Rambler's Top100
  -   !    !
our_sci_invent
our_sci_invent_MoCap
our_sci_invent_Cars_Move
our_sci_invent_GLF
3D-
our_sci_publish
 


???????@Mail.ru

Rambler's Top100


 

мы в наукеразработки3D-перчатка

страницы: 2 3

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении человеческой истории альтернативные и искусственные реальности имели много форм. С развитием вычислительной техники получили распространение так называемые виртуальные реальности. В качестве виртуальной реальности выступает максимально приближенная к реальности графика в совокупности со всевозможными средствами ее визуализации – шлемами, костюмами и прочими аксессуарами. Все эти аксессуары, так или иначе, воздействуют на нервные окончания человека, с целью максимально приблизить его ощущения к реальным. Основная цель этих приспособлений – человек должен ощущать себя не вне компьютера, а внутри него.

Компьютерная графика стала стандартной формой общения с компьютером, а трехмерные персонажи «играют» в кино наравне с реальными. По мере развития и совершенствования компьютерных систем становится все труднее и труднее отделять друг от друга «синтетическое» и сделанное вручную.  Виртуальная реальность также получила широкое распространение и применение в таких областях, как компьютерные игры, распределённые конференции, телемедицина. 

С ростом вычислительных мощностей систем виртуальной реальности, бурное развитие идет в области трехмерного моделирования. В настоящее время существует большое количество программ трехмерного моделирования, таких как MAYA, 3Dmax, Blender, и т. п. У одних есть узкая специализация, другие более универсальны. Обладая широким набором удобных инструментов для моделирования, они позволяют быстро добиться хороших результатов. Однако существует ряд неудобств, связанных с особенностями аппаратуры, с которыми приходится считаться разработчикам самих пакетов моделирования и анимации. Поэтому в программах существуют унаследованные от аппаратуры ограничения.

Так, например, монитор показывает лишь двумерную картинку – проекцию трехмерной сцены. Вследствие этого пользователь ощущает трудности с корректным и удобным восприятием самого процесса создания моделей. В программах двумерного моделирования ситуация проще – человек сразу воспринимает картинку правильным образом. В программах связанных с тремя измерениями пространства, чтобы корректно и полно видеть весь объем, пользователь вынужден постоянно поворачивать модель в пространстве, чтобы, сопоставляя изображения с разных ракурсов, воссоздать в своем воображении реальное трехмерное представление объектов и форм. Обычно на это уходит много времени, что создает большие неудобства для пользователя. Для лучшего представления формы в пространстве через его проекции помогает освещение, которое уровнем яркости показывает ориентацию частей объекта в пространстве. Для тех же целей иногда применяются специальные шейдеры, представляющие черные и белые полосы, которые изгибаются в зависимости от угла нормали поверхности  к наблюдателю. Все это помогает лучше представлять трехмерную картину, но все же не дает самой картины.

Еще одна проблема связана с конструктивными особенностями обычных монитора и манипулятора мышь. Простая мышь предоставляет две свободы перемещения, для полной же интерактивности в трехмерном пространстве необходимо три. Поэтому для выполнения практически любого простого действия в пространстве также необходимо многократно поворачивать и перемещать модель, чтобы правильно сориентировать выполняемое действие. Такие ограничения снижают эффективность управления, что отразилось на всех программах трехмерного моделирования и анимации. Все их инструменты и средства управления унаследовали эти недостатки. Некоторые действия в программе могут быть связаны с удерживанием кнопок мыши и ее перемещением одновременно. В такой ситуации становится невозможным поворот камеры, что иногда приводит к крайней трудности  проведения корректного действия. Это в свою очередь влечет дополнительные затраты времени на последующую доводку.

По сути дела трехмерное моделирование на настоящий момент является псевдотрехмерным, поскольку не обеспечивается должный уровень интерактивности. При работе с трехмерными объектами приходится пользоваться двумерными средствами визуализации и ввода.

Для устранения описанных выше недостатков и, следовательно, существенного повышения эффективности работы предлагается внедрение в процесс моделирования средств виртуальной реальности. Мы предлагаем совершенно новый подход к трехмерному моделированию. Наша разработка – программно-аппаратный комплекс для трехмерного моделирования в полном смысле этого слова.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Системы для трехмерного моделирования, которые обеспечивали бы такой уровень интерактивности, которого можно достигнуть при использовании нашей разработки, нет. Однако, аналоги  подсистем нашего комплекса существуют и уже получили широкое распространение. В разрабатываемом программно-аппаратном комплексе планируется использовать существующие наработки в области информационных технологий, виртуальной реальности и технологий систем видеозахвата движения, а также разрабатываются свои программные и аппаратные решения.

Далее приведем описание аналогов компонент нашего комплекса, а также решений, которые используются нами при проектировании системы.

