Устройства для перемещения в виртуальной реальности

Про различные устройства виртуальной реальности писали уже не раз - тут и объемные мониторы, и VR-шлемы, и компьютерные перчатки, обеспечивающие обратную связь между виртуальными объектами и рукой пользователя.

Но это все устройства в большинстве своем компактные и предназначенные, так сказать, для сидячей работы в виртуальном пространстве. А вот об устройствах для виртуального передвижения практически ничего не пишут. Между тем, перемещение в виртуальном пространстве происходит отнюдь неестественным для человека образом - с помощью руки, управляющей мышкой или клавиатурой.

Намного лучше было бы ходить своими ногами. Думаете, это невозможно? Как бы не так! Называется такая штука Locomotion Interface (то бишь, двигательный интерфейс), а разработки на эту тематику ведутся уже не один год. Об одном подобном устройстве вскоре после последнего SigGraph'а много писали в новостях- это виртуальный пол CirculaFloor, разработанный в лаборатории виртуальной реальности университета Цукуба (Tsukuba University VRLab).

Устройство состоит из четырех плиток, которые могут перемещаться друг относительно друга. Движение стоящего на плитках человека отслеживаются сенсорами, и каждый раз под его ногу подъезжает новая плитка. Одновременно с этим та плитка, на которой человек уже стоял и с которой он делает шаг, отъезжает назад.

Получается эдакая ходьба на месте, скорость и направление которой можно легко связать с передвижением пользователя в виртуальном пространстве. Сами плитки имеют размер 568x568x92 мм, весят 16 кг и могут перемещаться со скоростью до 120 сантиметров в секунду. На самом деле это даже совсем не плитки, а мобильные роботы Vmax Carrier, разработанные совсем другой японской лабораторией для других целей.

Впрочем, они очень даже подошли для использования в CirculaFloor. Управляет движением роботов-плиток компьютер, который анализирует движения человека и взаимное расположение всех плиток на полу. При этом пользователь отслеживается лазерным дальномером, а положение плиток - ультразвуковыми сенсорами. CirculaFloor был успешно продемонстрирован на выставке Siggraph 2004. Ходить по нему вполне можно, только пока очень медленно. Не знаю, удастся ли японцам довести свою разработку до ума - уж очень много в ней движущихся частей.

Система виртуального движения CurculaFloor

А так выглядят роботы-плитки Vmax Carrier

Но на самом деле работа по созданию подобных устройств для передвижения в виртуальности идет уже давно. Например, несколько американских фирм - в частности, Virtual Space Devices, CGSD и Sarcos Research Corporation - еще в 1996-1998 годах занимались разработкой всенаправленных бегущих дорожек (omni-directional treadmill).

Понятно, что обычная бегущая дорожка позволяет двигаться в одну сторону и используется, скажем, для тренировок в закрытых помещениях. Всенаправленная дорожка может двигаться в любом направлении и позволяет свободно перемещаться в виртуальном пространстве, обеспечивая при этом нормальную нагрузку на ноги и все сопутствующие ощущения. Надо сказать, что устройство это довольно хитрое - дорожка Virtual Space Devices, например, состояла из 3400 стальных роликов, объединенных в два замкнутых перпендикулярных кольца. Каждое кольцо приводилось в движение мотором, причем скорость движения оценивалась исходя из перемещения пользователя. Верхний слой роликов, по которому, собственно, и шел человек, двигался как единое целое в одну сторону, и мог вращаться в перпендикулярном направлении (его приводил в движение нижний слой роликов).

В результате по этой бегущей дорожке можно было идти в любую сторону (со скоростью до 3 метров в секунду), а соответствующий виртуальный пейзаж выводился на четыре проекционных дисплея вокруг установки. Принимавшие разработку военные чины устройство похвалили (а разрабатывалось оно, как и аналоги от CGSD и Sarcos, именно для военных), после чего информация о нем больше не появлялась.

Вполне возможно, что сейчас американская пехота тренируется именно на таких симуляторах реальности. Как сказал испытывавший дорожку военный, "я могу провести свой взвод через все поле боя и упражняться до тех пор, пока не буду выполнять задачу с закрытыми глазами. Можно отработать любое возможное развитие событий. К тому же я могу правильно сопоставить расстояние, скорость и нагрузку". Впрочем, был у этого устройства один недостаток - 3400 стальных роликов во время работы создавали такой страшный шум, что об общении голосом можно было забыть. Кстати, CirculaFloor очевидцы тоже отнюдь не называли тихим устройством.

Бегущая дорожка Sarсos

Бегущая дорожка от Virtual Space Devices

Принцип работы всенаправленной бегущей дорожки о многих роликах

1. Верхнее кольцо роликов и направление их вращения, когда им передается поступательное движение нижнего кольца
2. Направление движения верхнего кольца под действием сервомотора
3. Нижнее кольцо роликов
4. Система поддержки нижних роликов
5. Направление вращения нижних роликов, когда им передается поступательное движение верхнего кольца
6. Направление движения нижнего кольца под действием сервомотора.

Хотя оба вышеописанных устройства свою работоспособность вполне доказали, их нельзя назвать ни простыми, ни красивыми с технической точки зрения. Зато последним двум требованиям вполне удовлетворяет российская разработка под названием "Виртуальная Сфера" (или просто " ВиртуСфера "), созданная небезызвестными братьями Латыповыми (да, именно теми самыми из "Что, Где, Когда").

Как сказано в описании на сайте - "устройство предоставляет возможность реально ходить по лабиринтам любимых компьютерных игр, совершить познавательную экскурсию по виртуальному городу или музею, психологически подготовить солдата или милиционера на виртуальных учениях". Сфера диаметром 2,6 метра и весом 130 кг установлена на подставке с роликами. Достаточно забраться внутрь и можно идти куда угодно - по вращению роликов вычисляется направление движения, а магнитные датчики показывают положение человека внутри сферы. Сопротивление при ходьбе создается за счет трения в роликах и инерции корпуса сферы - его масса как раз подобрана под вес и ощущения от нагрузки среднего человека. Изображение передается на виртуальный шлем по беспроводному каналу. Весьма красивое в своей простоте устройство, " ВиртуСфера ", к тому же, единственное на сегодня коммерчески доступное устройство для естественного передвижения в виртуальности.

Виртуальная сфера

Что объединяет все рассмотренные выше девайсы? Они позволяют изображать передвижение только по ровной горизонтальной поверхности - никакой пересеченной виртуальной местности, лестниц, спусков и подъемов изобразить с их помощью не получится.

Однако существуют совсем уж экзотические устройства, которым и это по силам. Одно из них было разработано все в той же Tsukuba University VRLab и называется GaitMaster - то бишь, "мастер походки". GaitMaster представляет собой две подвижные подставки для ног, закрепленные на поворачивающемся основании. Основание позволяет следить за направлением движения пользователя, а независимое движение подставок имитирует любую неровную поверхность. Фактически, они свободно движутся вместе с ногой и создают твердую опору только когда она должна пересечь виртуальную поверхность.

По такому принципу работают системы симуляции движения по пересеченной местности, похожим образом устроен и GaitMaster

Японский симулятор движения по пересеченной местности GaitMaster

Вообще же, создать простой и доступный симулятор передвижения для виртуальной реальности в ближайшее время вряд ли удастся. Но следить за тем, что происходит в этой области, крайне интересно.