модельная трехмерная (3D) окружающая среда, создаваемая компьютерными средствами и реалистично реагирующая на взаимодействие с пользователями. Технической основой виртуальной реальности (ВР) служат технологии компьютерного моделирования и компьютерной имитации, которые в сочетании с ускоренной трехмерной визуализацией позволяют реалистично отображать на экране движение. В минимум аппаратных средств, требующихся для взаимодействия с ВР-моделью, входят монитор и указывающие устройства типа мыши или джойстика. В более изощренных системах применяются виртуальные шлемы с дисплеями (HMD), в частности шлемы со стереоскопическими очками, и устройства 3D-ввода, например, мышь с пространственно управляемым курсором или "цифровые перчатки", которые обеспечивают тактильную обратную связь с пользователем.
Основная особенность ВР-модели - это создаваемая для пользователя иллюзия его присутствия в смоделированной компьютером среде, которое называют дистанционным присутствием. Ощущение дистанционного присутствия в меньшей степени зависит от того, насколько естественно выглядят изображения среды, чем от того, как реалистично воспроизводятся движения и насколько убедительно ВР-модель реагирует при взаимодействии с пользователем. В некоторых из ВР-моделей пользователи воспринимают изменяющуюся перспективу и видят объекты с разных точек наблюдения, как если бы они перемещались внутри модели. Если пользователь располагает более чувствительными (погруженными) устройствами ввода, например, такими, как цифровые перчатки и виртуальные шлемы, то модель обеспечивается достаточным количеством данных, чтобы надлежащим образом реагировать на такие действия пользователя, как поворот головы или даже движение глаз.
Термин "виртуальная реальность" был введен в обращение в середине 1980-х годов Дж.Ланьером - музыкантом, специалистом по компьютерной технике и предпринимателем, фирма которого "VPL Рисерч" разработала первую цифровую перчатку для управления ВР-взаимодействием, а также средства для построения ВР-моделей.
Виртуальная реальность еще не вышла из младенческого возраста. Однако она сделала начальные шаги в таких технологиях, как имитаторы условий полета и пилотажные тренажеры (использовавшиеся для тренировок пилотов и космонавтов); определенные успехи были достигнуты и в имитационном моделировании боевых операций. Но для ВР существуют и другие, более широкие области применений. Так, виртуальную реальность можно использовать в играх, медицинских исследованиях и обучении медперсонала, а также в архитектуре.
Трехмерная компьютерная графика. Трехмерная компьютерная графика представляет собой сочетание растровой и векторной компьютерной графики с алгоритмами для быстрой перерисовки основного графического профиля и внешнего вида, позволяющими оперативно изменять перспективу и точку наблюдения, - процесс, названный трехмерной визуализацией.
Растры, как следует из названия, - это карты точек, или "битов", образующих картину во многом аналогично растровому воспроизведению фотографий в газетах: линии и тона имитируются полем точек разной густоты. Любая цифровая фотография или изображение, получаемое непосредственно с цифрового сканера или из WWW, представляет собой некоторый битовый массив. Такие массивы сохраняются во многих файловых форматах, например GIF, JPEG и TIFF. Файлы могут быть открыты на любом компьютере, который имеет подходящие программы для просмотра и редактирования графики. Из-за технологии формирования растровых массивов эта графика не всегда выглядит четкой при увеличении. Изменение размера или пропорций растровой графики может вызвать растяжение и изменение размеров точек, что приводит к появлению ступенчатости или пятнистости.
Векторы - это математические символы, содержащие геометрическую информацию о линиях, углах и многоугольниках, образующих изображение. Размеры векторов легко менять компьютерными средствами, не опасаясь появления зубчатости линий. В инженерном деле векторы используют для технического черчения и выполнения иллюстраций с применением программ САПР, а также программных средств для иллюстрирования или обработки графики.
Векторы служат основой для построения трехмерной графической среды виртуальной реальности. Хотя получить растровое графическое трехмерное изображение возможно, растровые изображения не содержат информации о глубине. Чтобы создать иллюзию трехмерного пространства, объекты на экране компьютера строят на основе "проволочного" каркаса, составленного из масштабируемых линий или многоугольников, создаваемых с привлечением средств векторной графики. Для придания желаемого внешнего вида "проволочный" каркас закрывается поверхностным слоем.
Простой поверхностный слой получается разными способами закраски -равномерным нанесением краски (одним цветом для многоугольников объекта), закраской по методу Гуро (с применением ряда алгоритмов, используемых при формировании окружающей среды для компьютерных игр, чтобы получить плавное изменение цвета) и закраской по методу Фонга (с применением более сложных, чем при закраске по методу Гуро, алгоритмов, для которых требуется больше вычислительной мощности, чтобы достичь лучших по внешнему виду результатов).
Другие методы, применяемые для заполнения пустот в "проволочном" каркасе трехмерной окружающей среды, связаны с наложением текстур. В отличие от нанесения теней, при котором выполняется цветное закрашивание многоугольников, при наложении текстур наносится растровая графика текстур, имитирующая предметы, землю и небо. Наложение текстур имеет решающее значение для повышения реалистичности компьютерных игр.
