ITPulse

"Да фигня ваш VR, только в страшилки и играть..." © Любой обыватель.

Вступление

Недавнее появление недорогих технологий виртуальной реальности, таких как Oculus Rift, HTC Vive и Sony PlayStation VR ,привлекает внимание пользователей и исследователей, которые полагают, что это может быть следующим по величине шагом в технологических инновациях. Однако история технологии VR длиннее, чем может показаться: концепция виртуальной реальности была сформулирована в 1960-х годах, а первые коммерческие инструменты виртуальной реальности появились в конце 1980-х. По этой причине в течение последних 20 лет сотни исследователей изучали процессы, и искали применение этой технологии, создавая тысячи научных работ.
За последние 5 лет виртуальная реальность привлекла внимание инвесторов и широкой общественности, особенно после того, как Марк Цукерберг купил Oculus за два миллиарда долларов. В настоящее время компании как Sony, Samsung, HTC и Google, делают огромные инвестиции в VR. Сейчас видеоигры, поддерживаемые инструментами виртуальной реальности, более популярны, чем в прошлом, и представляют ценные, связанные с работой инструменты для нейробиологов, психологов и даже инженеров. Действительно, например, одна из основных целей изучения VR заключается в навигационных исследованиях, которые могут быть выполнены в лаборатории с использованием виртуальной реальности.
Важность навигационных исследований для функционального понимания человеческой памяти при деменции долгое время была предметом значительного интереса, и в 2014 году Нобелевская премия по «Физиологии и медицине» была присуждена Джону М. О'Кифу, Мэй-Бритту Мозер и Эдварду И. Мозер за их открытия нервных клеток в мозге, которые дают ощущение места и навигации. Огромное количество исследований было проведено в клинических условиях с использованием виртуальной реальности, что утвердило его важность для исследовательской и клинической практики. Более того, доступность бесплатных инструментов для экспериментального и вычислительного использования виртуальной реальности упростила доступ к любой области

Концепции и особенности виртуальной реальности.

Концепцию VR можно проследить в середине 1960-х годов, когда Иван Сазерленд в ключевой рукописи попытался описать VR как окно, через которое пользователь воспринимает виртуальный мир так, как будто он выглядит, ощущается, звучит реальным и в котором пользователь может действовать реалистично.
С того времени было сформулировано несколько определений: например, Фуч и Бишоп определили VR как интерактивную графику в реальном времени с использованием 3D-моделей в сочетании с технологией отображения, дающая пользователю возможность погружения в модельном мире. А Круз-Нейра(компьютерный инженер) дала непонятное, но очень умное определение: «Виртуальная реальность относится к иммерсивным, интерактивным, мультисенсорным, ориентированным на зрителя, трехмерным компьютерным средам и сочетанию технологий, необходимых для создания сред»
Как мы можем заметить - для нас это слишком "сложна и нипанятна", поэтому сейчас рассмотрим основные и понятные для нас особенности. Выделяют три ключевые особенности систем VR: погружение, восприятие, присутствие в окружающей среде и взаимодействие с этой средой. В частности, погружение касается количества стимулируемых чувств, взаимодействий и сходства реальных стимулов, используемых для имитации среды. Эта функция может зависеть от свойств технологической системы, используемой для изоляции пользователя от реальности. Более высокие или более низкие степени погружения могут зависеть от трех типов систем VR, предоставляемых пользователю:
• Не иммерсивные системы - это самый простой и дешевый тип приложений виртуальной реальности, которые используют настольные компьютеры для воспроизведения изображений мира.
• Иммерсивные системы обеспечивают полный имитированный опыт благодаря поддержке нескольких сенсорных выходных устройств, таких как дисплеи на голове (HMD), для улучшения стереоскопического обзора окружающей среды посредством движения головы пользователя, а также аудио и тактильных устройств.
• Полумерсные системы, такие как Fish Tank VR, находятся между двумя выше перечисленными системами. Они обеспечивают стереоизображение трехмерной сцены, наблюдаемой на мониторе с использованием перспективной проекции, связанной с положением головы наблюдателя.
Наконец, пользовательский опыт виртуальной реальности может быть раскрыт путем измерения уровней присутствия, реализма и реальности. Присутствие - это сложное психологическое чувство «присутствия» в ВР, которое включает в себя ощущение и восприятие физического присутствия, а также возможность взаимодействовать и реагировать, как если бы пользователь находился в реальном мире. Точно так же уровень реализма соответствует степени ожидания от пользователя стимулов и опыта. Если представленные стимулы похожи на реальность, ожидания пользователя VR будут соответствовать ожиданиям реальности, улучшая восприятие VR. Таким же образом, чем выше степень реальности во взаимодействии с виртуальными стимулами, тем выше будет уровень реалистичности поведения пользователя.

