реальном мире, и телеобщение, когда пользователь так или иначе представлен в виртуальной реальности и может взаимодействовать с искусственными агентами или личностями. Игровая легкость в обращении с компьютерами порождает эффект, именуемый "флоу" (поток, течение). Это - чувство единства с машиной, заставляющее людей работать с ней целыми днями. Оно свойственно, конечно, не только тем, кто работает на компьютерах, но и работающим на гоночных машинах, военных самолетах и т.п. Когда пользователь преодолевает барьер обучения, тогда то, что было трудным и отнимало массу времени, становится настолько приятным и простым в обращении, что становится второй натурой. Для виртуальной же реальности предел стремлений - сделать пользователей одним целым с машиной, помещая их внутри нее, т.е. заменяя мир реальный миром виртуальным. Это проще, чем кажется. Первый инструмент проникновения в виртуальную реальность дан нам от рождения - это мозг и его сенсорные рецепторы. Главным средством нашего восприятия является визуальная система. Остальные чувства помогают обрести нашему взгляду на мир полноту. У нас семь основных чувств: зрение, слух, осязание, обоняние, вкус, равновесие и ориентация. На наше восприятие влияют пересечения этих чувств, как, например, чувство движения (жеста), различающееся не только глазами, но и самим телом. Мозг интегрирует все получаемые им сигналы ото всех рецепторов и сопоставляет новые данные с теми, что уже имеются в нашей памяти. Одна из основных проблем в освоении виртуальной реальности состоит в том, чтобы эти частично совпадающие (перекрывающиеся) данные были удовлетворительны в информационном отношении. Диссонанс восприятия, когда сигналы разноречивы, может вызвать дезориентацию, растерянность и даже болезнь. Визуальные сигналы вовсе не обязательно обусловлены стереоскопическим видением. Линии перспективы, тени световых бликов, освещения и фактуры могут придать двумерной графике трехмерный вид. Современная технология виртуальной реальности - это ответвление компьютерной графики, повлиявшей на все - от составления карт до телерекламы. Компьютерная графика открывает широчайшие возможности для манипуляции трехмерными образами, но при этом требует огромных затрат энергии. Том Фернес из Лаборатории Человеческого интерфейса технологии в Университете штата Вашингтон в Сиетле оценивает энергетические затраты на создание полной интерактивной среды виртуальной реальности в один гигабайт в секунду на терминал. Обычно для обеспечения работы одного головного дисплея требуется два отдельных терминала. Новое поколение терминалов, в котором используются параллельные процессы, может справиться с задачей при помощи всего одной машины. Требуемая ширина полосы для пропускания всех этих данных через сеть равна той, что необходима для более чем четырехсот одновременных телефонных разговоров. Создание компьютерной графики не похоже на создание реальных образов средствами фотографии или даже видеокамеры. В нем выделяются три части: вход, создание образа и дисплей. Такая графика начинается с занесения данных - с помощью клавиатуры, цифрового преобразования видеоинформации, оптического просмотра образа, создания на цифровом планшете рисунка с помощью светового пера или даже подключения сенсоров к движущимся объектам и записи их движений и положений. Для этого может быть использован любой прибор, собирающий информацию, - от электронного микроскопа до шпионского спутника. Компьютерные изобразительные программы создают образы так же, как художник создает образ на мольберте. Линии и тени в изображении могут изменяться. Они могут быть закодированы как часть изображения или вызваны из памяти компьютера. Освещение картины может быть изменено сменой направленности, интенсивности и отсветов каждого источника света. Будучи записанной в цифровой форме, эта информация подвержена самым разнообразным манипуляциям, имеющим ограничения только в нашем воображении. Когда изображение обработано, оно также может быть представлено разными способами: в виде отдельных копий, фильма, мультипликационного или видеофильма и т.