Виртуальная реальность и ее применение

Государственное образовательное учреждение

Центр образования №1430

Виртуальная реальность – что это?

Автор: Алябьев Арсений Юрьевич

г. Москва,

11 класс

Научный руководитель:

Алябьева Наталья Михайловна,

учитель информатики ЦО 1430

г. Москва, 2010 г.

Виртуальная реальность – что ЭТО?

Автор: Алябьев Арсений, г. Москва

ГОУ ЦО 1430, 11 «а»

Научная статья

    "Каждый может смотреть в экран дисплея как  в окно, за которым существует 
виртуальный мир."  Иван Сазерленд

Количество информации, которое человечество производит и потребляет увеличивается в 10 раз каждые 10 лет. Для превращения информации в знания необходим анализ человеком гигантских массивов данных и постоянное обучение.

Люди запоминают около 20 % того, что они видят, 40 % того, что они видят и слышат и 70 % того, что они видят, слышат и делают".

Развитие техники программирования, быстрый рост производительности полупроводниковых микросхем, разработка специальных средств передачи информации человеку, а также обратной связи (надеваемых на голову стереоскопических дисплеев, перчаток и костюма, в которые встроены датчики, передающие на компьютер информацию о движениях пользователя) - все это создало новое качество восприятия и переживаний, осознанные как виртуальные реальности [3].

Обоснование выбора направления

В настоящее время виртуальная реальность прочно входит в нашу жизнь, во всем мире разрабатывается большое количество приспособлений для имитации виртуальной реальности. Эти устройства давно появились на потребительском рынке нашей страны. Хотя они являются достаточно дорогими, почти каждый школьник мечтает об их приобретении, совершенно не задумываясь о влиянии данных устройств на мозг человека.

Цель исследований

Виртуальная реальность польза или вред? (Изучение возможности применения ВР в жизнедеятельности человека).

Задачи исследований

1. Ознакомиться с устройствами, имитирующими виртуальную реальность.
2. Узнать о воздействии, которое оказывает ВР на человека.
3. Создать обучающее пособие  и Web-сайт на тему: «Виртуальная реальность».
4. Создать модель виртуальной школы.
5. Обосновать выводы и сделать заключение.

Актуальность  проблемы

Человек всегда пытался моделировать реальность, но лишь после появления приемлемых программно-аппаратных средств стало возможным моделирование, близкое к реальности. Так появились миры, искусственно созданные человеком, иначе говоря мнимая, виртуальная реальность (хотя с английского слово "virtual" переводится как "действительное").

ВР и Человек

Предшественником виртуальной реальности, несомненно, является телевидение. Фактически, оно уже давно используется массой людей для ухода в несуществующую, выдуманную реальность, вовлекая их в совершенно виртуальные события мыльных опер, телевизионных игр, мультсериалов или триллеров. При этом люди иногда оказываются втянутыми настолько, что воспринимают телевизионных персонажей так, как если бы те были равноправными членами их семьи; сопереживают происходящим с теми событиям так, как если бы они происходили с близкими им людьми. Такое восприятие не может не оказывать сильного воздействия на психику (см. схему 1, приложение 1).

Исходя из представленной ниже схемы, очевидно, что наибольшее проникновение в ВР возможно при использовании устройств, имитирующих виртуальную реальность.

Телевидение, книги и другие средства массмедиа еще не могут считаться настоящей ВР, поскольку не обладают возможностью интерактивного взаимодействия. Другими словами, они не дают нам обратной связи: мы наблюдаем некое действие на экране телевизора, однако наша реакция никак не может повлиять на это действие, чтобы изменить его ход. В этом смысле следующий, более глубокий уровень вовлеченности в виртуальность дают компьютерные игры. Хотя события, происходящие в игре, безусловно являются менее "настоящими", чем те, что можно наблюдать на телеэкране, однако тот факт, что игрок непосредственно участвует в этих событиях, создает гораздо более мощный эффект погружения в виртуальный мир. Кроме того, исследования показали, что, будучи не совсем настоящим и оставляя простор для фантазии, такой мир часто становится более привлекательным, чем когда он является фотографической копией реальной действительности.