Обзор устройств ввода

Проблемой в проектировании систем виртуальной реальности является взаимодействие человека с трехмерными объектами виртуального мира, то есть разработка удобных и эффективных устройств ввода информации. Стандартные устройства персонального компьютера, такие как мышь или клавиатура, не предназначены для манипуляций в трехмерном пространстве. Необходимо устройство, которое бы позволило выполнять сложные действия интуитивно просто и с высокой точностью в привычном для человека трехмерном пространстве. В виртуальной реальности мыши не могут быть обыкновенными, а бывают только трехмерными. Компания ABC Software Developers (USA) выпускает 3D-манипулятор (трехмерную мышь, Рис. 1) для управления объектами в стереопространстве.

Позиционирование по координатам X, Y осуществляется перемещением мыши, а по Z-координате — с помощью специального колеса. Мышь имеет 10 клавиш, которым пользователь может назначать функции наиболее часто используемых в процессе стереовекторизации клавиш (Zoom in/Zoom out, Enter, Insert, Spacebar и т. д.).

3D-манипулятор от компании ABC Software Developers (USA)

Рис. 1

Модель, представленная на Рис. 2 позволяет производить манипуляции в трехмерном (трехосевом) пространстве. За основу модели взята система передатчик-приемник. Передатчик включает три небольших громкоговорителя, излучающих ультразвук. Приемник, соответственно, включает три миниатюрных микрофона, улавливающих эти сигналы. По результатам анализа полученных данных вычисляется трехмерное значение положения 3D-мыши. Данное устройство изначально предназначено для развлечений, но также может и помочь в анимации, медицине, науке, CAD- проектировании, трехмерном моделировании и т.п.

Манипулятор, использующий систему   передатчик-приемник                                 

Рис. 2

Также на сегодняшний день на рынке представлено много устройств виртуальной реальности, ориентированных в основном на игровую отрасль. Это всевозможные манипуляторы, такие как геймпады, беспроводные джойстики, оружие для сражений в виртуальных мирах.  Однако в трехмерном моделировании эти устройства малоприменимы.  Но и для систем объемного моделирования активно ведется разработка и существует уже множество устройств,  которые оказывают неоценимую помощь при моделировании.

Спейсболы - это новое слово в развитии современных манипуляторов. По оценкам специалистов они делают эффективнее работу по 3D-моделированию примерно на 30%. Модель SpaceBall 5000 (Рис. 3) очень популярна в среде дизайнеров.  Так в чем же преимущество спейсболов? Сама идея достаточно проста - двуручный метод работы. То есть одной рукой мы пользуемся обыкновенной мышью, а другой - спейсболом. Последний может выполнять огромное количество необходимых при работе функций, а именно, масштабированием, вращением 3D-моделей. В общем, в SpaceBall 5000 предусмотрено еще 12 программируемых кнопок, за каждой из которой можно закреплять свои функции. Двуручная система работы с манипуляторами уже успешно опробована на более чем 100 программных продуктах, в том числе и в редакторах трехмерного моделирования.

Манипулятор SpaceBall 5000

Рис. 3

Манипулятор CadMan, представленный на Рис. 4 - это вообще новое поколение манипуляторов, использующихся в 3D-моделировании. Ключевым моментом данной технологии стоит выделить чувствительный элемент на крышке, который реагирует на силу нажатия, угол наклона и так далее. Таким образом, вы можете управлять углом и скоростью вращения модели. Помимо этого, в устройстве предусмотрено 4 программируемые кнопки.

Манипулятор CadMan

Рис. 4

Как уже говорилось, для работы в трехмерном мире, к которому медленно, но верно приближаются системы отображения информации (наголовные дисплеи, стереодисплеи и так далее), стандартные  устройства вода приспособлены слабо, поскольку третью координату просто не используют. С другой стороны, практически в любом фантастическом фильме, изображающем технологии будущего или виртуальную реальность, герои манипулируют компьютерами непосредственно своими руками - берут и перемещают объекты, печатают на виртуальной клавиатуре и так далее. И делается все это при помощи перчаток виртуальной реальности. Собственно, такие перчатки стали таким же неотъемлемым символом виртуальной реальности, как видеошлем или наголовный дисплей. Раньше при проектировании виртуальных перчаток использовались различные технологии, такие как механические датчики или оптические волокна, потери света в которых зависели от степени изгиба. Создавались же они в основном для научных исследований в области альтернативных интерфейсов или каких-то сугубо специфических приложений (например, ввод данных в неблагоприятных условиях - то есть там, где клавиатурой пользоваться не получится) и имели большую стоимость. Однако позже эти устройства стали более доступными и стали внедряться на массовый рынок.

На Рис. 5 изображена перчатка P5 производства американской фирмы Essential Reality. P5 состоит из двух частей - собственно перчатки и базовой станции. Базовая станция включается в порт USB и не требует внешнего питания. Перчатка, в свою очередь, включается проводом в базовую станцию. На тыльной стороне "ладони" расположено 8 инфракрасных светодиодов, которые позволяют базовой станции отслеживать перемещения руки в пространстве. В базовой станции, находятся две инфракрасные камеры - это позволяет более надежно следить за перчаткой и точно определять расстояние до нее. Зона видимости базовой станции составляет 45° по вертикали и горизонтали и около полутора метров в "глубину". В этом конусе P5 может отслеживать координаты руки по всем трем осям с точностью до 0.6 сантиметра (на расстоянии 60 см от базы), а также поворот

Перчатка P5 производства американской фирмы Essential Reality

Рис.5

и наклон ладони с точностью до 2 . Опрос координат происходит с частотой 40 герц (задержка составляет 12 миллисекунд). Кроме светодиодов системы слежения, в перчатке имеется пять резиновых "пальцев" с датчиками изгиба. К настоящим пальцам они крепятся пластиковыми кольцами и меряют изгиб с точностью в 1.5 . Еще на тыльной стороне перчатки имеется четыре кнопки, одна из которых - программируемая (остальные служат для калибровки, включения/выключения и переключения режимов работы).

