Виртуальная реальность – реальная перспектива

Существует множество публикаций и статей о виртуальной реальности (ВР), а также определений, что такое ВР. Но все материалы, которые пока найдены и доступны, относятся либо к популярным статьям, которые носят в основном эмоциональный характер и не имеют глубокого анализа сущности концепции ВР, либо отражают чисто эмпирический (интуитивный) подход к разработке теории ВР и построению систем ВР.

Одни авторы в своих публикациях делают акцент на технических средствах:  

o    программные эмуляторы и движки 3D на настольных компьютерах с визуализацией на экране дисплея (проекции 3D=>2D);
o    внешние аппаратные тренажеры с большими экранами (проекции 3D=>2D):
o    кабины с манипуляторами, имитирующие тактильность (чувствительность кожи), кинестезию (перемещения тела) и т.п.;
o    комнаты, стены которых выполнения в виде экранов (плоские (пол, стены, потолок), сферические, цилиндрические и т.д.);
o    внешние экраны, генерирующие два изображения, видимость которых разделяется за счет различных точек положения левого и правого глаза (вертикальные растры на экране, точечные маски и т.п.);
o    проекция изображений на вращающиеся экраны (настольный 3D экран, требующий физической изоляции);
o    голографические проекции (проблемы с визуализацией движения);
o    носимые приспособления (wearable appliance) в виде:
o    стерео-очков бинокулярного зрения для управления обозрением внешних экранов (управление видимостью для левого и правого глаза на основе цвета, переключения прозрачности, поляризации света и т.п.);
o    стерео-очков (шлемов ВР) с генерацией стерео-пары (два изображения для каждого глаза в области плоскости очков);
o    система гироскопов для головы, управляющая проекцией обзора на 360 град;
o    перчатки, костюмы и т.п. с датчиками и гироскопами в качестве манипуляторов для ориентации тела или его частей в виртуальном пространстве.

Другие авторы делают акцент на человеческом восприятии и, например, иногда называют Интернет виртуальной реальностью. Если ты в “он-лайне”, то значит уже погрузился в ВР. Ясно одно, что философия, теория, практика и технологии ВР – вещь не простая. Ее исследование, а тем более, практическая реализация, требуют очень высокой квалификации и знаний в самых разных отраслях.

Для успешного развития и внедрения систем ВР требуется развитие технологий и теорий из многих смежных областей науки и техники. Если мы хотим разобраться в проблеме ВР и использовать ее на практике, то мы должны создать теорию ВР. Нет ничего более практичного, чем хорошая теория, сказал в свое время Людвиг Больцман.

Большинство современных определений ВР “тавтологичны”, то есть, являются повторением того же самого, только другими словами и поэтому для конструктивного решения задачи создания систем ВР мало пригодны. Очень часто определения ВР сводятся к другим понятиям, что опять-таки не раскрывает сущность ВР (см. пример ниже).
1. ВР это моделирование пространства, окружающего человека, создающего иллюзию присутствия в реальном пространстве.

2. Наиболее продвинутое определение ВР разделяет его на два аспекта (восприятие и действие), что весьма положительно для понимания сущности ВР:
-    ВОСПРИЯТИЕ - создание компьютерных моделей восприятия, которые ощущаются и выглядят так, как будто бы существуют в реальности.
-    ДЕЙСТВИЕ - создание технологии интерфейса человек-компьютер (оборудование + программное обеспечение) для имитации естественных возможностей человека для манипулирования виртуальными объектами в среде ВР.

При создании компьютерных моделей восприятия для ВР в основном используются такие ощущения человека как информационные каналы: видео, звук, тактильность (кожные ощущения, давление, вибрация), кинестезия (чувствительность к живому движению частей тела) и чувствительность к линейному и вращательному движению тела. Иногда применяют воздействие запахами и температурой. Использование вкусового канала в ВР проблематично.

Для понимания, что же такое “качественная ВР”, приведенного определения явно недостаточно. Нужно более практично и конструктивно раскрыть сущность механизмов восприятия и действия человека в окружающей среде.

До сих пор считалось, что одной из самых важных причин медленного развития технологий ВР является дороговизна оборудования и конструкторских работ. Но это лишь одна из проблем. Главная проблема - необходима хорошая теория и модель операторской деятельности в среде ВР. Такая теория и такие модели являются очень сложной задачей и только начинают формироваться.