Технологии и применение виртуальной реальности

Технологически устройства, используемые в виртуальных средах, играют важную роль в создании успешного виртуального опыта. Можно выделить устройства ввода и вывода. Устройства ввода позволяют пользователю взаимодействовать с виртуальной средой, которая может варьироваться от простого джойстика или клавиатуры до перчаток, чувствительных к изгибу, которые фиксируют движения рук, позы и жесты, или зажимают перчатки, которые обнаруживают движения пальцев, и трекеров, которые могут отслеживать движения пользователя в физическом мире и переводить их в виртуальную среду.
Устройства вывода позволяют пользователю видеть, слышать, нюхать или трогать все, что происходит в виртуальной среде. Как упомянуто выше, среди визуальных устройств можно найти широкий спектр возможностей, от самых простых или наименее захватывающих (монитор компьютера) до самых захватывающих, таких как очки или шлемы VR или системы HMD или CAVE.
Кроме того, слуховые аппараты, громкоговорители, а также тактильные выходные устройства способны стимулировать телесные чувства, обеспечивая более реальный виртуальный опыт. Например, тактильные устройства могут стимулировать ощущение прикосновения и принуждать модели у пользователя.
С момента своего появления VR использовался в различных областях, таких как игры, военная подготовка, архитектурный дизайн, образование, обучение социальным навыкам, моделирование хирургических процедур , помощь пожилым людям или психологическое лечение.
Есть много возможностей, которые позволяют использовать VR как стимул, заменяя реальные стимулы, воссоздавая опыт, который в реальном мире был бы невозможен, с высоким реализмом. Вот почему ВР широко используется в исследованиях новых способов применения психологического лечения или обучения, например, для решения проблем, возникающих из-за фобий (агорафобия, фобия летать и т.д.). Или, просто, он используется как улучшение традиционных систем моторной реабилитации. Более подробно, в области психологического лечения терапия воздействия виртуальной реальности (VRET) показала свою эффективность, позволяя пациентам постепенно сталкиваться со стимулами страха или стрессовыми ситуациями в безопасной среде, где психотерапевт может контролировать психологические и физиологические реакции.Технологии и применение виртуальной реальностиТехнологии и применение виртуальной реальности

От виртуальной к дополненной реальности.

