Фрески, стереоскопы и авиасимуляторы: как мы пришли к современной VR
Предки Apple Vision Pro и симуляторов реальности существовали еще 40-50 лет назад, а предпосылки к зарождению технологии и вовсе относят к XIX веку. В этой статье посмотрим на эволюцию VR, применение первых устройств и изучим интересные исторические факты.
Используйте навигацию, если не хотите читать текст полностью:
Что такое виртуальная реальность
Цель виртуальной реальности — «обмануть» наш мозг, заставить поверить в то, что цифровые объекты реальны.
Есть знаменитый пример из ранней кинематографии. На видеозаписи был изображен поезд, который двигался вдоль рельс на зрителя. При первом показе посетители кинотеатра подумали, что это буквально.
Хотя сегодня эту историю можно считать городской легендой, она наглядно демонстрирует проблему четкого определения виртуальной реальности. Вполне возможно, что кино- и телевизионные образы влияют на наше ощущение реальности. Однако мы не сравниваем их с VR-технологиями.
Некоторые определения VR предусматривают, что технология должна быть интерактивной. Это отличало бы ее от 3D-фильмов, видео 360 и других подобных медиа. Проблема в том, что большая часть компьютерного VR вообще не интерактивна, но все считают ее эталоном технологии.
Первые работы
Самой ранней попыткой в VR можно назвать даже 360-градусные фрески XIX века. Эти картины будто погружали людей в исторические события.
Художники, скульпторы и архитекторы всегда интересовались методами создания иллюзорных пространств, кульминацией которых стали монументальные панорамы XVIII и XIX веков. Они стирают визуальные границы между двухмерным и трехмерным пространствами, создавая иллюзию погружения в изображаемые события.
В 1838 году исследование Чарльза Уитстона показало, что мозг объединяет разные двумерные изображения в единый трехмерный объект. Просмотр двух расположенных рядом стереоскопических изображений через стереоскоп позволял ощутить глубину и погружение.
Более поздняя разработка стереоскопа View-Master использовали для «виртуального туризма». Принципы проектирования такого устройства используются в Google Cardboard и малобюджетных дисплеях виртуальной реальности для мобильных телефонов.
Первые симуляторы
В 1929 году Эдвард Линк создал Link Trainer, первый образец коммерческого электромеханического авиасимулятора. Он управлялся двигателями, которые были связаны с рулем направления и колонкой для изменения угла наклона и крена. Небольшое устройство с приводом от двигателя имитировало турбулентность.
Потребность в безопасных способах обучения пилотов была настолько велика, что американские военные купили шесть таких устройств за $3,500. Уже во время Второй мировой войны более 10 000 тренажеров Link Trainer использовали для подготовки более чем 500 тыс пилотов.
В 1930-х годах в рассказе «Очки Пигмалиона» писателя-фантаста Стэнли Г. Вейнбаума встречается концепт очков, которые позволяют ощущать вымышленный мир с помощью голографии, обоняния, вкуса и прикосновения. Оглядываясь назад, это поразительно похоже на современный VR.
Фред Уоллер был одним из первых, кто задумался о важности периферического зрения в восприятии сред. Он хотел разработать проекционную технологию, которая бы дублировала «вид от лица человека» на экран. И в 1939 году ученый подготовил широкоэкранный формат фильма Vitarama для всемирной выставки в Нью-Йорке. В нем использовались несколько камер и проектов, а также дугообразный экран, чтобы создать иллюзию погружения.
Хотя Vitarama не получила коммерческого успеха до середины 1950 годов, ВВС США использовала эту систему во время второй мировой для тренировок в противовоздушной обороне.
До появления компьютеров сенсорная стимуляция была многообещающим методом создания виртуальной среды. После выхода рекламного фильма This Is Cinerama (1952) оператор Мортон Хейлиг увлекся Cinerama и 3D-фильмами. Как и Уоллер, он изучал сенсорные сигналы и иллюзии человека, надеясь снять «кино будущего».
К концу 1960 года Хейлиг построил индивидуальную консоль с множеством «входов» — стереоскопическими изображениями, подвижным креслом, звуком, изменениями температуры, запахами и воздушным обдувом. Изобретение было запатентовано в 1962 году как симулятор Sensorama, предназначенный для «стимулирования чувств человека».