Поскольку трехмерная графика типа используемой в играх, САПР и ВР-средах, предусматривает возможность рассматривать ее из разных точек наблюдения, эта техника позволяет разработчикам строить виртуальные миры, в которые пользователи могут проникать и проводить исследования изнутри. Для таких "проницаемых" сред требуется постоянно менять перспективу, а для коррекции перспективы необходимо быстрое выполнение математических вычислений, так как визуализация "на ходу" может привести к тому, что линии перспективы (исчезающие с увеличением дальности) будут восприниматься как искаженные.
Компьютерное моделирование и имитация. Визуализация трехмерной графики обеспечивает возможность просмотра большинства имитаций ВР; при этом взаимодействие пользователя с окружающей средой ВР базируется на компьютерном моделировании. В компьютерных моделях объекты наделяются определяющими их свойствами, которые задают их реакции на различные виды манипуляций.
Типичная форма компьютерной модели - это электронная таблица, в которой пользователь может изучить влияние, вызываемое изменением величины, содержащейся в одной из клеток таблицы, на величины, находящиеся в других клетках таблицы и связанные с первой величиной формулами. Модель, построенная в виде электронной таблицы, позволяет представить математический или финансовый процесс почти любого типа - от влияния ценообразования на уровни продаж и прибылей до изменения процентных ставок и инфляции.
Компьютерные модели могут предназначаться для моделирования технических систем, например водопровода, состоящего из запорно-регулирующей арматуры и труб. В этом случае трубы характеризуются такими параметрами, как диаметр, длина и жесткость. К числу переменных в системе относятся вязкость жидкости, текущей по трубам, и давление, создаваемое насосами, а результатами взаимозависимости этих переменных будут скорость течения жидкости и вероятность разрушения трубопровода из-за слишком высокого давления.
Компьютерные модели могут использоваться для исследования процессов без построения системы, в которой они реально происходят. Такие модели позволяют ускорить процессы (например, для определения эксплуатационного ресурса какого-либо нового изделия) или замедлить их (чтобы легче было наблюдать, например, движение пули или ракеты). Построение таких компьютерных моделей более сложно, а их эффективность зависит от точности используемых формул, описывающих зависимости всех переменных конкретного исследуемого процесса.
Модели широко используются в САПР и автоматизированном конструировании при разработке и макетировании новых систем, например автомобилей или производственных процессов. Они служат также базой для построения "интерактивных" имитационных моделей, которые близки к ВР-системам. При компьютерной имитации пользователь становится непосредственным участником процесса, за которым он ведет наблюдение. Пилотажные тренажеры, например, специально предназначены для тренировки и проверки возможностей пользователя, а не для проверки работы пилотируемой системы под нагрузкой.
Компьютерной имитацией пользуются также при исследовании сложных немеханических систем. Так, например, компьютерное моделирование в медицине позволяет оценить последствия хирургической операции. Такого рода имитационные модели могут использоваться как в образовательных, так и в развлекательных целях. Сложность моделей, основанных на современных методах имитационного моделирования, достигает уровня сложности ВР-системы.
Сетевая виртуальная реальность. Разработки теории и аппаратных средств ВР продолжаются. Участники первой ежегодной WWW-конференции, проводившейся в 1994 в Женеве, обсудили возможности применения ВР в WWW. Были рассмотрены разработки инструментальных средств трехмерной графики, предназначенных для расширения возможностей Web-браузеров (программ, используемых для просмотра WWW-документов). На конференции была представлена концепция "языка моделирования виртуальной реальности" (VRML). Этот язык основан на существующей технологии описания трехмерных сцен с визуализацией многоугольных объектов, освещения и материалов. В числе первых применений VRML-узлов на WWW оказались сюрреалистические ландшафты и "дискуссионные миры", где пользователи взаимодействовали с посетителями. В одном из окон можно разговаривать с другими участниками, вводя текстовый комментарий с клавиатуры.
Аппаратные средства виртуальной реальности. Хотя для выполнения ВР-программы требуются лишь компьютер с быстрым микропроцессором и ускоренная видеоподсистема для работы с трехмерной графикой, многие связывают ВР со шлемами HMD и цифровыми перчатками. Шлемы HMD появились после проводившихся в середине 1950-х годов экспериментов, в которых инженеры смонтировали стереокамеру на верхнем этаже здания и разработали двухэкранный монитор, позволявший не только воспроизводить то, что записывала камера, но и в определенных пределах выполнять слежение камерой. Получающееся изображение больше походило на удаленную реальность, чем на виртуальную, потому что изображения были реальными, а не компьютерными. Первые очки для работы с компьютерной графикой были разработаны в середине 1960-х годов, а изобретение цифровой перчатки приходится на середину 1980-х годов. Пользуясь цифровой перчаткой, можно имитировать жесты или перемещать объекты в среде ВР.
К середине 1990-х годов среда виртуальной реальности оказалась на переднем плане таких областей, как интерактивные компьютерные игры и моделирование на ЭВМ. См. также ИНТЕРНЕТ И ДРУГИЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ .