Настоящее в системе координат виртуальной реальности

Основные классы средств VR и сферы их применения

Павел Ксенофонтов, руководитель лаборатории VR, компания «Топ Системы»

«Это будущее!» – восклицают многие из тех, кто впервые погружается в современную виртуальную реальность (далее – VR). Но они ошибаются. VR – это настоящее. То, что еще вчера казалось фантастикой, сегодня стало реальностью. Современные средства VR предлагают пользователю качественно новый уровень восприятия информации. Каковы предпосылки появления и распространения современных VR-устройств? Для решения каких задач они используются? В чем преимущества средств VR и над устранением каких недостатков устройств еще предстоит потрудиться разработчикам?

Предпосылки появления и широкого распространения

Выпустить VR в массы производители оборудования пытаются уже давно. Достаточно вспомнить созданный в 1995 г. шлем VFX-1. Но только в наши дни технология VR получила достаточно широкое распространение, что объясняется несколькими причинами.

Производительность и скорость оборудования

Современное компьютерное оборудование обеспечивает важнейшие составляющие VR:

– высокую частоту кадров, в среднем 90 кадров в секунду;

– высокое разрешение рендеринга, в среднем 1280×1200 пикселей на глаз;

– минимальную задержку между действием пользователя и отображением действия на экране, в среднем 2–3 кадра;

– достаточную реалистичность графики, качественный шейдинг с использованием текстур высокого разрешения.

Ключевая характеристика современного VR – вовлеченность: VR-опыт окружает пользователя, VR-опыт непрерывен, постоянен и при этом достаточно комфортен. Высокая производительность и скорость оборудования имеют критичное значение. По мере снижения скорости рендеринга либо повышения задержки вовлеченность исчезает, а виртуальная реальность превращается в дискомфортное разглядывание изображений на экране компьютерного дисплея, который находится перед глазами пользователя.

Энергоэффективность, миниатюрность и стоимость оборудования

Современный VR-шлем – сложное техническое устройство, оснащенное разнообразными датчиками и миниатюрными камерами, модулями для беспроводной связи, микрофоном, динамиками. Мобильные VR-шлемы включают в себя также мобильную компьютерную платформу, необходимую для автономной работы устройства, и аккумулятор.

В то же время VR-шлем должен быть достаточно легким, удобным, эргономичным, не должен выделять много тепла. Высококачественные линзы наряду с дисплеем высокого разрешения должны обеспечивать широкий обзор при довольно малом размере видимых на экране пикселей. Нельзя забывать о стоимости. VR-устройство должно быть достаточно дешевым в производстве – иначе не может быть и речи о массовом распространении.

Все это стало возможным сейчас, после многих лет технического совершенствования цифровой техники.

Наличие крупных компаний, заинтересованных в развитии нового сегмента рынка

Вывод на рынок новой категории устройств, претендующих на широкое распространение, – задача, требующая огромных затрат: исследования, разработка аппаратной и программной платформы, производство, маркетинг, реклама, контент и инструменты для его создания. Из-за высоких рисков неприятия новой технологии пользователями шанс окупить средства, вложенные в развитие столь дорогостоящего для освоения сегмента, сохраняется преимущественно у компаний, обладающих критической массой потенциальных потребителей.

Такие компании появились сравнительно недавно. В первую очередь следует назвать Facebook, которая в 2014 г. приобрела компанию Oculus. Именно Facebook положила начало созданию нового сегмента рынка. Когда потенциал технологии VR стал виден более отчетливо, к процессу распространения VR-технологии подключились компании Valve+HTC, Google, Sony, Microsoft, NVidia, AMD и др.

Основные классы средств VR и сферы их применения

Именно 2012-й – год создания компании Oculus – можно считать годом рождения современного VR. За минувшее с тех пор время первый хайп сошел на нет, технология повзрослела, избавившись от своих детских болезней. Рынок VR-устройств сформировался. Выделились ведущие производители VR-оборудования, и уже легче провести различие между основными классами VR-устройств, а также указать основные сферы, где эти устройства могут успешно применяться.

Рис. 1. Классификация устройств VR

Классификацию в привязке к сфере применения (рис. 1) удобнее всего производить, рассматривая каждый тип VR-устройств в отдельности.

Мобильные телефоны с поддержкой VR и другие устройства на платформе Google Daydream

К этому типу относятся мобильные телефоны, которые могут работать совместно с Google Cardboard, специализированные шлемы, подобные Samsung Gear VR, а также VR-шлем Oculus Go.

Преимущества данного типа устройств – минимальная цена, максимальная доступность и широкий охват аудитории. Для VR-устройств этого типа характерен крайне ограниченный функционал: позиционирование по трем координатам (поворот вокруг трех осей), навигация в VR-пространстве затруднена, чаще всего (не относится к Oculus Go) пользователи лишены возможности взаимодействия с объектами в VR из-за отсутствия VR-контроллеров. Высокая сегментация мобильных устройств ведет к нестабильной работе приложений и трудностям с оптимизацией контента.

Устройства этого типа могут отображать простейшие 3D-сцены с небольшим количеством объектов (около 100) и треугольников (в среднем около 50 тыс. треугольников в сцене). Низкое качество 3D-рендеринга существенно ограничивает вовлеченность в VR-опыт.

Таким образом, подобные устройства можно эффективно использовать только для доставки конечному массовому потребителю простейшего VR-контента, не требующего вычислительных мощностей, сложных взаимодействий и длительного пребывания в VR.

Например, компания, занимающаяся строительным бизнесом, может поместить на свой сайт специально подготовленные изображения с демонстрацией будущих квартир. Тогда посетители интернет-ресурса, если у них есть Cardboard, смогут просмотреть сферические изображения и оценить различные варианты отделки квартиры так, будто бы они ее посетили.

Инженер, заинтересованный в том, чтобы поделиться опытом своих разработок с коллегами или заказчиками, может использовать специализированные 3D-каталоги для демонстрации своих работ (рис. 2).

Рис. 2. Радар самолета в VR на сервисе Sketchfab

Как отмечалось, ограниченный функционал в VR данного типа устройств несравним с функционалом VR-устройств любого другого типа. Пользователь, имеющий другой качественный VR-опыт, вряд ли захочет повторять свои эксперименты с Google Cardboard. Возможно, поэтому в октябре 2019 г. компания Google объявила об отказе поддерживать собственную платформу Daydream. Таким образом, потенциал данного типа устройств исчерпан, на первый план выходят специализированные VR-устройства.

Автономные VR-устройства, или Все в одном

По техническим характеристикам подобный тип специализированных устройств близок к мобильным телефонам с поддержкой VR. Отсутствие фрагментации устройств позволяет оптимизировать качество контента. Кроме того, эти устройства отличаются возможностью полноценного шестикоординатного трекинга в пространстве, что является непременным условием вовлечения в VR-опыт. VR-контроллеры с шестикоординатным трекингом обеспечивают пользователю возможность полноценного взаимодействия с VR-контентом.

Существенные преимущества таких устройств: полная автономность, низкая цена и отсутствие проводов в процессе использования. Эргономичные устройства легко калибруются и могут применяться в любом пространстве − как в офисе, так и дома.

На рынке такие устройства представлены продуктами Oculus Quest (потребительский класс) и Vive Focus (бизнес). По своим характеристикам устройства схожи и могут решать одни и те же задачи. В решении для бизнеса Vive Focus − расширенная техподдержка, более мощная аппаратная составляющая, экран более высокого разрешения. Кроме того, Vive Focus конструктивно рассчитан на частую смену пользователя – его проще снимать/надевать.

Автономные VR-устройства можно использовать для формирования VR-опыта в любых сферах – развлечение, дизайн, наука, искусство, маркетинг, реклама, обучение, продажи, послепродажное обслуживание и др. Пользователи автономных VR-устройств получают качественный современный VR.