Чрезмерная увлеченность компьютерными играми часто приводит к зависимости от них. Психологи выделяют компьютерную зависимость первого и второго порядка. Зависимые 1-го порядка чувствуют себя в приподнятом настроении во время игры. Они любят играть группами в сети, получают позитивное подкрепление со стороны группы, когда становятся победителями и именно это является для них главным. Компьютер для них - средство получить социальное вознаграждение. Это люди, которые на самом деле используют компьютерные игры для своего развития и социализации. Их зависимость сродни зависимости от мольберта и кисточек юных любителей рисовать или зависимости от спортзала юных любителей спорта. Зависимые же 2-го порядка - это настоящие жертвы "виртуальной зависимости". Они используют компьютер для бегства от чего-либо в своей жизни, и их привязанность к машине - симптом более глубоких проблем (например, физические недостатки, низкое самоуважение и т. д.). "Виртуальная зависимость" может привести к социальной и эмоциональной изоляции, психическим расстройствам и информационным перегрузкам, к индивидуализму и отчуждению.

"Киберпространство" является еще одной специфической разновидностью виртуальной реальности. На сегодняшний день глобальным всемирным киберпространством стала сеть Интернет, давшая обширное поле для развития виртуальных технологий. К таковым, например, можно отнести виртуальные магазины: пользователь получает на экране трехмерную модель комнаты магазина, где он может рассмотреть товары на полках, просто подойдя к соответствующей полке; щелкнув мышкой по соответствующему товару, он можете детально с ним ознакомиться; может взять его и подойти к кассе; щелкнув мышкой, выбрать в меню "оплату" и тут же оплатить товар по кредитной карточке; и затем этот товар будет доставлен ему домой. Это также виртуальные банки, использующие технологию мультимедиа для создания реалистического компьютерного образа филиала. Такой филиал может быть доступен не выходя из дома или из офиса через информационную сеть, и может предоставлять целый ряд традиционных и нетрадиционных банковских услуг.

Однако распространение Интернета порождает проблемы психологической зависимости, сходные с компьютерными играми. Дезадаптированный человек сегодня может "уйти" в Интернет, где вместо персонажей игры по другую сторону экрана окажутся живые люди (у которых тоже могут быть свои проблемы и интересы). В социальный процесс, запущенный этой новой фазой информационной революции, вовлечены сегодня миллионы людей. Эмоциональная вовлеченность в обсуждаемую тему преодолевает чисто "интеллектуальную" сущность медиума - компьютера - и люди устанавливают эмоциональные отношения, влюбляются, ссорятся, радуются и переживают. Воображение заполняет пустоты, оставленные ощущениями. При этом пользователи с серьезными психологическими проблемами могут пойти по "простому" пути, избрав виртуальное общение как основное и, усугубив таким образом, свои проблемы. Типичная ситуация: он или она не умеет общаться, заводить друзей и испытывает непреодолимую робость в общении с представителями противоположного пола. И тут на помощь приходит Сеть. Место, где вам рады, где Вы с легкостью найдете единомышленников, друзей или, на худой конец, собеседников. Зачем поддерживать старые связи, зачем думать о повседневных проблемах и строить реальные отношения, когда есть такая возможность быть выслушанным и понятым? И World Wide Web может стать настоящей паутиной, из которой очень нелегко вырваться... [4].

Если следовать строгой терминологии, то все вышеперечисленное представляет собой только квази-ВР, поскольку не обеспечивает полной вовлеченности человека в виртуальный мир с максимальным задействованием его органов чувств. Полноценная ВР-система должна обладать следующими свойствами: она отвечает на действия пользователя (интерактивность), в реальном времени представляет виртуальный мир в виде трехмерной графики и дает эффект погружения.

Виды ВР

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.

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.

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. В настоящее время в мире существует более 100 крупномасштабных установок виртуальной реальности, которые используются в самых различных областях науки и техники, решая задачи как фундаментальных научных дисциплин, так и в узко специализированных прикладных направлениях.

Большинство виртуальных окружений являются визуальными ощущениями, т.е. изображением, выводимым на экран компьютера или на специальные стереоскопические дисплеи, но в некоторых симуляциях задействуется воздействие на другие ограны чувств, например слух (звук выводится на динамики или наушники). Некоторые продвинутые и экспериментальные системы включают ограниченную тактильную информацию известную как силовая обратная связь. Пользователи могут взаимодействовать с виртуальным окружением путём использования стандартных устройств ввода — мыши или с помощью многорежимных устройств, таких как сенсорные перчатки, специальные мачты и/или многонаправленные дорожки. Имитируемое окружение может быть похоже на реальный мир, например, симуляторы для лётчиков или имитация боя, или же значительно отличаться от реальности, например, в VR-играх. На практике сегодня очень сложно создать высококачественный виртуальный мир, по причине технических ограничений, связанных с мощностью процессора, разрешением изображений и пропускной способностью каналов передачи данных. Однако эти ограничения постепенно преодолеваются по мере развития технологий вычислительной техники, обработки изображений и передачи информации. Многопользовательские, ориентированные на большие аудитории установки виртуального окружения создаются на основе крупномасштабных проекционных систем. Это отличает их от установок индивидуального пользования, таких как, например, "виртуальные шлемы''. В настоящее время существуют три основных типа проекционных систем [10].