Сейчас в мире не так уж много действительно квалифицированных специалистов, способных создавать качественные и эффективные технологии ВР. Большинство специалистов сейчас работает на уровне интуиции. Ситуация очень похожа на исследования и разработки в области искусственного интеллекта (ИИ), которые также не радуют успехами. Все признаки и проблемы говорят о том, что ВР и ИИ имеют общие корни и сильно связаны между собой.

Максимальное продвижение в сторону практической реализации ВР достигли разработчики военных приложений: тренажеры, управление техническими комплексами, обозревающими окружающую обстановку и действующими в ней в составе экипажа. Одна из прикладных задач, напрямую связанная с ВР – формирование синтетического поля зрения. В эту задачу входит создание технических средств для синтеза образа окружающего пространства и отображения конкретной информации об интересующих объектах в этом пространстве, представление их взаимной связи и возможность взаимодействовать оператору с этими объектами.

Задача формирования синтетического поля зрения очень перспективная область, которая будет бурно развиваться. Например, работая в команде на сложной пересеченной местности, можно накладывать на реальное изображение местности свое местоположение и местоположения других людей. При необходимости можно накладывать изображения полезных схем, карт, маршрутов, справочной информации и т.п. Можно фиксировать появление различных объектов и следить за их поведением. При этом появляется возможность в случае неудачного местоположения изменять свой реальный ракурс наблюдения и виртуально изменять свою точку наблюдения и смотреть на ситуацию “с разных сторон”, в том числе с позиции других наблюдателей или вида сверху. Кроме того, можно учитывать возможности наблюдения в темноте при помощи систем ночного видения, а также различных средств локации сквозь непрозрачные препятствия. Используя возможность подключения множества дополнительных источников информации (сети видеокамер, различных датчиков, радаров и т.п.), можно значительно увеличить возможности восприятия и действия человека (имеющего в этом смысле ограниченные возможности) в реальной обстановке.

Задача создания синтетического поля зрения – это динамическая проекция тактических и стратегических данных в режиме реального времени на образ окружающего пространства с целью повышения скорости и эффективности восприятия и действия отдельного оператора или экипажа в реальной обстановке.

Основные задачи создания современных систем ВР ограничиваются созданием иллюзии восприятия привычного 3D мира для выбранных прикладных задач с известными ограничениями. Например, имитация полета, моделирование движения по дороге в сложном ландшафте, перемещение внутри системы сложного объекта часто реализуется ограниченным набором модальностей - только визуальный ряд, иногда объемный звук, вибрации и т.п.

Проблемы создания таких прикладных ВР можно разделить на два типа: технические и теоретические. В принципе, все основные технические проблемы создания современных прикладных ВР сейчас можно решать в рамках текущего уровня техники.

В основном проблемы технической реализации ВР возникают на теоретическом уровне. До сих пор нет практичной теории ВР, которая подсказала бы, как эффективно создавать качественные системы ВР.

Действительно с теорией восприятия и действия сейчас все еще сложно, даже спустя десятки лет после их появления. Исследования современной теории восприятия и действия понемногу продвигаются, но до реальных практических решений пока еще очень далеко, так как эта теория своими корнями уходит в области проблем искусственного интеллекта, теории эволюции живых организмов, психологии сознания и т.д.

Сейчас с массовым развитием роботостроения ситуация немного оживилась. Однако все современные технологии роботостроения также базируются в большей степени на эмпирике, интуиции и методе проб и ошибок. Тот “интеллект”, который сейчас работает в роботах, радикально отличается от интеллекта и механизмов действия живого человека или даже примитивного организма. Так что, в ближайшие годы по прежнему, большинство направлений развития теорий ВР, ИИ и исследования живых организмов будут основываться на банальных “суррогатах” из эмпирических и интуитивных решений. Даже, например, для проблемы распознавания слитной речи, о которой исследователи уже неоднократно рапортовали (это из области ИИ) пока не просматривается качественных решений, хоть как-то приближающихся к уровню человека.

Большинство из того, что сейчас сделано в ВР – те же “суррогаты” и примитивные решения, а воплощения новых идей – пока дорого и далеко.  
Пока возникают серьезные трудности с качеством ВР, и не все надежды будут оправдываться, поэтому современные системы ВР (в том числе и в ближайшем будущем) будут видимо создаваться на основе “гибридного” подхода.