п. В этих изображениях заключена необработанная трехмерная география данной виртуальной реальности. Именно здесь в силу ограничений в мощности компьютера возникает необходимость компромисса между полнотой изображения и частотой кадра. "Awire-frame"-графика может обновляться 30 раз в секунду, создавая контур для мультипликации. При создании высокодетального изображения для каждого из них требуются часы. Чтобы справиться с этим препятствием, некоторые исследователи понижают частоту кадра и используют большие многоугольные модели, включая движущиеся трехмерные образы в виртуальный мир. Другое возможное решение лежит на путях использования цифрового видео. Современная технология виртуальной реальности начинается с попытки соединить визуальное восприятие с восприятием движения и звука. Ее первоначальное применение предшествует изобретению компьютера. Имеется в виду, конечно, летный тренажер, в исходной модели которого использовались движущаяся картинка и пневматические передачи, подобные органным трубам. В настоящее время виртуальная реальность отождествляется с более глубоким подходом, чреватым многими препятствиями. Требуются, как минимум, головной дисплей и перчаточное устройство (или другие средства управления виртуальными объектами). Полное погружение требует от пользователя надеть сенсорный костюм, передающий данные о движениях в компьютер. Головной дисплей - это два очень маленьких видеомонитора, установленных так, что каждый из них находится перед соответствующим глазом; на него смотрят через специальные широкоугольные линзы. Размещение этих устройств в маске или шлеме таково, что глаза могут принимать изображение, которое мозг идентифицирует как трехмерное. Некоторые дисплеи снабжены наушниками, создающими звуковую среду. Ранние головные дисплеи были тяжелыми и неуклюжими, более поздним стремятся придать форму легкого шлема, создающего уникальный эффект присутствия в виртуальном пространстве, однако нередко это приводит к обратным результатам. Другие методы, как, например, специальные электронные очки, скорость изображения в которых сопоставима с видеодисплеями, позволяют пользователям работать в реальной среде, одновременно обращаясь к изображениям в среде виртуальной. Поиск более тесного взаимодействия с виртуальными объектами толкает на поиски средств управления ими. Создание перчаточного устройства представляет собой резкий выход за пределы привычных джойстиков, "мышей" и т.д. Оно дает пользователю возможность буквально проникать в киберпространство и изменять его. Перчатка может оценивать положение и изгиб каждого пальца. Это обеспечивается использованием особых оптико-волоконных нитей, фиксирующих количество света, проходящего через каждую нить, или, напротив, измеряющих переменное электрическое напряжение в цепи. Еще один важный элемент системы погружения - это устройство слежения за положением, создающее классическую декартову трехосную систему. Это устройство может работать с помощью либо электромагнитного поля, либо ультразвуковых или инфракрасных лучей. При использовании электромагнитных полей фиксатор позиции получает последовательные сигналы о положении относительно трех декартовых осей. Это дает пользователю так называемые шесть степеней свободы. Лучевые фиксаторы для определения позиции используют простые волны в пределах прямой видимости и тригонометрические исчисления. Одно устройство слежения контролирует движение головного дисплея, а другое - каждую перчатку или иную часть тела, которую пользователь сочтет нужным поместить в киберпространство. У каждого из этих устройств, однако, есть жесткие пределы эффективности. Чтобы привести в действие хотя бы сравнительно примитивную подобного рода систему, требуется мощный компьютер. До недавнего времени для приведения образов в движение требовалось два терминала (по одному для каждого глаза). Теперь создан новый класс терминалов, названных двигателями реальности, которые используют параллельные процессы и приводят в действие оба зрительных канала и всю периферию. Иллюзия пространства также может быть углублена согласованными звуковыми сигналами. Трехмерный звук - не то же самое, что привычное нам стерео, он гораздо сильнее воздействует на человеческие уши, голову и плечи. Индивидуальный характер такой звуковой рецепции позволяет пользователю не только слышать звук, но и определять виртуальное положение его источника. Поскольку информация получается нами преимущественно зрением и слухом, указанных средств достаточно, чтобы создать необходимое чувство места, чувство потока. Но в создании иллюзии также может участвовать осязание. Усилия в этом направлении включают имитацию грубых тканей или температурные колебания на кончиках пальцев перчаток. Другая система сочетает тактильные ощущения с минимальным чувством сопротивления, используя в перчатках крошечные воздушные пузыри. Еще одна методика включает использование физического сопротивления. В новейших экспериментах для придания пользователю чувства маневрирования