Дипломная работа






Скачать 462.63 Kb.
НазваниеДипломная работа
страница1/4
Дата публикации08.04.2015
Размер462.63 Kb.
ТипДиплом
l.120-bal.ru > Документы > Диплом
  1   2   3   4
Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»


Математико-механический факультет
Кафедра информатики и процессов управления


наВИГАЦИЯ И ИНТЕРФЕЙС В СРЕДАХ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ.


"Допущен к защите"
___________________

"___"____________2011 г.




Дипломная работа
магистранта II курса
Мамзерова Дмитрия Владимировича

Научный руководитель :
Авербух Владимир Лазаревич
ИММ УрО РАН, заведующий сектором,

кандидат технических наук


Екатеринбург
2011

РЕФЕРАТ

Мамзеров Д.В., наВИГАЦИЯ И ИНТЕРФЕЙС В СРЕДАХ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ, дипломная работа.
Ключевые слова: КОМПЬЮТЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ, ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ, СРЕДА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ, ИНТЕРФЕЙС.
Работа посвящена исследованию и сравнительному анализу сред навигации интерфейса в средах виртуальной реальности для систем компьютерной визуализации, предназначенных для представления больших и очень больших объемов информации, генерируемых при супервычислениях. В ходе работы будут предложены средства навигации и интерфейса для виртуальной среды. В качестве одного из результатов работы предполагается разработка манипулятора на базе существующего интерфейса фонарика.

СОДЕРЖАНИЕ

  1. ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………4

  2. Виртуальная реальность…………………………………………..………7

  3. Навигация и интерфейс……………………………………….………….18

  4. Постановка задачи…………………………………………………..……30

  5. Манипуляторы типа «трёхмерная мышь». ………………………...…..32

  6. Интерфейс фонарика.……………………………………………………..36

  7. Модифицированный интерфейс фонарика………………………..……38

  8. Аппаратное обеспечение исследования…………………………………40

  9. Использование очков виртуальной реальности как инструмента навигации………………………………………………………………...42

  10. Использование модифицированного интерфейса фонарика в качестве манипулятора в среде виртуальной реальности……………………….44

  11. ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………...……46

  12. Список литературы………………………………………….………..…..48


ВВЕДЕНИЕ

В силу исторически сложившихся причин взаимодействия человека и компьютера, как правило, носит знаковый (языковый) характер. Парадоксально, но виртуальная реальность - в некотором смысле является откатом на более примитивный уровень коммуникации - вторая сигнальная система (язык - одна из гордостей цивилизации) уступает место рецепторному контакту. Этот парадокс еще предстоит понять, но по-видимому, человеком делается неосознанная попытка устранить как раз “языковый барьер” между собой и компьютером (моделью) и в экстремальных ситуациях взять именно на себя интерпретацию (пока что более эффективную, адекватную, оперативную и т.п.) событий виртуальной среды, для чего необходимо приблизить взаимодействие человека с компьютером к обычному взаимодействию человека с внешним миром. Во всяком случае все последние годы ведутся интенсивные поиски в области, так называемого, "некомандного" интерфейса , и это привело к созданию того, что сегодня носит название "виртуальная реальность".

Теоретически, виртуальная реальность - это абсолютный интерфейс человека и компьютера; в нем используются все или почти все системы взаимодействия с внешним миром: зрительные, слуховые, тактильные, гравитационные и т.д. Интенсивность потока информации через этот интерфейс приближается к интенсивности потока информации через наши органы чувств (а он превосходит любые ожидаемые границы). Поэтому уже в настоящее время скорость передачи данных только через видео-канал систем виртуальной реальности преодолевает рубеж 1 Гб/сек. И, хотя зрительный канал человека является коммуникационным каналом с наибольшей пропускной способностью, мы стоим, скорее всего, только в начале пути развития человеко-машинного интерфейса нового поколения, характер и темпы развития которого сложно предугадать.