Например, если взять аналогию с ИИ, то мы знаем, что сейчас пока нельзя решить проблему полностью автоматического анализа смысла текстовых документов в хранилищах данных в виде создания чистого ИИ. Но есть возможность создавать инструменты в виде систем гибридного интеллекта (СГИ), с которыми можно реально работать. Концепция СГИ основана на основе перераспределения функций между человеком и “интеллектуальными” алгоритмами, оставляя человеку самое сложное и творческое, что алгоритмам пока не под силу.
То же самое можно охарактеризовать и для ВР. Будут создаваться и уже проектируются “гибриды” ВР, которые берут на себя примитивную “алгоритмическую” сложность, а человеку приходится самому додумывать и “довоображать” ограниченный поток стимулов от ВР-тренажера до некоторого фантастичного мира, создаваемого его воображением.

Рассмотрим основные направления в трактовках ВР. Самое типичное концептуальное направление ВР относится к имитации 3D. Другим направлением является, собственно, интерпретация взаимодействия человека с Интернетом, а основной вопрос “бытия” сводится к толкованию отличия пребывания человека в “онлайне” от “оффлайна”. Еще одной трактовкой некоторых исследователей является попытка привязаться к понятию измененного состояния сознания человека.

Полезен терминологический анализ. Термин "виртуальность" имеет разные смыслы. Буддист Патанжали употреблял во 2 в. до н.э. слова с корнем "vrt" для обозначения мгновенной беспрепятственной актуализации психического акта у йога. В старославянском глагол "веръти" означает "кипеть, бурлить". Латинское "virtus" - это "доблесть, необычное качество", и употреблялось это слово в контексте обозначения боевой доблести, экстаза битвы. Таким образом, можно установить акцент на измененное состояние в психике человека ввиду столкновения его с чем-то необычным, экстраординарным. Получается, что приобщиться к виртуальности, значит выйти за пределы обыденности, изменить свое сознание, мгновенно актуализировать, выплеснуть наружу свои латентные возможности. То есть, взглянуть на мир иначе.

Термин "реальность" в латинском "realis" - это "вещественный, действительный", то есть это фактически то, что существует в действительности, актуально, сейчас. Реальность может быть вещественной - в виде предмета, или невещественной, когнитивной, например, в виде плана местности, схемы устройства, или идеи в голове инженера, которую он может воплотить в реальный объект. Такие когнитивные схемы существуют реально, хотя часто их считают нематериальными.

Этот ряд философских рассуждений можно продолжить до понятий данных, информации, знаний, алгоритма и компьютерной программы. При помощи алгоритмов можно моделировать различные модели объектных систем, в том числе окружающей среды для субъекта. Поэтому часто виртуальную реальность определяют как модель реальности, порождаемой программным обеспечением компьютера. Но это тоже не дает никакой ясности в вопросе, что же такое ВР. В чем же “скрыта” ВР? В алгоритмах, в данных для компьютерных программ, в экране монитора или в средствах управления?

Выше, при определении термина ВР мы выделили два аспекта - восприятие и действие. Сделаем следующий шаг, Виртуальная реальность - это система взаимосвязанных образов (визуальных, звуковых и т.д.), с которым сталкивается человек и по правилам взаимодействия которых он живет. Из этого можно сделать умозаключение - ВР обладает онтологическим (бытийным) статусом такого же порядка, как и субстанциональная реальность, основанная на материи. И виртуальная, и субстанциональная реальность являются лишь отражением прареальности, или мира идей, как когда-то говорил Платон.

Если обратиться к “Основам фантоматики” Станислава Лемма, где он поставил вопрос: как создать действительность, которая для разумных существ, живущих в ней, ничем не отличалась бы от их нормальной действительности, но подчинялась бы другим законам, отличающимися от законов нашего привычного мира?

Этот вопрос можно упростить, и для начала поставить более простую задачу. Можно ли создать искусственную действительность, во всех отношениях подобную подлинной и совершенно от нее не отличимую? Первая проблема – создание миров, вторая – создание иллюзий, но иллюзий совершенных и абсолютных.

При такой постановке вопроса нам также не избежать анализа отношений “субъекта” с “объектом”. Еще в 1967 году Станислав Лемм написал эссе о судьбах цивилизаций и глубоком футурологическом прогнозе развития цивилизаций “Сумма технологии”. В этой работе он ввел понятие фантоматической машины в виде некоторого фантоматического генератора, к которому может подключаться человек для получения полного комплекса ощущения присутствия в заданных потоках событий, ощущения реальности переживаемых впечатлений и контроля возникающих ситуаций. В какой-то степени прогноз Лемма о появлении фантоматических машин в массовом порядке уже начинает частично сбываться в виде современных персональных компьютеров с 3D-движками, которые уже сейчас могут создавать иллюзию окна в трехмерный мир. Возникает интересная коллизия. С одной стороны, фантомат является одним из объектов нашего привычного мира, с другой стороны, при “включении” фантомата виртуальная реальность выходит на первый план сознания человека, вытесняя субстанциональную реальность на второй план и даже совсем блокируя ее.