Еще во время работы над Sensorama он разработал стереоскопический 3D-телевизионный дисплей Telesphere Mask, который был запатентован в 1960 году. Хотя Хейлигу не удалось вывести Sensorama на рынок, в середине 1960 годов он расширил идею многоэкранного театра (Experience Theater) и аналогичную систему Thrillerama для Walt Disney Company.
В 1950 годах под компьютером понимали «автоматизированный электронный мозг», способный манипулировать данными с невообразимой скоростью. Однако с появлением более доступных компьютеров второго и третьего поколений уничтожило этот «штамп».
И уже в 1961 году инженеры корпорации Philco разработали первый предшественник HMD — Headsight. Прототип включал в себя видеоэкран для каждого глаза и магнитную систему отслеживания движения, связанную с камерой замкнутого контура.
При этом Headsight был разработан не для приложений виртуальной реальности (тогда этого термина еще не было), а для того, чтобы военные могли удаленно следить за боевыми действиями.
С помощью движений головой можно было управлять удаленном камерой, позволяя пользователю осматривать окружающую среду. Headsight был первым шагом в эволюции дисплея виртуальной реальности, но в нем до сих пор не было компьютера.
Формулировка основополагающей концепции
В 1965 году ученый-компьютерщик Айвен Сазерленд описал концепцию Ultimate Display, позволяющую моделировать реальность, которую нельзя отличить от «реальной реальности». Его концепция включала:
виртуальный мир HMD, дополненный 3D-звуком и тактильной обратной связью;
- компьютерное оборудование для создания и поддержания виртуальности в реальном времени.
Именно эта концепция в будущем позволит пользователям реалистично взаимодействовать с цифровыми объектами.
Конечно, окончательным проявлением будет комната, в которой компьютер сможет контролировать материю. Стул, спроецированный в такой комнате, будет достаточно реален, чтобы на нем сидеть. Наручники, спроецированные в этой комнате, будут ограничивать человека, а пуля будет смертельной. При соответствующем программировании такой дисплей мог бы стать буквально Страной чудес, в которую попала Алиса
В 1968 году Айвен Сазерленд и его ученик Боб Спроул создали первый головной дисплей VR/AR «Дамоклов меч», который подключался к компьютеру, а не к камере. Это было большое и слишком тяжелое изобретение для любого человека. Устройство подвешивалось к потолку, а пользователя нужно было закрепить рядом с ним. Компьютерная графика состояла из очень примитивных каркасных комнат и объектов.
В 1969 году Майрон Крюгер, компьютерный художник виртуальной реальности, разработал серию экспериментов, которую он назвал «искусственной реальностью». В процессе он разработал компьютерную среду, которая умела реагировать на действия людей.
Проекты GLOWFLOW, METAPLAY и Psychic SPACE стали прогрессом в исследованиях Крюгера. Именно они в 1975 году привели к развитию технологии VIDEOPLACE, которая позволила людям общаться друг с другом в быстро реагирующей компьютерной среде, несмотря на расстояние в несколько милей друг от друга.
VIDEOPLACE широко известна как первая интерактивная система виртуальной реальности. Используя сочетание компьютерной графики, световой проекции, камер и экранов, она может измерять положение пользователя. Говоря современным языком, это больше похоже на AR-проекцию.
VIDEOPLACE состоял из темных комнат с большими видеоэкранами. Люди могли видеть свои компьютерные силуэты, имитирующие их собственные действия — движения записывались на камеру и переносились на силуэт. Кроме того, пользователи в разных комнатах могли взаимодействовать с силуэтами других пользователей в одном виртуальном мире.
Другие технологии виртуальной реальности
Разработки США
С 1960 годов инженер-электрик Томас Фернесс работал над визуальными дисплеями и приборами для тренировочных кабин ВВС США. К концу 1970 годов он начал разработку виртуальных интерфейсов для управления полетом, а в 1982 продемонстрировал симулятор визуально связанных бортовых систем, более известный как шлем Дарта Вейдера.
А с 1986 по 1989 год Том Фернесс руководил программой ВВС Super Cockpit. Основная идея этого проекта заключалась в том, что способность пилотов-людей обрабатывать пространственную информацию зависела от того, чтобы использовать преимущества естественных механизмов восприятия человека».