Рассматривая хронологию развития VR и AR, мы можем проследить первый трехмерный иммерсивный симулятор в 1962 году, когда Мортон Хейлиг создал Sensorama, имитирующий опыт мотоцикла, едущего по Бруклину, который характеризуется несколькими сенсорными впечатлениями, такими как аудио, обонятельные и тактильные стимулы, в том числе и ветер, чтобы обеспечить реалистичный опыт. В те же годы Иван Сазерленд разработал The Ultimate Display, который, помимо звука, запаха и тактильной обратной связи, включал интерактивную графику, которую Sensorama не предоставила. Кроме того, Philco разработал первый HMD, который мог обновлять виртуальные изображения, отслеживая положение и ориентацию головы пользователя. В 70-х годах Университет Северной Каролины реализовал GROPE, первую систему обратной связи , а Майрон Крюгер создал VIDEOPLACE - искусственную реальность, в которой фигуры пользователей снимались камерами и проецировались на экран. Таким образом, два или более пользователей могут взаимодействовать в 2D-виртуальном пространстве. В 1982 году ВВС США создали первый авиасимулятор [Симулятор визуально связанной воздушной системы (VCASS)], в котором пилот через HMD мог управлять траекторией и целями. В общем, 80-е годы были годами, когда начали появляться первые коммерческие устройства: например, в 1985 году компания VPL выпустила на рынок DataGlove, оснащенную датчиками перчаток, способными измерять сгибание пальцев, ориентацию и положение и определять жесты рук. Другим примером является Eyephone, созданный в 1988 году компанией VPL, HMD-системой для полного погружения пользователя в виртуальный мир. В конце 80-х годов Fake Space Labs создала бинокль-омни-ориентационный монитор (BOOM), сложную систему, состоящую из стереоскопического устройства отображения, обеспечивающего подвижную и широкую виртуальную среду и отслеживание механического рычага. Кроме того, BOOM предлагает более стабильное изображение и дает более быстрые ответы на движения, чем устройства HMD. Благодаря BOOM и DataGlove исследовательский центр НАСА разработал Виртуальную аэродинамическую трубу для исследования и управления воздушным потоком в виртуальном самолете или космическом корабле. В 1992 году Лаборатория электронной визуализации Университета Иллинойса создала автоматическую виртуальную среду CAVE, иммерсивную систему виртуальной реальности, состоящую из проекторов, направленных на три или более стен комнаты.
В последнее время многие компании, выпускающие видеоигры, улучшили разработку и качество VR-устройств, таких как Oculus Rift или HTC Vive, которые обеспечивают более широкое поле зрения и меньшую задержку. Кроме того, фактически устройства HMD теперь можно комбинировать с другой системой слежения в качестве систем слежения за глазами (FOVE) и датчиков движения и ориентации (например, Razer Hydra, Oculus Touch или HTC Vive).
Одновременно, в начале 90-х годов, корпорация Boing создала первый прототип системы AR, чтобы показать сотрудникам, как настроить инструмент для электромонтажа. В то же время Розенберг и Фейнер разработали осветительную арматуру AR для помощи в обслуживании, показав, что производительность оператора увеличилась за счет добавления виртуальной информации о приборе для ремонта. В 1993 году Loomis разработали систему на основе AR GPS для помощи слепым в вспомогательной навигации путем добавления пространственной аудиоинформации. В 1993 году Джули Мартин разработала «Танец в киберпространстве», AR-театр, в котором актеры взаимодействовали с виртуальным объектом в режиме реального времени. Несколько лет спустя Feiner разработали первую Mobile AR System (MARS), способную добавлять виртуальную информацию о туристических зданиях. С тех пор было разработано несколько приложений: "Thomas" создал AR Quake, мобильную видеоигру AR; В 2008 году был создан Wikitude, который с помощью мобильной камеры, Интернета и GPS мог добавлять информацию о пользовательских средах. В 2009 году были разработаны другие приложения AR, такие как AR Toolkit и SiteLens, чтобы добавить виртуальную информацию в среду физического пользователя. В 2011 году Total Immersion разработала D’Fusion и систему AR для разработки проектов. Наконец, в 2013 и 2015 годах Google разработала Google Glass и Google HoloLens, и их начали тестировать в нескольких областях.

Технологии дополненной реальности.

Технологически системы AR, хотя и разнообразные, представляют три общих компонента: геопространственные данные для виртуального объекта, поверхность для проецирования виртуальных элементов на пользователя , анимации и объединение изображений. Для запуска система AR должна также включать камеру, способную отслеживать движение пользователя для объединения виртуальных объектов, и визуальный дисплей, например, очки, через которые пользователь может видеть виртуальные объекты, накладывающиеся на физический мир. На сегодняшний день существуют системы с двумя дисплеями, системы сквозного видеонаблюдения (VST) и оптические прозрачные (OST) AR-системы. Первый раскрывает виртуальные объекты пользователю путем захвата реальных объектов / сцен с помощью камеры и наложения виртуальных объектов, проецируя их на видео или монитор, а второй объединяет виртуальный объект на прозрачной поверхности, например в очках. Через пользователя видны добавленные элементы. Основное различие между этими двумя системами заключается в задержке: системе OST может потребоваться больше времени для отображения виртуальных объектов, чем системе VST, что создает временную задержку между действиями пользователя и производительностью и обнаружением их системой.
Применение дополнительной реальности
Хотя AR является более новой технологией, чем VR, она использовалась в нескольких областях , таких как архитектура , техническое обслуживание , развлечения , образование , медицина и психологические методы лечения. За последние несколько лет было разработано несколько приложений AR, демонстрирующих положительные эффекты этой технологии в поддержке обучения, такие как повышенное понимание содержания и сохранение памяти, а также мотивация к обучению . Например, Ibanez разработали приложение AR для изучения понятий электромагнетизма, в котором учащиеся могли использовать аккумуляторы AR, магниты, кабели с реальными дефектами, и система давала учащимся обратную связь в реальном времени о правильности исполнения, улучшая таким образом академический успех и мотивация. Система AR позволяет визуализировать и воздействовать на сложные явления, которые традиционно студенты изучают теоретически, без возможности видеть и тестировать в реальном мире.
Как и в области психологического здоровья, растет число исследований об АR, показывающих его эффективность, прежде всего, при лечении психологических расстройств. Например, при лечении тревожных расстройств, таких как фобии, AR-терапия (ARET) показала свою эффективность при односеансовом лечении, сохраняя положительный эффект в последующем через 1 или 3 месяца после. Как и VRET, ARET обеспечивает безопасную среду, в которой возможен любой вид стимула, позволяющий сохранять контроль над ситуацией, в которой находятся пациенты, постепенно создавая ситуации страха или стресса. Различные исследования показали, что АR в начале сеанса способна активировать беспокойство пациента, уменьшая его через 1 ч. экспозиции.