Среды виртуальной реальности являются развитием симуляторов и тренажеров, созданных еще в 60-ые и 70-ые годы XX столетия для летчиков и космонавтов. В конце 80-х — начале 90-х концепция виртуальной реальности приобрела большую популярность в массовой культуре, поскольку средства для создания виртуальной реальности начали применяться в индустрии развлечений. Это, с одной стороны, привело к широкой популяризации идеи, но, с другой стороны (во многом «благодаря» научно-фантастической литературе и кино), сформировало в массовом сознании не вполне правильное понимание этого явления. Постепенно ажиотаж спал, и массовое применение технологий виртуальной реальности в развлекательных целях сошло на нет. Однако, применение этих технологий в информационной и научной визуализации набирало обороты. В 2000-х объем рынка информационной визуализации с применением виртуальной реальности был уже сопоставим с рынком тренажеров и систем обучения, что является показателем. Практически все крупные корпорации и промышленные концерны имеют в своем распоряжении системы визуализации на основе сред виртуальной реальности, применяемые для работы с данными, получаемыми в ходе моделирования. В частности, подавляющее большинство автоконцернов перешли от испытаний в настоящей аэродинамической трубе к проведению тех же экспериментов в виртуальной среде. Аналогично в виртуальных трехмерных средах осуществляется разработка дизайна, компоновка узлов и агрегатов, расчеты по безопасности и моделирование результатов столкновений.

На сегодняшний день одним из самых важных вопросов в развитие виртуальной реальности является поиск оптимального способа взаимодействия человека с искусственным миром. Можно сказать по-другому: необходимы средства навигации и интерфейса в виртуальной среде, которые были бы удобны, универсальны, а по возможности просты в установке, и имели невысокую стоимость. Свои варианты решения данного вопроса попытались предложить многие корпорации и исследовательские институты. Все известные решения имеют схожие недостатки, они не удовлетворяют сформулированным нами требованиям (удобство, универсальность, простота, цена).

Целью данной работы являлось исследование и разработка средств навигации и интерфейса в средах виртуальной реальности для информационной и научной визуализации.

В качестве основных задач были выделены следующие:

  • Исследование существующих решений задачи взаимодействия человека с виртуальной средой.

  • Сравнение и выявление недостатков существующих решений.

  • Создание собственного интерфейса (на базе существующего), который будет лишён основных выявленных недостатков существующих решений.

  • Проведение исследований для выявления удобства предложенных в ходе работы средств навигации и интерфейса в среде виртуальной реальности.


Виртуальная реальность.

Технический прогресс, а в особенности развитие компьютерных технологий привнесли в лексикон людей множество новых слов. Сейчас словосочетание виртуальная реальность знает каждый школьник и, более того, даже наверняка сможет объяснить его смысл. И дело не в том, что принято с самого детства учить определение этого термина, просто виртуальная реальность – весьма широкое и глубокое понятие, и можно дать тысячи его определений. Более того, единого определения нет и в научном мире, например философы и математики понимают этот термин по-разному, а в литературной среде он имеет отличающийся от них обоих смысл. Вообще, термин виртуальная реальность был введен в 1989 году американским учёным Джароном Ланьером, а пионером в данном направление считается Майроном Крюгером, который еще в конце 1960х говорил об искусственной реальности.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ.

В рамках данной работы мы будем рассматривать определение виртуальной реальности более близкое оригинальному, которое подразумевали Ланьер и Крюгер, нежели то, что видят под ним философы и писатели-фантасты. Итак, виртуальная реальность - совокупность средств, позволяющих создать у человека иллюзию нахождения в искусственно созданном мире путем подмены обычного восприятия окружающей действительности информацией, генерируемой компьютером. Виртуальная реальность - это новая технология неконтактного информационного взаимодействия, реализующая с помощью комплексных мультимедиа-операционных сред иллюзию непосредственного вхождения и присутствия в реальном времени в стереоскопически представленном пространстве с теми объектами и данными, с которыми он взаимодействует.
ТИПЫ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ.