Средства вывода в системах виртуальной реальности

Для взаимодействия с системами виртуальной реальности, как и с другими системами, необходимы средства ввода и средства вывода информации. В настоящее время средства вывода систем виртуальной реальности взаимодействуют в большинстве случаев только с глазами и ушами человека.  Такие средства вывода достаточно хорошо проработаны. Приведем их описание.

Человеческому мозгу, для создания внутреннего представления об окружающей его пространственной среде, требуются два ракурса для двух глаз (левый и правый). Двумерная информация, получаемая обоими глазами, обрабатывается мозгом и сливается в одно изображение - трехмерное. Существует несколько способов подать информацию нашему мозгу так, чтобы он воспринимал обычную плоскую картинку (на экране монитора), как трехмерную. Например, пространственное изображение можно создать игрой света и теней или особым расположением элементов сцены. Но в компьютерных устройствах обычно используется несколько иной принцип. Достаточно просто показать каждому глазу специальным образом подготовленное именно для него изображение. Мозг анализирует полученную информацию и «обманывается», создавая у человека впечатление трехмерности увиденного.  Для достижения такого эффекта можно использовать стереоочки, среди которых выделяют 2 вида: анаглиф (anaglyph) и затворные.

Красно/сине-зеленые анаглиф стереоочки (Рис. 6) обеспечивают разделение двух ракурсов стерео изображения за счет использования двух светофильтров, красного и сине-зеленого. При наблюдении синего или зеленого цветов через красный светофильтр он не виден, а при наблюдении красного цвета через сине-зеленый светофильтр он становится черным. Обеспечиваемое фильтрами преломление (разделение ракурсов) и создает иллюзию объемности изображения.  Преимуществом анаглиф стереоочков

Красно/сине-зеленые анаглиф стереоочки

Рис. 6

является их простота. Их можно легко купить или даже изготовить самостоятельно. Главным их недостатком является ухудшение цветовой гаммы, существенно снижающее комфорт при просмотре и ухудшающее восприятие глубины стерео изображения. Кроме того, появляются так называемые слепые пятна, являющиеся для режима анаглиф методической проблемой, и проявляющиеся наиболее полно при наличии в кадре спектральных составляющих близких к используемым в стереоочках световым фильтрам.

Использование затворных стереоочков (рис. 7), является на сегодняшний день наиболее эффективным способом получения качественного стерео изображения на мониторе компьютера. Каждое стекло в них заполнено жидким кристаллом, и, когда на него подается напряжение, оно становится непрозрачным. Остается только выводить на экран поочередно то правую, то левую картинку с такой же частотой, как становятся непрозрачными стекла - то левое, то правое.

Затворные стереоочки

Рис. 7

 Этот метод дает очень хорошие результаты, но предъявляет определенные требования к оборудованию персонального компьютера, которым оно должен удовлетворять - это наличие ЭЛТ(CRT) монитора, обеспечивающего частоту не менее 120 Гц. С ЖК(LCD) мониторами использование затворных стереоочков невозможно, по причине неудовлетворительных характеристик скорости смены последовательных кадров изображения.

Еще одним средством визуализации является виртуальный шлем   (рис. 8). Этот тип устройств довольно распространен и известен. VR-шлемы относят к классу HDM(Head Mounted Display) т. е. устройства, одеваемые на голову. В них применяется двухэкранный способ формирования изображения, то есть для каждого глаза в шлем встроен отдельный дисплей. При этом каждый глаз видит только свой кадр стереопары. Различного рода ошибки практически исключены, что усиливает эффект погружения в виртуальный мир по сравнению со стереоочками. Первые виртуальные шлемы появились в 1996 году. Они были несовершенны с точки зрения гигиены и качества. В них использовались некачественные экраны. Позднее появились несколько улучшенные модификации. Они были снабжены жидко-кристалическими дисплеями. В шлемах виртуальной реальности применяется технология Virtual Orientation System - система виртуальной ориентации. Эта система отслеживает движения головы человека при помощи специальных датчиков, которые могут быть встроены в шлем либо прикрепляться к голове отдельно, и в соответствии с ними корректирует изображение на ЖК-дисплеях. Именно благодаря наличию этой технологии шлем является не просто устройством отображения истинно трехмерных изображений, а создает эффект полного присутствия в виртуальном мире.  Кроме этого, в любой шлем встраиваются наушники, которые ко всему прочему добавляют объемный звук.

Виртуальный шлем

 

Рис. 8

 

страницы: 2 3