Вы можете прочитать больше подобных статей в нашем Telegram канале: t.me/it_pulse

Если немного углубиться в человеческую природу, то можно увидеть много недостатков в нашем, казалось бы, "совершенном" организме. Именно эти недочёты делают человека крайне уязвимым почти ко всему, что его окружает. На протяжении всей истории существования людей, они учились не просто приспосабливаться, а пытались бороться с недостатками своего организма путём использования сторонних предметов. У нас нет клыков, шерсти и тем более крыльев, однако мы можем заменить всё это на нечто более совершенное: начиная с обычной палки-копалки и заканчивая космическими ракетами. Даже в эпоху величайшего прогресса мы всё ещё сталкивается с весьма серьезными проблемами, которые могут стать помехой в нашей жизни. Одной из таких проблем является потеря конечностей (около 15% населения Земли имеют функциональные нарушения и примерно 50 миллионов человек ежегодно становятся инвалидами). Да, ещё не научились выращивать полноценные части тела, которые будут функционировать лучше прежних, но именно в наше время научное сообщество как никогда близко оказалось у решения вопроса об инвалидности. Путём совмещения научных исследований из различных областей появилась такая наука как бионика. В целом — это наука об использовании свойств, функций и структур живой природы в технических устройствах. Проще говоря — это наука о создании искуственного аналога "изобретения" природы. И одним из её направлении является бионическое протезирование. Для более детального изучения этой темы углубимся в нашу историю.

Немного из истории.

Сам принцип протезирования придуман очень давно и первый зафиксированный случай применения протеза был около 5 тысяч лет назад в Древнем Египте. Протез правой руки был обнаружен на раскопках в Саккаре в 2001 году, а принадлежал он высокопоставленному египтянину, жившему в эпоху династии фараона Джосера. После анализа данной находки, учёные пришли к заключению, что это изобретение крепилось к телу при помощи системы кожаных ремней и даже имело некоторые функции, приводимые в действия движениями тела. Например повороты влево и вправо могли сгибать и разгибать кисть.

Ещё одним примером может положить весьма знаменитая железная рука рыцаря Геца фон Берлихигена, изготовленная в 1509 году неизвестным кузнецом. Выглядела такая рука как перчатка латного доспеха и в её функции входила фиксация пальцев в произвольном положении благодаря храпикам и пружинам. Пальцы разгибались одним нажатием кнопки. Такая замена руки позволяла рыцарю держать не только оружие, но и более мелкие предметы.

Несмотря на древнее происхождение протезов, они смогли по-настоящему зарекомендовать себя лишь к началу 19-го века. Это произошло благодаря изобретению антисептиков, которые сократили смертность от потери конечностей. Европейские врачи на протяжении 19-го века экспериментировали с применением механических протезов и уже в 1860 году Граф Бофор представил парижской академии упрощённый вариант механического протеза. Впоследствии это дало мощный толчок для развития этой отрасли. Протезы уже выпускались на промышленном уровне и стали доступны не только высшим слоям, как это было раньше, но и простым людям. И уже к 1944 протезирование стало преображаться в привычные нам протезы. А в послевоенные годы было налажено полномасштабное промышленное производство протезов различных частей тела и лидерами в производстве были СССР и Германия. Такие приспособления значительно упрощали быт человека, лишённого руки или ноги, но тем не менее такая вещь всё ещё не была полноценной заменой настоящей конечности. Человек с протезом всё ещё не мог полноценно работать или например готовить себе еду без особых усилий. Все эти недостатки изобретения поставили перед научным сообществом вопрос о совершенствовании механизма. И уже в конце 20-го начале 21-го века должное развитие технологий позволило начать разработку биомеханического протезирования.

О бионических протезах.