  1. Имитационные. Речь идет о разработке программ и технологий полноценной имитации различных действий или форм поведения, психологически для человека ничем не отличающихся от соответствующих реальных действий или ситуаций. Естественно, что имитировать и моделировать с помощью ВР - систем можно не только военные действия, но любые, поддающиеся описанию, операционализации и затем воплощению с помощью новой технологии.

Однако нельзя и преувеличивать современные возможности симуляции и имитации, эти технологии по признанию специалистов находятся пока еще в зачаточном состоянии, представляют собой главным образом демонстрационные модели. Движения симулированных объектов выглядят слегка плоскими и неравномерными. Тяжелые очки-видеофоны ограничивают движения головы. Качество изображения оставляет желать лучшего. Между командами и их исполнением наблюдаются неприятные задержки.


  1. Условные. Вовсе необязательно пытаться строго моделировать реальный мир и ощущения человека в нем, чтобы эффективно решать многие задачи. Это обстоятельство, а также указанные выше трудности, возникающие при имитации обычной реальности, подсказали исследователям другое решение - создать виртуальные миры, которые бы по отношению к миру обычному выступали как схемы или модели. Подобные виртуальные реальности можно назвать "условными". Так, система "Максус", фиксирует все данные о состоянии рынка и выдает их пользователю в виде картинок, где в трехмерном пространстве цветные квадраты, обозначающие различные пакеты акций, передвигаются по диаграмме, в которой представлены различные сектора рынка и промышленности. В результате экран ПК непрерывно выдает самые последние данные о финансовой активности, и этот "документальный фильм" в каждую единицу времени в точности соответствует реальным событиям. В этом примере виртуальная реальность хотя и моделирует процессы, происходящие на рынке, не может рассматриваться как иллюзия рыночной реальности. Таким образом, хотя условные виртуальные реальности и моделируют определенные ситуации или действия, вовсе не требуется, чтобы события в них были похожи или неотличимы, от тех которые человек переживает и проживает в моделируемых реальностях.

  2. Прожективные. К этому классу виртуальных реальностей относятся все реальности, созданные, спроектированные, исходя из некоторых идей. Это могут быть простые фантазии или напротив, идеи, основанные на определенных знаниях или теориях. Важно не то, чтобы виртуальная реальность напоминала собой чувственный мир и реальные переживания человека в нем, а чтобы соответствующие идеи были воплощены полноценно, чтобы человек оказался в мире, отвечающем этим идеям, каким бы странным он ни был.

  3. Пограничные. Как правило, эти реальности представляют собой сочетание обычной реальности с виртуальной. Их создание позволяет "расширять сознание" специалиста, вооружая его "видением" и знаниями, которыми он актуально здесь и сейчас не может обладать. Например, компьютерные томографы и ультразвуковые сканеры показывают врачам объемные изображения внутренних органов в любом нужном ракурсе, условный цвет несет дополнительную информацию.


УРОВНИ ПОГРУЖЕНИЯ В ВР

  1. Через окно. Стандартный монитор компьютера или проекционное устройство открывает 'окно' в Ваш виртуальный мир, который представляется лежащим по другую сторону экрана. Такое впечатление дают игры с имитацией полета или DOOM-подобные игры.

  2. В помещении. Стереоскопический монитор или проектор создает объемное изображение, а Вы одеваете стерео очки. Виртуальный мир становится полноразмерным, кажется отступившим за экран и сошедшим с экрана на Вас, в Вашу комнату.

  3. Полное погружение. В системах полного погружения используются специальные дисплеи, вмонтированные в надеваемый на голову шлем и дающие стереоскопический вид виртуального мира, который меняется при перемещении человека и поворотах головы. Отслеживая положение головы, система виртуальной реальности знает, куда смотрите, и подставляет соответствующее изображение.


НА ПУТИ К АБСОЛЮТНОМУ ИНТЕРФЕЙСУ ЧЕЛОВЕКА И МОДЕЛИ.