в виртуальной среде используются велосипеды, каталки и топчаки. Здесь положение фиксируется внутренней программой, продвигающей пользователя через киберпространство в темпе прогулки или поездки. Все эти и многие другие подходы к виртуальной реальности стали возможными только после того, как эволюция знаковых систем искусства привела к созданию кино, соединившего в себе живопись, дизайн, драму, танец, ритуал, музыку, живую речь, звук, фотографию, а с недавних пор и компьютерную графику. Открытость этой новой коммуникативной системы виртуальной реальности была продемонстрирована уже на первых киносеансах, когда зрители в ужасе бежали от поезда, который, как им казалось, ехал с экрана прямо на них. Следующим шагом было создание между двумя мировыми войнами летного тренажера. Рычажный тренажер марки "Линк Трэйнер", запатентованный в 1929 году, заставлял моделирующее устройство двигаться, вращаться, падать, изменять курс и таким образом создавал удовлетворительное ощущение движения. При его модификации начали имитировать боковые виды с помощью фильмов, снятых с летающих аэропланов. В 1939 году на Всемирной Выставке проект Футурама представлял будущее в миниатюре: посетители находились на конвейере, который медленно двигался над панорамой города будущего, создавая иллюзию полета; сама панорама была необычайно тщательной моделью, состоявшей более чем из миллиона деталей. Одновременно к этой теме обратилась научная фантастика. В 1943 Роберт А. Хайнлайн написал "Уолдо" рассказ о странном гении, живущем на спутнике и использующем для разнообразных целей телеуправляемые манипуляторы. В 1950 Рэй Брэдбери написал "Вельд": в виртуальной реальности дети играют с виртуальными животными, пока виртуальные львы не убивают реальных родителей этих детей. В 1952 дебютировало устройство Синерама. Оно состояло из трех экранов и трех синхронизированных камер. Сам принцип мультикамерного фильма впервые был применен Фредом Уолтером на летных тренажерах времен Второй мировой войны. Когда с этим аппаратом познакомился Мортон Хэйлиг, он сразу понял, сколь принципиально его отличие от других вос- производящих систем. В 1955 году, работая в Мексике над своим фильмом, Хэйлиг опубликовал в местном архитектурном журнале статью о кинотеатре будущего. Он подсчитал, что зрительное поле человека составляет 155 градусов по вертикали и 185 градусов по горизонтали. Таким образом, только чтобы охватить поле пассивного зрения, необходимо выйти за эти границы. Хэйлиг предложил такое архитектурное устройство кинотеатра, которое позволило бы при воспроизведении трехмерных изображений избежать применения специальных очков и других устройств. Этот проект никогда не был осуществлен, но его следы можно видеть в таких сооружениях, как кинотеатры системы ОмниМакс. Зато была построена и в 1961 году запатентована Сенсорама - машина с нишей, куда, словно в театр для одного зрителя, помещалось лицо наблюдателя. К его услугам были пять двухминутных трехмерных цветных фильмов, сопровождавшихся воспроизведением звуков, движений, ветра в лицо и запахов. Одна из этих машин дожила до наших дней. В ее основе лежит стереоскопическая кинокамера, позволявшая на 35- миллиметровой пленке передавать трехмерные изображения. Это была виртуальная реальность без компьютера, и зрителям она нравилась. В 1957 году Хэйлиг запатентовал головной дисплей, однако дальнейшее развитие этой идеи осуществил Иван Сазерленд. В 1960-х годах в Гарварде он создал первый стереоскопический головной дисплей. К этому времени ему уже принадлежала первая компьютерная дизайн-программа Скетчпэд. Первый дисплей был настолько тяжел, что пользователи прозвали его "Дамокловым мечом". В нем Сазерленд решил проблему показа только той части изображения, которая видна на дисплее с тем, однако, чтобы пользователь мог изменить угол своего взгляда и увидеть другую часть. Решение этой проблемы позволило сделать изображение динамичным и по-настоящему трехмерным. Сазерленду принадлежит также идея головной следящей системы, основанной на ультразвуковом эффекте. Все вместе эти изобретения заложили основу для работы с компьютерной информацией. В дальнейшем И.