Концептуально они не отличаются от своих механических предшественников, но в технологическом плане превосходили в несколько раз. Так например, создание новых полимеров позволило создавать конструкции с оптимальным (и даже идеальным) соотношением прочности и лёгкости. Это избавило людей с ограниченными возможностями от дисбаланса в опорно-двигательного аппарате. Следующее новшество — это усовершенствованная механика. В её состав входят встроенные сервоприводы, шарниры и тяги, которые обеспечивают устройству подвижность. А, например, в ножных протезах применяются пневматические, гидравлические или пружинные амортизаторы. Ну и наконец главное, отличающее от механического протеза, нововведение — встроенная электронная система управления. Внутри протеза установлено несколько микропроцессоров, которые обрабатывают информацию с датчиков, считывающих нервные сигналы. Такие детекторы подключены к остаткам мышц конечности и считывают изменения потенциалы при сокращении этих самых мышц. Но в более продвинутых протезах датчики устанавливаются на кожу головы или под неё, что существенно снижает время отклика механических частей. И даже несмотря на это, учёные продвинулись ещё дальше.

Новая Эра Биомеханики

Развитие бионических технологий за последние несколько лет шагнуло очень далеко вперёд. Биофизик из Массачусетского Технологического Института (ориг. Massachusetts Institute of Technology), который когда-то потерял ноги из-за обморожения, вместе с командой разработал бионические протезы ног нового поколения. А что конкретно он принёс в эту новую технологию, будем разбирать по порядку.

Присоединение

Протез закрепляется на части тела с помощью слоёв синтетической кожи разной плотности, которая обратно симметрична биомеханике нижележащей ткани. Чтобы получить такую симметричность, исследователи создали математическую модель ноги при помощи средства визуализации МРТ. Делалось это для того, чтобы возникло понимание чёткой форма ноги. Далее использовалось 14-ти приводное кольцо с сервоприводами, которые измеряли упругость натуральных тканей в разных анатомических зонах. И далее конструировалось особое индивидуальное крепление с зонами синтетической ткани, обратными по упругости зонам натуральной ткани ноги. Такая технология позволила создать максимально удобный для ношения протез.

Управление

В синтетическую кожу протеза так же вшивается специальный "умный материал", который под действием электрического тока может становиться мягким или же твёрдым. Такой материал значительно повышает эффективность протеза при ходьбе. Так же в таком протезе имеется функция подталкивания человека с помощью голени. Изучив принцип управления костного мозга мышцами, учёные применили этот же принцип и в протезе. Работает это так: при касании пятки об поверхность, процессор задаёт всей системе жёсткость, что смягчает удар от столкновения, а в среднем положении бионическая нога выдаёт мощный момент и подталкивает человека. Это даёт возможность не просто удобно ходить, но и бегать.

Обратная связь

Это по-настоящему мощный прорыв. В бионической ноге теперь используется принцип проприоцепции. Проприоцепция — это ощущение частей тела в пространстве. Для его применения на ампутированной ноге восстанавливаются повреждённые нервы и сращиваются сухожилия противодействующих мышц (противодействующие они по той причине, что когда одна сжимается, другая растягивается), а затем нервные окончания сращиваются в матрицах микроканалов в самом протезе. Благодаря восстановлению мышц и нервных окончаний, присоединённый протез ощущается в пространстве даже с закрытыми глазами. Но самое поразительное то, что вся естественная биомеханика, идущая от центральной нервной системы, появилась и в механической конечности как рефлексивное действие. Так как после применения проприоцептивного принципа между живой ногой и механическим протезом возникла обратная связь, то ЦНС сама понимает как управлять искусственной ногой на естественном уровне. И теперь протез не просто отдельный предмет, а полноценная функционирующая часть тела.

Проприоцепция — мышечное чувство — ощущение положения частей собственного тела относительно друг друга и в пространстве.

"Живые" механические конечности существуют уже не на страницах фантастических рассказов, а в реальности. Новые технологические исследования позволяют не просто создать замену части тела, а полноценный девайс. Теперь люди не просто восстановят утерянное, но и приобретут нечто новое.

То время, когда человек сможет присоединить себе дополнительную руку и управлять ей уже ждёт нас в недалёком будущем. Но это будет потом, так что сейчас вы можете ознакомиться с разработками протезов разных фирм. Вот некоторые из них: RSL Steeper, Ottobock, Össur. Это зарубежные фирмы, превосходящие по технологиям российских производителей. Но в России тоже имеется серийная разработка моделей "Страдивари" от компании Motorica. Вы можете ознакомиться с ней в видео:

Вы можете прочитать больше подобных статей в нашем Telegram канале: t.me/it_pulse