CRT-проекторы используют три электронно-лучевые трубки, производящие красную, синюю и зеленую компоненты изображения, сведенные вместе и сфокусированные на экране.

LCD-проекторы имеют три жидкокристаллических панели и яркий источник, свет которого разделяется на красную, синюю и зеленую компоненты, пропускается через соответствующие панели, затем вновь объединяется и проецируется на экран.

DLP-проекторы используют специальную плату, состоящую из множества микроскопических зеркал, каждое из которых имеет два положения: отражающее свет в линзу с дальнейшим попаданием на экран, и отклоняющее его от линзы. Зеркала могут переключаться в течении микросекунд (десятки тысяч раз за кадр), что позволяет модулировать сигнал для получения непрерывных переходов яркости для каждого пикселя. Переключение цветовых компонент обычно производится с помощью быстро вращающегося колеса с тремя светофильтрами [11].

Практическая часть

1. Анализируя полученную информацию, авторы пришли к выводу, что ВР все чаще внушает человеку опасение, несмотря на всю привлекательность и привязчивость. В ней чувствуется вполне определенная угроза уникальности человека и некоторым его прежде неоспариваемым чертам. Этот новый страх, наряду с традиционными — боязнь раствориться в искусственной, им же созданной реальности.

Явление виртуальной реальности безусловно интересно. Однозначно ответить на вопрос о пользе или вреде для человечества ВР невозможно! Безусловно, ВР для Человека открывает новые горизонты. А каким образом Человек будет использовать эти возможности, зависит только от самого Человека.  

2. По данной тематике был произведен полный информационный обзор как библиотечного материала, так и  Интернет материалов. Изучены достижения и перспективы. Самые  интересные, с нашей точки зрения, аспекты представлены в мультимедийном обучающем пособии.

Обучающее пособие  в виде мультимедийного диска на тему «Виртуальная реальность»  создано в программе Power Point c использованием возможностей данной программы: внедрение звука, мультимедийных роликов, картинок. Данное пособие может использоваться  на уроках МХК, информатики, физики, а также диск может используется классными руководителями для проведения тематических классных часов.

1. Создан web-сайт на тему «Виртуальная реальность» (находится в папке virt_r). Данный сайт состоит из 8 страниц:

1. На первой (v_r) (домашней) web-странице размещено представление сайта в виде стихотворения и видеоролика.
2. На второй web-странице представлена информация о понятии виртуальная реальность (v_r1).
3. На третьей web-странице говорится о восприятии ВР человеком (v_r2) .
4. На четвертой web-странице рассказывается о влиянии ВР на человека (v_r3).
5.  На пятой web-странице представлено применение ВР (v_r4).
6. На шестой странице размещены и описаны устройства, имитирующие ВР (v_r5).
7. Седьмая страница рассказывает о виртуальных очках, шлеме и современных контроллерах и манипуляторах (v_r6).
8. На восьмой странице предложены этапы создания модели виртуальной школы (v_r8).

2. Разработаны и предложены этапы создания виртуальной школы.

Виртуальное окружение - идеальная обучающая среда. В недалеком будущем в каждой школе появятся виртуальные классы. Представьте виртуальный класс географии - уникальная возможность перемещения в любую точку земного шара за считанные секунды. Изучение ландшафтов, природы, знакомство с местным населением... А теперь давайте побываем на уроке истории. Смена событий, эпох, культур... Наверное, самый интересный урок - астрономия. Путешествия на космическом корабле за пределы Солнечной системы...

Образование с использованием виртуального окружения, позволяет наглядно вести лекции и семинары, проводить тренинги, показывать учащимся все аспекты реального объекта или процесса, что в целом дает колоссальный эффект, улучшает качество и скорость образовательных процессов.

Этапы создания виртуальной школы 

Теперь детально рассмотрим процесс создания Виртуальной Модели школы. Весь процесс создания Виртуальной школы можно разделить на несколько этапов:

1. Работа с инженерным чертежом школы.
2. Создание основных деталей школы на VRML с использованием чертежей.
3. Создание внутренних объектов школы (парты, стулья, шкафы) в цифровом формате (рис. 1).
4. Сведение всех объектов в единый виртуальный мир.
5. Анимирование объектов.
6. Итоговое сведение.
7. Просмотр с помощью проекционной крупномасштабной системы CyberStage.