Простые терминологические поиски в попытках понимания сути ВР и поверхностные философские изыскания не дают оснований реально создавать практические приложения ВР. Наиболее интересные конкретные результаты дает междисциплинарный подход к ВР, основанный на следующих теориях, моделях и экспериментальных результатах:

-    Экологический подход Дж.Гибсона к восприятию и действию, теория объемлющего оптического строя, локомоции.
-    Экспериментальная теория исполнительного действия, концепции живого движения, моторного программирования, структура моторного двигательного акта.
-    Эргономика и инженерная психология, психофизические основы человеческого фактора, технологии пользовательских интерфейсов, юзабилити.
-    Природа отношения “Субъект - объект”, структура информационных каналов различных модальностей.
-    Концепции и природа пространства и времени, их структура, связи и взаимодействия.
-    Концепция события как фундаментальная категория, структура протекания события.
-    Синергетическая концепция темпомиров, концепция умвельта - уникального мира живых существ по теории Я.Д.Иикскюля и Д.Т.Фрейзера.

Используя предлагаемый междисциплинарный подход для обоснования теории ВР, можно давать вполне конкретные рекомендации разработчикам прикладных систем ВР, что делалось уже неоднократно в различных проектах.

Такой подход позволяет спрогнозировать, какие типы прикладных систем ВР могут появиться в ближайшем будущем, на что нужно обращать внимание разработчиков, как оптимизировать пользовательский интерфейс в системах ВР, какие можно строить “гибриды” ВР, с целью оптимизации “цена - качество”.

На основе анализа выбранных теорий, моделей и экспериментальных результатов в области ВР была построена таксономия типов ВР в смысловом поле двух полюсов:
[<Возможности и ограничения человеческого фактора> <Технические средства ВР>].
За основу “силового поля” выбран принцип ограничения.

Для полюса <Возможности и ограничения человеческого фактора> были выбраны факторы “искусственное” и “естественное”. Искусственное трактуется как использование специальных “персональных” инструментов в виде носимых приспособлений (очки, перчатки, костюмы и т.п.). Естественное, соответственно, - погружение тела человека в среду ВР как есть, без ограничений, без всяких надеваемых приспособлений.

Для полюса <Технические средства ВР> выбраны факторы “фрагмент окружающей среды” в виде части полной сферы объемлющего оптического строя и “вся окружающая среда” в виде полной сферы объемлющего оптического строя.

Все прикладные системы ВР по такой классификации можно разбить на четыре класса в порядке возрастания сложности: A, B, C, D.

В настоящее время все системы классов A, B, C уже в той или иной степени реализованы. Системы класса D являются самыми сложными.

Мы понимаем, что качество содержания и правильное оформление контента системы ВР при определенных условиях может сглаживать и даже заменять недостатки модели и аппаратной части тренажера ВР. Одним из очевидных, и давно используемых приемов удержания внимания пользователя в искусственной модельной среде, в нашем случае ВР-тренажер, – это создание качественной игры. При этом, чем больше проблем с объективностью ВР (качеством иллюзии), тем должно быть выше качество игры, особенно ее игровой коэффициент.
Итак, необходимо иметь практичную концепцию, позволяющую понять, как и откуда возникает игровой момент. Нужно знать, что такое в сущности игра.

Другой путь, формирование объектов для систем ВР – путешествия. Здесь на передний план выходят технические качества ВР. Можно моделировать города, природные и культурные памятники, подводный, подземный, космический мир, микромир, мир клетки и организмов, геологические ситуации, исторические события и т.п. Все это будет интересно при хорошем качестве погружения в ВР.

Еще одно направление контентного развития ВР – среда для создания художественного произведения. Здесь просматривается определенная аналогия с книгами, живописью, фотографией как жанром, и естественно, с кино.

В начале кинематограф развлекал своих зрителей иллюзиями живого движения, показывал в прямом ракурсе зрителя “наезды” паровозов и т.п. Потом, в результате мучительных творческих поисков возник феномен художественного кино.

Итак, цепочка “художественное литературное произведение” – “художественный фильм” будет продолжена до нового жанра “художественная ВР”. Что это будет, покажет время. Но жанр художественной ВР не за горами.