В тренировочной кабине были трехмерные карты, улучшенные инфракрасные и радиолокационные изображения. Пилот мог видеть и слышать в режиме реального времени. Система слежения и датчики шлема позволяли пилоту управлять самолетом с помощью жестов, речи и движений глаз.
Сазерленд и Фернесс перенесли идею технологии симуляторов из изображений реального мира в виртуальные миры, которые представляли собой абстрактные модели и данные. В этих системах визуальное правдоподобие было менее важным, чем погружение и обратная связь. Этот подход имел важные последствия для медицинских и научных исследований.
VR в биологии
Проект GROPE, начатый в 1967 Фредериком Бруксом, был особенно примечателен благодаря достижениям в изучении молекулярной биологии. Брукс стремился улучшить восприятие и понимание взаимодействия молекулы лекарства с рецепторным участком на белке — и создал окно в виртуальный молекулярный мир.
Он объединил каркасные изображения для представления молекул и физических сил с «тактильной» обратной связью, передаваемой через специальные устройства для захвата, чтобы расположить виртуальные молекулы в конфигурации с минимальной энергией связи.
Ученые, использующие эту систему, ориентировались в представленных силах, подобно летным стажерам, изучающим инструменты в кабине Link. Технология положила начало для новых гипотез из мира фармацевтики. В 1990 лаборатория Брукса расширила использование виртуальной реальности до радиологии и ультразвуковой визуализации.
Виртуальная реальность распространилась и на хирургию: появились прототипы роботов-врачей, управляемых с помощью обратной связи. Концепты закрепились в 1970-80 годах в микрохирургии и других менее инвазивных формах ремесла.
Способность манипулировать виртуальными объектами, а не просто видеть их, занимает центральное место в концепции виртуальных миров.
VR-перчатки
Первые VR-перчатки Sayre Glove, разработанные в 1977 году в университете Иллинойса, представляли собой проволочные конструкции. Они отслеживали движения рук, используя излучатели света и фотоэлементы на пальцах перчаток. Когда пользователь двигал пальцами, количество света, попадающего на фотоэлемент, изменялось, возбуждая электрические токи разных величин. Это было началом распознавания жестов в мире VR-технологий.
В 1982 году Томас Циммерман изобрел первую оптическую перчатку, а в 1983 году Гэри Граймс из Bell Laboratories сконструировал перчатку для цифрового ввода данных. Последняя разработка была достаточно гибкой и тактильной. В основе лежали инерционные датчики для отслеживания положения рук в различных положениях. Это была кривая, но интересная альтернатива классической клавиатуре.
Циммерман много лет думал о создании интерфейсного устройства для музыкантов на основе общепринятой практики игры на «воздушной гитаре» — в частности, перчатке, способной отслеживать движения руки и пальцев. Он запатентовал оптическое гибкое сенсорное устройство (в котором использовались светопроводящие волокна) в 1982 году — через год после того, как Граймс зарегистрировал свое устройство компьютерного интерфейса, работающее в перчатках.
Предшественники Google-карт
В 1977 году MIT создает карту Aspen Movie Map. Эта система позволяет людям путешествовать по виртуальному городу Аспен, штат Колорадо. Это было почти как древний предшественник Google Street View. Было использовано видео, снятое из движущейся машины, чтобы создать впечатление перемещения по городу. И снова в этой схеме не участвовал ни один HMD.
Шлемы виртуальной реальности
В 1979 году создается шлем VITAL. И он, вероятно, является первым настоящим VR-HMD, созданным за пределами лаборатории. Используя хед-трекер, пилоты могли просматривать примитивные компьютерные изображения.
В 1985 году пионеры виртуальной реальности Джарон Ланье и Томас Циммерман основали компанию VPL Research. Это была первая VR-компания, продающая шлемы виртуальной реальности и перчатки.
VPL Research разработала ряд устройств виртуальной реальности, включая DataGlove и головной дисплей EyePhone. VPL была первой компанией, которая продавала VR-перчатки и очки: EyePhone 1 и EyePhone HRX.
Мы рассмотрели не всю историю развития VR. Если вам интересна эта тема, напишите в комментариях и предложите, о чем можно рассказать подробнее.
Интересуетесь искусственным интеллектом и нейросетями? Подписывайтесь на блог Selectel, чтобы не пропустить новые материалы по этим темам.
Я в полном восторге от развития технологий. А за информацию спасибо, очень познавательно