На данный момент в среде Blender создана модель виртуального класса (рис. 2): модель комнаты (стены, дверь, окна), парты, книжные шкафы (рис. 3).

В такой школе, в первую очередь, можно обучаться тем детям, которые по тем или иным причинам не могут посещать обычную школу, например, дети-инвалиды, дети, получившие серьезные травмы, а так же дети, проживающие в отдаленных селениях, и взрослые, желающие продолжить образование. Основная проблема - обеспечение необходимым оборудованием.

В настоящее время активно развивается дистанционная система образования, получившая название e-learning desktop. Дистанционные школы часто называют виртуальными школами. Учитель и автор учебно-методических материалов с помощью этой среды создают и размещают в Интернете учебные материалы (текстовые, мульти - и гипермедийные, видео, а также эксперименты в виртуальных лабораториях и т.д.), задания учащимся и аттестационные работы (в том числе - с контролем времени выполнения, адаптируемой последовательностью заданий и т.д.). Учащиеся выполняют задания и результаты своего выполнения направляют учителю (например, тоже выкладывает в определенную область сайта школы или (в исключительных случаях) в форме электронного письма). Учитель рецензирует работу: анализирует результаты выполнения задания и отвечает учащемуся, сообщает ему результаты анализа, оценку, комментарии, рекомендации по дальнейшей работе, вспомогательные задания и ссылки на информационные источники.

Если учащихся дистанционных школ обеспечить оборудованием, создающим виртуальную реальность, то мы максимально приблизим обычную школу к дистанционной.

Заключение и выводы

В проекте была рассмотрена история развития виртуальных технологий и связанных с ними понятий, представлены и охарактеризованы различные виды виртуальной реальности и ВР-систем, а также высказаны предположения о возможных перспективах дальнейшего проникновения виртуальности в жизнь людей.

Очевидно, что виртуальные технологии - как, впрочем, и любые другие - несут с собой не только много преимуществ, но и целый букет неведомых доселе проблем.

ВР — коллизия взаимодействия двух машин: идеальной машины — компьютера и соответствующего ему субъекта — человека, для которого символическая составляющая становится столь значимой, что заслоняет все прочие реалии жизни.

ВР все чаще внушает человеку опасение, несмотря на всю привлекательность и привязчивость. В ней чувствуется вполне определенная угроза уникальности человека и некоторым его прежде неоспариваемым чертам. Этот новый страх, наряду с традиционными — боязнь раствориться в искусственной, им же созданной реальности. Еще один фундаментальный страх, явно имеющий отношение к Страху «не быть» у Хайдеггера [5].

Однако прогресс остановить невозможно, и ясно, что, несмотря на заявления отдельных технофобов, виртуальная реальность, так или иначе, займет свое место в нашей жизни. Поэтому задача Человека Разумного - использовать свой разум так, чтобы извлекать из новых достижений максимум пользы (по возможности получая от этого удовольствие) - но никогда не допускать, чтобы виртуальная реальность стала ему иллюзорной заменой реального мира.

Список используемой литературы

1. Гибсон У. Нейромант. // Одноим. авт. сб. - М.: АСТ; СПб.: Terra Fantastica, 1997.
2. Дацюк С. Ноу-хау виртуальных технологий. - PC Club, №30, 1997.
3. Дацюк С. Парадоксальные интенции свободы в Интернет, 1997.
4. Лем С. Сумма технологии. - М.: Мир, 1968.
5. Лукьяненко С. Императоры Иллюзий. - М.: Локид, 1996.
6. Лукьяненко С. Лабиринт отражений. - М.: АСТ; СПб.: Terra fantastica, 1997.
7. Петрова Н. Виртуальная реальность как новый метод арт-терапии, или расставание с собой, 1998.
8. www.icpt.su/
9. www.xakep.ru/post/22893/
10. www.informatikform.net/
11. www.fictionbook.ru/author/lem_stanislav/summa_tehnologii/
12. www.osp.ru/
13. www.hardwareportal.ru/
14. www.barco.com/VirtualReality/en/products/
15. www.medialand.ru/
16. www.traintech.ru/
17. irbis.asu.ru/mmc/demina/

Аппаратные средства

ВР

Сетевая виртуальная реальность

(Интернет)

Компьютерное моделирование и имитация

Виды ВР