МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Факультет заочно-послевузовского обучения

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

По дисциплине: "Архитектура ЭВМ и систем"

На тему: "Системы виртуальной реальности"

| | |
| | |
| | |
| | |
| | |

Воронеж 2003 г.

Системы виртуальной реальности

С экранов телевизоров, со страниц компьютерной и некомпьютерной прессы все чаще слышится словосочетание "виртуальная реальность". Что же скрывается под этим модным сегодня словом?

В первую очередь имеется в виду трехмерное, объемное изображение (в отличие от псевдотрехмерной графики на плоскости) и трехмерный звук.
Однако в полной мере ощутить всю прелесть виртуальной реальности можно только при наличии таких элементов, как детекторы перемещения, позволяющие отслеживать изменения положения пользователя в увязке с изображением на экране монитора и датчики, фиксирующие действия пользователя. До недавнего времени такие системы можно было увидеть лишь в крупнейших в мире игровых центрах, а стоимость их превышала все мыслимые значения. Но все меняется в современном мире компьютерной техники, и в результате постоянного снижения цен на компьютерное оборудование такие системы становятся доступными и рядовым пользователям настольных компьютеров. Более того, все чаще производители и игрового программного обеспечения, и бизнес - приложений встраивают поддержку виртуальной реальности в свои системы. А с середины
1995 года появились фирмы, специализирующиеся на выпуске такого программного обеспечения.

Системы виртуальной реальности в сочетании с ПК широко используются сейчас для развлечений. Они представляют собой различные более или менее сложные устройства, реагирующие на движения пользователя. Если несколько работающих систем виртуальной реальности соединить, образуется так называемое общее киберпространство, где пользователи могут встретить друг друга. Система отслеживания движений головы позволяет вам бросить взгляд в любую сторону киберпространства. А что в этом пространстве можно делать и что с вами произойдет - зависит от используемой прикладной программы.
Некоторые высококачественные системы виртуальной реальности используют специальные манипуляторы, подобные мыши и джойстику, передвижения которого вверх и вниз интерпретируется датчиками как движение пользователя вперед и назад. Это устройства дают дополнительную возможность передвижения в виртуальной реальности. Элитарные системы виртуальной реальности предлагают также стереоскопические 3D - изображения и стереозвук, а также возможность общаться с другими пользователями в едином киберпространстве с помощью встроенных микрофонов. Сегодня лучшие аркадные видеоигры поддерживают виртуальную реальность, что позволяет игрокам бороться не с генерируемым программой противником, а друг с другом.

Предметный мир, окружающий нас - трехмерный. Наши глаза воспринимают объекты под разными углами: два независимых изображения анализируются мозгом, и в результате их сопоставления формируется образ предмета, его признаки и глубина изображения. Расстояние между глазами человека обычно составляет 6-7 см, и когда зрачки сосредотачиваются на предмете, левый и правый глаз фокусируются в этом направлении. В зависимости от расстояния до объекта угол обзора изменяется. Наши глаза и мозг анализируют расстояние, основываясь на различии между изображениями, получаемыми левым и правым глазом. Это различие называют параллаксом зрения. Именно с помощью этого эффекта и создаются трехмерные, объемные изображения.

Все системы подобного рода в своей основе имеют несколько главных принципов получения 3D - изображений:

Метод фильтрации цвета.

Эффект 3D достигается за счет того, что синий цвет, наблюдаемый через красный фильтр той же глубины цветности, невидим, а при просмотре через синий фильтр кажется черным, таким образом, разместив перед одним глазом синий, а перед другим красный фильтр, во время просмотра изображения, закодированного соответствующим образом, за счет светового преломления, можно создать иллюзию 3D. Такой метод очень неудобен, так как сильно утомляет глаза и нормальная цветопередача все же не обеспечивается.

Метод параллакса.

Перед одним глазом помещается прозрачный, а перед другим практически черный фильтр. Эффект 3D проявляется только при наблюдении за движущимися объектами. В основе создаваемой иллюзии лежит различие во времени распознавания изображения каждым глазом через черный и прозрачный фильтры.
Для статичных картинок этот метод не подходит.

Метод затвора ("Волшебные очки").

Этот принцип состоит в формировании изображения поочередно для левого и правого глаза. Чтобы в нужный момент картинка попадала только на сетчатку соответствующего глаза, необходимо каким-то образом синхронизировать изображения с устройством "шторки", закрывающей другой глаз. Для этой цели используется скоростная LCD - затворная линза, управляемая платой синхронизации, одна из главных трудностей на этом пути - невысокая частота вертикальной развертки мониторов. Лишь недавно был достигнут приемлемый уровень для одинарного изображения, при котором не устают глаза - около 100
Гц. Использование мониторов для 3D - изображения предъявляет особенно жесткие требования к развертке - от 150 до 300 Гц. Последнему значению удовлетворяют лишь самые дорогие модели.

С помощью этих моделей получается довольно отчетливое изображение с частотой 60 Гц (при частоте развертки монитора 120 Гц). Однако, в результате значительного мигания изображения в таких устройствах, глаза довольно быстро устают. Кроме того, с некоторыми (не самыми плохими) видео картами правильно настроить очки бывает непросто.

Метод раздельного формирования изображений.

Принцип, на котором построены наиболее известные устройства
"виртуальная реальность – шлемы", состоит в построении изображения непосредственно на цветной LCD - матрице шлема или очков. Для разработчиков и производителей устройств, использующих такую схему, основная проблема - добиться высокого разрешения. Если современные мониторы легко работают с разрешением 1024х768 точек, то используемые LCD - матрицы едва достигают эквивалентного разрешения 200х300 точек. Для сглаживания изображения иногда применяются фильтры, но, как правило, они только размывают картинку. Кроме того, высокая стоимость LCD - матриц делает эти устройства более дорогими.
Большое значение для комфортности применения имеет эргономичность конструкции ВР - шлемов. Возможность регулировать ремни, закрепляющие шлем на голове и сбалансированность веса самого шлема крайне важны для удобства при длительном пребывании в киберпространстве.

Шлем имеет два режима: режим "полного погружения" и
"полупрозрачный" режим, который позволяет делать изображение полупрозрачным и работать, глядя сквозь него. Оба эти режима могут поддерживать разрешение
640х480 точек при 16 цветах и 320х200 при 256. Дисплеи шлема проецируют изображение таким образом, что у пользователя создается впечатление, как будто он смотрит на 80-дюймовый экран, расположенный примерно в трех метрах от него. Этого эффекта удалось добиться за счет того, что линзы в этой модели находятся на большом расстоянии от глаз, поэтому при прочих равных условиях значительно снижается утомляемость и нагрузка на них. Входной сигнал для данного устройства должен быть в стандарте NTSC, поэтому для подключения к компьютеру используется конвертор SVGA - NTSC. С другой стороны, использование этого стандарта позволяет без проблем просматривать видеофильмы.

Большое значение для создания эффектной иллюзии нахождения в виртуальном пространстве имеет звуковое сопровождение. Современный уровень развития звукового компьютерного сопровождения позволяет говорить, что все необходимое для систем виртуальной реальности уже существует. Различные звуковые эффекты, раньше встречавшиеся только в профессиональной аппаратуре, постепенно становятся обязательным атрибутом компьютерных звуковых плат. Например, многие звуковые карты уже используют систему 3D - звука, которая отличается от обычного стерео - звучания тем, что звук обретает такую характеристику, как глубина.