Имитационные модели сложных технических систем требуют исключительно мощных вычислительных средств и являются одной из основных сфер применения суперкомпьютеров. Это вызвано сложностью самих моделей, а также высокой степенью детализации моделируемых процессов и подсистем (глубиной моделирования). До того момента, когда такие модели создавались в расчете на их использование для научной и проектной деятельности с соответствующей формой представления результатов, для анализа и интерпретации этих результатов моделирования допускались затраты длительного времени и имела место практически разомкнутая схема взаимодействия исследователя и модели.
Положение, однако, кардинально изменяется, когда оператор управляет ходом имитации, взаимодействуя с моделью в режиме реального времени, или сам является звеном этой модели (например, в случае проведения отработки системы с использованием моделей, или в случае использования моделей в тренажерах).
В этих условиях потребовались поиcки интерфейса, позволяющего оператору воспринимать большие объемы информации в очень короткое время и успевать воздействовать на ход имитации.
В силу исторически сложившихся причин взаимодействия человека и компьютера (имитационной модели), как правило, носит знаковый (языковый) характер. В тренажерах (обычных), напротив, - взаимодействие модели и оператора имело, в основном, сенсорный характер. Парадоксально, но виртуальная реальность - в некотором смысле является откатом на более примитивный уровень коммуникации - вторая сигнальная система (язык - одна из гордостей цивилизации) уступает место рецепторному контакту. Этот парадокс еще предстоит понять, но по-видимому, человеком делается неосознанная попытка устранить как раз “языковый барьер” между собой и компьютером (моделью) и в экстремальных ситуациях взять именно на себя интерпретацию (пока что более эффективную, адекватную, оперативную и т.п.) событий виртуальной среды, для чего необходимо приблизить взаимодействие человека с компьютером к обычному взаимодействию человека с внешним миром. Во всяком случае все последние годы ведутся интенсивные поиски в области, так называемого, "некомандного" интерфейса [14], и это привело к созданию того, что сегодня носит название "виртуальная реальность" [15].
Теоретически, виртуальная реальность - это абсолютный интерфейс человека и компьютера; в нем используются все или почти все системы взаимодействия с внешним миром: зрительные, слуховые, тактильные, гравитационные и т.д. Интенсивность потока информации через этот интерфейс приближается к интенсивности потока информации через наши органы чувств (а он превосходит любые ожидаемые границы). Поэтому уже в настоящее время скорость передачи данных только через видео-канал систем виртуальной реальности преодолевает рубеж 1 Гб/сек. И, хотя зрительный канал человека является коммуникационным каналом с наибольшей пропускной способностью, мы стоим, скорее всего, только в начале пути развития человеко-машинного интерфейса нового поколения, характер и темпы развития которого сложно предугадать.
ПРОБЛЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ: ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ.