Не стоит забывать, что технические возможности 3D-рендеринга на этих устройствах ограничены их аппаратной мобильной платформой. Количество тел в сцене и общее количество полигонов в сцене, качество шейдинга – все эти параметры строго ограничивают сложность VR-сцен, доступных пользователю. В случае применения VR на автономных устройствах надо точно знать, что контент уместится на мобильной платформе. Кроме того, контент должен быть подготовлен и оптимизирован для работы на данной платформе. Такие процедуры могут занимать длительное время. Поэтому выпуск или обновление контента в реальном времени невозможны.

VR-устройства, подключаемые к компьютеру

Устройства этого типа предоставляют пользователям наилучший VR-опыт и высокое качество графики при отображении самых сложных 3D-сцен. Отличная эргономика, качественный шестикоординатный трекинг, функциональные VR-контроллеры, минимальная задержка, возможность использования модулей для беспроводной связи, качественные экраны и линзы – все это гарантирует максимальную вовлеченность пользователя.

Использование устройств в связке с компьютером позволяет применять их как для потребления, так и для создания контента. Прямая связь с компьютером и высокая производительность дают возможность использовать VR на лету, минимизируя или исключая время, необходимое для подготовки VR-контента. На рынке представлены продукты, позволяющие инженерам просмотреть в VR свою модель, нажав одну кнопку в интерфейсе (рис. 3).

Рис. 3. Модель жидкостного ракетного двигателя в T-FLEX VR (более 3200 тел в 3D-сцене)

Стоимость таких VR-устройств варьируется в пределах от 400 долл. (потребительский уровень) до 2000 долл. (бизнес-уровень). Вне зависимости от принадлежности к определенному классу устройства могут решать одинаковые задачи – в плане функциональности их различия не столь значительны. Тем не менее различия есть, рассмотрим, в чем они состоят.

К устройствам потребительского класса в первую очередь относятся Oculus Rift S и HTC Vive, которые можно применять и дома, и в офисе, они подходят как для потребления готового VR-контента, так и для его создания. По сравнению с HTC Vive у Oculus Rift S более качественный дисплей, устройство легко подключать (один провод, внешние датчики отсутствуют) и настраивать, более удобные VR-контроллеры. Oculus Rift S очень удобно использовать на стационарном рабочем месте либо переключать между компьютерами в процессе работы. В командировках Oculus Rift S просто перевозить.

HTC Vivе сложен в подключении, лучше подходит для организации стационарных рабочих мест, но обеспечивает более точный трекинг и возможность формирования VR-опыта «комнатного масштаба» (Room-Scale Experience). После работы с Oculus Rift S устройство HTC Vive воспринимается как устаревшее, недаром оно было одним из первых VR-устройств на массовом рынке.

К устройствам премиум-класса можно отнести новый Valve Index стоимостью 1000 долл., еще недоступный в России. Данное устройство позиционируется как продвинутое для домашнего использования. Отличие от устройств потребительского класса состоит в том, что экран может обновляться с частотой до 140 Гц (против 80 Гц у Oculus Rift S и 90 Гц у HTC Vive). Столь высокая частота обновления усиливает вовлеченность в VR-опыт. Можно также использовать специальные VR-контроллеры с трекингом пяти пальцев, что прибавляет реализма в VR.

Устройства бизнес-класса следует выбирать в том случае, когда важно максимальное качество VR-опыта, а цена оборудования и сложность его подключения не имеют существенного значения. К данному классу устройств относятся HTC Vive Pro и HTC Vive Pro Eye, предоставляющие пользователям VR-опыт высочайшего класса.

Устройства используют экраны повышенного разрешения, что положительно отражается на качестве картинки.

HTC Vive Pro и HTC Vive Pro Eye требуют определенного времени на подключение и настройку. Наличие нескольких базовых станций, блоков питания и множества проводов затрудняет перевозку устройств в командировках и на выездных показах. Лучше всего использовать это оборудование на стационарных стендах, особенно таких, где важен размер VR-зоны. Например, при использовании двух базовых станций совместно с беспроводным модулем Vive Wireless можно создавать большие VR-пространства с полным трекингом площадью до 7,5×7,5 м (и больше), в которых пользователь может свободно перемещаться. Более того, можно применять свыше двух базовых станций при одновременном использовании нескольких шлемов. В таких VR-пространствах одновременно смогут работать несколько пользователей.

В компании «Топ-Системы» используется шлем HTC Vive Pro для демонстрации продукта T-FLEX VR (рис. 4). Один из базовых сценариев применения, который демонстрируется потенциальным пользователям, – изучение в масштабе 1:1 проработанной цифровой модели самолета, спроектированного в САПР T-FLEX CAD. На демо-площадке пользователь в VR-шлеме может обойти самолет вокруг или прогуляться по его салону, как будто это реальный объект. Такой вариант применения VR возможен только при использовании оборудования бизнес-класса.

Рис. 4. Пользователь изучает кабину самолета в T-FLEX VR

Наряду с очень большим размером рабочей зоны оборудование бизнес-класса может иметь уникальный функционал. Так, в HTC Vive Pro Eye встроены датчики для отслеживания направления взгляда, что открывает новые варианты использования VR, ранее недоступные широкому кругу пользователей.

VR-оборудование специального назначения

Устройства, точнее программно-аппаратные VR-комплексы, подобного типа предназначены для решения специальных задач, таких как тренировка будущих космонавтов или отработка действий бойцов спецназа. Важными составляющими подобного VR-опыта могут быть огромная площадь VR-пространства с одновременным отслеживанием в нем десятков людей, трекинг всех частей тела пользователей, совмещение виртуальной реальности с реальным пространством и т. д.

К сожалению, информации о подобных VR-комплексах довольно мало – скорее всего, в силу конфиденциальности решаемых ими задач. Можно предположить, что в таких VR-комплексах представлена связка из стандартного, стандартного-модифицированного и собственного оборудования. Соответственно для его работы используются программные платформы, также заточенные под решение специальных задач.

Следует отметить, что при правильном подходе оборудование бизнес-класса можно использовать в качестве аппаратной платформы для создания VR-комплексов специального назначения. Например, Vive Tracker позволяет отслеживать в VR положение не только VR-шлема и VR-контроллеров, но и других объектов, к которым Vive Tracker прикреплен. Разработчики программных решений для HTC Vive могут получать доступ к информации с датчиков, что позволяет создавать собственные программно-аппаратные системы для особых сценариев использования.

Можно ожидать, что по мере развития VR-технологий создание VR-комплексов специального назначения будет становится все более простой задачей, а это, в свою очередь, расширит область использования VR.

Заключение

По сравнению с традиционными средствами вывода графической информации, будь то обычные плоские мониторы или устройства, отображающие стереоизображения, современный VR предлагает пользователю качественно новый уровень восприятия информации. Ранее человек не мог настолько полно воспринять то, что еще не воплощено в реальности, но существует «внутри» компьютера.

У современного оборудования есть недостатки: например, недостаточная плотность пикселей на экране не позволяет пользователям читать мелкие тексты или рассматривать мелкие детали 3D-объектов. Производителям оборудования стоит поработать и над динамическим изменением фокусного расстояния в зависимости от того, в какую точку дисплея смотрит глаз пользователя.

Но устройства VR совершенствуются. То, что еще вчера казалось фантастикой, сегодня стало реальностью. Например, настоящий текст автор набирает не на обычной клавиатуре, а на виртуальной, находящейся в VR. Можно быть уверенным, что в будущем VR преподнесет нам еще множество интересных сюрпризов. Хорошего вам трекинга!

Поделиться:
Спецпроект

Напряженный трафик или Современные требования к инфраструктуре ЦОД

Подробнее
Спецпроект

Специальный проект "Групповой спутниковый канал для территориально-распределенной сети связи"

Подробнее

Подпишитесь
на нашу рассылку