Сазерленд перешел на работу в ДАПРА, а потом стал создателем ряда корпораций, специализировавшихся в сфере компьютерно-графической индустрии. Его называют "отцом" виртуальной реальности. В 1965 на одном из выступлений Сазерленда по компьютерной графике оказался Фредерик П. Брукс младший, и это определило его дальнейший жизненный путь. Став незадолго до этого главой Компьютерного научного департамента в Университете штата Северная Каролина в Эйпл-Хилле, свой первый проект он посвятил созданию трехмерной модели молекулы протеина. Брукс всегда говорил о себе как о "создателе инструментов", призванном решать конкретные задачи. Его призвание в том, чтобы обращать внимание на то, что другие считают само собой разумеющимся. Один из его проектов был посвящен решению вопроса, в действительности ли использование головного дисплея имеет больше преимуществ перед обычным монитором. Это был тщательно продуманный эксперимент, в котором особое внимание уделялось правильному направлению радиационных лучей в целях избежания рака. Занятия Брукса механизмами обратной связи и трехмерной графикой нашли и находят значительное число применений, расширяя границы этой области. Томас А. Фернес III стал создателем программы СуперКокпит (Супер-Гонка), полученная в результате которой технология позволяет пилотам сверхскоростных самолетов обучаться только с помощью своих головы, глаз и рук. Фернес является доктором физики в прикладной области и закончил Саутгемптонский университет в Англии. Начинал он в 1965 юным лейтенантом ВВС, а через пять лет продолжил сотрудничество с ВВС уже в качестве гражданского ученого, посвятив себя созданию механизмов, позволяющих людям контролировать сложные машины. В 1972 Фернес построил первый периферийный дисплей, в работе которого учитывается движение человеческих глаз. Позже он со своей командой разработал дисплеи с оптиковолоконными передачами и зеркалами, а затем они открыли, что движения глаза могут влиять на виртуальную реальность так же, как движения пальцев. Следующим шагом были эксперименты с трехмерными аудио-дисплеями, приведшие к созданию трехмерного звукового генератора. Целью всех этих приборов было поместить пилота в среду данных. В 1977 начались эксперименты со шлемом "Дарт Вэйдер", включающим 75 дисплеев и 300 различных контролирующих устройств. Еще один человек, опережающий свое время, - Майрон Крюгер. В 1969 году он начал исследования по взаимодействию "человек - компьютер" в Университете штата Висконсин. Его ранние работы носили кинетический характер и давали возможность прямого в них участия. Поэтому люди воспринимали Крюгера скорее как художника, нежели как ученого. Такие его проекты, как ГЛОУФЛОУ (Течение свечения), МЕТАИГРА и ПСИХИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО, будили воображение. Концепции Крюгера часто носят игровой характер, и сам его подход расценивается как эксцентрический. В 1972 он закончил книгу "Искусственная реальность", которую напечатали только через десять лет. Область его интересов - философские аспекты проблемы; используя видеокоммуникацию, он много экспериментировал с жестами и человеческим восприятием. Крюгера беспокоит, что в современной виртуальной реальности мало реального. Это относится не столько к абстрактности сценариев, сколько к замедленности реакции на входной сигнал. "Я двигаю своей рукой, и затем двигается моя графическая рука. Это необязательно. Учитывая затраченные ресурсы, это нужно преодолеть", - пишет он. "Если бы я занимался бизнесом, то сделал бы несколько вещей. Я бы избавился от приводов. Я бы увеличил скорость происходящих процессов и знаю, как это сделать. Я бы мгновенно сделал все это понятным людям". "Правда заключается в том, что виртуальная реальность - это не триумф американской технологии. Это трагедия американской технологии. Мне позволили сделать один процент того, что я мог бы. В течение двадцати лет я писал одно замечательное предложение за другим и не получил в ответ ничего". Недавно он опубликовал книгу "Искусственная реальность II". Будучи выставленными в музеях, многие из его работ в то же время имеют явное приложение в телеприсутствии и представляют собой подходящую модель для взаимодействия в киберпространстве. Киберпространство и виртуальная реальность - новое поле приложения сил, и потому здесь так велика роль одиночек. Что касается коллективных разработок, то здесь, как и в других технических отраслях в США, конкурируют университетские ученые и сотрудники исследовательских отделов корпораций. Длительную исследовательскую работу проще выполнять в стенах университета, нежели в больших корпорациях, поскольку те смотрят на все под углом рынка и не вполне понимают исследовательские задачи. С другой стороны, однако, даже очень крупные американские корпорации пользуются услугами университетских ученых для стимуляции усилий своих собственных сотрудников. Среди крупных проектов и лабораторий можно назвать проект