В простейшем случае система виртуальной реальности состоит из ЭВМ, на которой реализована модель виртуальной среды, дисплея и устройства слежения за положением оператора. Более полная система помимо широкоугольной стереоскопической системы визуализации включает также технические средства, реализующие звуковой, сенсорный и "силовой" интерфейсы, позволяющие оператору "погрузиться" в виртуальную среду модели и установить с нею обратную связь. В том случае, если несколько субъектов используют общую модель некоторой физической системы (среды), такая модель может быть реализована на специальном сервере, а клиентская часть обеспечивает интерфейс с оператором (включая обратную связь).
Одним из основных требований к компьютеру системы виртуальной реальности является суммарная скорость передачи данных через интерфейс с оператором. Эта преодолевает рубеж 1 Гбайт в секунду (для зрительного канала) и будет возрастать с задействованием других каналов взаимодействия субъекта с виртуальной реальностью.
Вторым требованием, влияющим на характеристики компьютера, является обеспечение режима реального времени: требуется немедленное реагирование системы на множество внешних событий, отражающих непрерывное изменение состояния оператора (перемещение, повороты головы, туловища, конечностей, движение пальцев кисти и т.п.), причем время реакции не должно превышать длительности латентной фазы, чтобы создать ощущение непрерывности хода событий (в частности, для зрительного канала - это, как известно, не менее 1/16 секунды - физиологического предела частоты отсутствия мельканий). Эти и другие требования приводят к тому, что даже для достаточно простых систем виртуальной реальности требуется вычислительная мощность на порядок и более превышающая производительность однопроцессорной RISC-станции и системная шина с пропускной способностью 1 Гбайт/сек. Более сложные системы виртуальной реальности в настоящее время имеют производительность, приближающуюся к суперкомпьютерам, и с неизбежностью являются многопроцессорными системами. Так, одна из наиболее мощных на сегодня систем виртуальной реальности компании Silicon Graphics - Reality Engine в полной конфигурации использует 353 независимых процессора.
Активные исследования в области виртуальной реальности привели к разработке и производству целого ряда специальных устройств. Все новые и новые уникальные приборы и устройства разрабатываются и испытываются в лабораторных условиях. Ряд фирм специализируются в промышленном изготовлении специальных устройств.
В качестве наиболее дешевого дисплея используется монитор компьютера и очки с жидкокристаллическим обтюратором. Изображение на экране меняется в зависимости от положения головы пользователя. Положение головы определяется следящим устройством, установленным на мониторе. [16].
Наиболее популярным средством для создания среды виртуальной реальности являются очки виртуальной реальности. Изначально использовался термин «шлем виртуальной реальности», однако современные технологии позволили снизить вес и габариты подобных устройств настолько, что их можно отнести уже к очкам.
Очки виртуальной реальности представляют собой устройство, надеваемое на голову таким же образом, как и традиционные очки, и содержащее встроенные в него специальные линзы, либо экраны, либо дополнительно оснащенные автоматическими затворами.

Самой первой технологией было анаглифное стерео, для которого использовались очки со стеклами разного цвета, чаще всего красного и синего. Разделение осуществлялось с помощью цветовой фильтрации, изображение содержало одновременно красные и синие участки, каждый из которых был лучше виден только «своим» глазом, что вызывало субъективное ощущение объемности за счет частичного разделения каналов. Плюсом технологии является простота и дешевизна. Минус — неполное разделение, нарушение цветопередачи и возможное ощущение дискомфорта, нарушение цветового восприятия у человека.
Другим вариантом является использование встроенных в очки дисплеев, каждый из которых показывает картинку только для «своего» глаза, что дает стопроцентное разделение изображения на левый и правый канал. При этом изображение трехмерной сцены рендерится поочередно с разных точек зрения (для этого используется специальный драйвер видеокарты). Уровень стереоразделения позволяет регулировать, насколько «виртуальные глаза» удалены друг от друга, что значительно влияет как на ощущение объема, так и на возможное возникновение побочных эффектов. Также основными характеристиками подобных очков являются:

-Поле зрения. Поле зрения человека (суммарное значение) составляет примерно 180 градусов по горизонтали, поле зрения стандартных очков виртуальной реальности значительно ниже (чаще всего в пределах 30-50 градусов, но до 145 у отдельных моделей). Общая тенденция — чем больше поле зрения, тем сильнее ощущается погружение, и тем больше вероятность побочных эффектов. Часто эта характеристика заменяется эквивалентным размером дисплея, если смотреть на него с указанного расстояния.

-Тип дисплея. Первые образцы имели дисплеи с электронно-лучевыми трубками, что крайне негативно сказывалось как на габаритах и весе, так и на качестве дисплея. Сейчас применяются жидкокристаллические, а также более перспективные светодиодные (LED) дисплеи.

-Разрешение. Поскольку очки данного типа имеют встроенные дисплеи, технологически идентичные традиционным полноформатным дисплеям, эта характеристика также применима и играет важную роль. Часто используется привычное указание разрешения как количество точек по горизонтали и вертикали (например 800х600), однако также может быть указана плотность пикселей. Разрешение в 60 пикселей на градус (или пиксель на одну угловую минуту) считается пределом разрешающей способности глаза; современные очки обычно имеют разрешение примерно 10-20 пикселей на градус, хотя развитие микродисплеев позволяет увеличить этот показатель.

-Зона перекрытия. Эта величина характеризует область изображения, которая будет общей для двух глаз. Благодаря перекрытию мы и воспринимаем стереоизображения и чувствуем глубину. В среднем зона перекрытия у человека — примерно 100 градусов (50 градусов левее носа, и 50 правее). Соответственно, чем большую зону перекрытия обеспечивают очки, тем лучше будет ощущаться стерео. Значение обычно указывается в градусах, либо в процентах, которые означают, какая часть поля зрения будет общей для двух глаз.

-Расстояние между оптическими осями. Это очень важная характеристика, которая позволяет приспосабливать очки под индивидуального пользователя, поскольку, в силу анатомических особенностей расстояние между оптическими осями двух глаз различно у разных людей, а несоответствие чревато сильными негативными явлениями.
Очки со встроенными дисплеями являются одной из трех технологий полного погружения, поскольку если ограничить поле зрения только этими дисплеями, то пользователь не будет видеть окружающий мир.

Плюсами данного решения являются качество стерео, качество изображения, относительная дешевизна такого решения, а к минусам можно отнести ограниченное разрешение, больший вес, дороговизну очков высокого разрешения, а также потребность в индивидуальной настройке.
В лабораторных условиях собираются целые установки для создания иллюзии пребывания и работы в синтетическом мире. Установка CAVE, разработанная в Иллинойском университете Чикаго, представляет собой комнату размером 3х3х3 метра, в которой три стены и пол являются экранами. На них проецируются изображения, генерируемые четырьмя рабочими станциями. Используются высокопроизводительные графические рабочие станции CRIMSON VGX фирмы Silicon Graphics Inc. Каждая станция имеет 256 Мбайт оперативной памяти и два диска по 1,6 Гбайт каждый.
Для имитации акустических эффектов (эхо, допплеровские эффекты, звуки, производимые трехмерной средой и объектами) используется система, содержащая 8 динамиков и MIDI синтезаторы. Объемное зрение обеспечивается с помощью очков с жидко-кристаллическими обтюраторами. Положение зрителя и направление его взгляда определяется с помощью электромагнитного передатчика смонтированного на очках.
Проект финансировался Национальным Научным Фондом (NSF), Агентством Перспективных Исследовательских Проектов Министерства обороны США (DARPA) и Национальным Институтом Здравоохранения (NIH). Вычислительное и проекционное оборудование было предоставлено фирмами. Проект был поддержан Арагоннской национальной лабораторией, Национальным центром суперкомпьютерных приложений и Иллинойским университетом.
Опуская другие технические детали, следует тем не менее отметить комплексность и новизну требований к техническим средствам виртуальной реальности.
  1   2   3   4

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Дипломная работа iconДипломной работы 5 К. Д/О, 6 К. В/О
Дипломная работа является выпускной квалификационной работой, подводящей итог обучению на факультете ргф, вгу. Дипломная работа представляет...

Дипломная работа iconНазвание организации
Заголовок «Дипломная работа» или «Курсовая работа»: Times New Roman, 14 (вопреки П. 113), по центру. Затем – 2 пустые строки

Дипломная работа iconДипломная работа

Дипломная работа iconДипломная работа
Ориентирование по данным инерциальной системы (гироскоп, акселерометр, магнитометр, барометр и др.) 10

Дипломная работа iconДипломная работа
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Дипломная работа iconДипломная работа
Исследование проблемы алкогольной аддикции в отечественной и зарубежной психологии и социальных науках

Дипломная работа iconДипломная работа
Реализация sip-телефонии для мобильных устройств с операционной системой Android

Дипломная работа iconДипломная работа
Авторское выполнение научных работ на заказ. Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с

Дипломная работа iconДипломная работа
Тетралогия Виктора Пелевина как метатекст («Чапаев и Пустота», «Generation «П», «Числа», «Священная книга оборотня»)

Дипломная работа iconДипломная работа студента 5-го курса очной формы обучения
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:


Литература


При копировании материала укажите ссылку ©ucheba 2000-2015
контакты
l.120-bal.ru
..На главную