Анализ систем захвата движения в среде виртуальной реальности

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Пензенский государственный университет

Анализ систем захвата движения в среде виртуальной реальности

А.С. Лутохин,

А.К. Алимурадов

Пенза, Россия

Аннотация

Проведен обзор и анализ известных систем захвата движения пользователя в условиях проводной и беспроводной связи со средой виртуальной реальности. Данное направление является одним из приоритетов в области «сквозных» цифровых технологий Российской Федерации. На основании результатов исследования сделан вывод о перспективах практического внедрения в устройствах управления движением в режиме реального времени инерциальных систем захвата.

Ключевые слова: виртуальная реальность, захват движения, проводная и беспроводная связь, инерционные системы

Виртуальная реальность (virtual reality, VR) согласно [1] описывает компьютерную модель внешнего мира, созданную набором специальных технических средств, передаваемую пользователю посредством органов зрения, слуха, обоняния, осязания, и обеспечивает восприятие нахождения в искусственно синтезированном пространстве. Виртуальная реальность позволяет повысить эффективность человеческой деятельности в различных сферах жизнедеятельности, с учетом физических и профессиональных показателей. Применение систем VR отличается высокой эффективностью воздействия на органы восприятия, обеспечивая глубокое усвоение знаний, быстрое овладение профессиональными навыками и приобретение опыта [2].

В системах виртуальной реальности ключевую роль играет передача аудиовизуальной информации, однако полного погружения и интерактивности невозможно добиться без отслеживания положения тела в реальном мире и переноса его 3D-модели в среду виртуальной реальности. Для этого применяются системы захвата движений.

Захват движения (Motion capture) - это метод анимации виртуальных персонажей и трехмерных объектов с помощью данных об ориентации и положении в пространстве, которые предоставляются специальными измерительными средствами (системами) [3].

Системы захвата движения являются специализированным инструментов для отображения виртуальных аватаров и взаимодействия пользователя в трехмерном пространстве [4]. Система захвата движения - это специализированное информационно-измерительное устройство, которое регистрирует полезную информацию об ориентации и положении пользователя в пространстве [3]. Системы захвата движения фиксируются на тело человека. Они различаются: активные или пассивные.

На данный момент существует несколько основных вариантов исполнения систем захвата движения. Системы захвата движения бывают проводные и беспроводные.

Критический анализ литературы по теме исследования показывает, что в настоящее время активно применяются беспроводные системы захвата. Согласно [3] данные системы имеют определенные преимущества, связанные с простотой использования, отсутствием принадлежности к рабочему пространству, что не требует дополнительного оснащения комнаты. Однако, наравне с плюсами, существует ряд недостатков, возникающих при практической реализации беспроводных технологий, таких как синхронизация устройств, потеря информации, вызванная помехами от движения пользователя, низкая пропускная способность информационного канала.

Системы захвата движения используются во многих сферах человеческой деятельности. Согласно [4] использование технологии захвата движений можно разделить на основные области применения:

- виртуальная реальность;

- кинопроизводство;

- робототехника;

- медицина;

- разработка видеоигр;

- спорт;

- научные исследования;

- военная отрасль.

Успешное применение системы захвата движения нашло в области видеоигр и анимации персонажей для кинематографа, поскольку появилась возможность создать реалистичную модель человека или перенести актера в цифровое пространство для создания спецэффектов в фильме. Это является основной областью применения систем захвата движения. Однако захват движения также используется для проведения научных исследований, в медицине, промышленности и спорте. В медицине это обусловлено возможностью создать реалистичные модели движения человека с высокой точностью, применяя для лечения болезней опорно-двигательного аппарата и реабилитации спортсменов после травм. В спортивной науке данные системы нашли применение для получения информации о движении спортсмена и последующего создания цифровой модели для анализа, выявления ошибок и улучшения навыка по выполнению того или иного рода движения. Анализ моделей объектов, полученных с помощью систем захвата движения, используется в научных исследованиях для работы с частицами и процессами, наблюдение за которыми невозможно или затруднено в естественной среде [5].

Критический анализ литературных источников [3-9] показывает, что все системы захвата движений классифицируются следующим образом:

- маркерная - пользователь надевает экзоскелет с сенсорами и датчиками, которые регистрируют информацию об ориентации пользователя в пространстве. Регистрируемые данные передаются посредством цифровых камер и преобразуются в трехмерную модель посредством специальных графических программ;

- безмаркерная - система основана на технологии распознавания образов. Представляет собой систему с большей степенью свободы, но при этом имеет большую неточность оцифровки.

В настоящее время существуют несколько основных технологий для захвата движения: механические, инерциальные, магнитные, оптические, акустические [7]. Все существующие технологии имеет определенные достоинства и недостатки. На практике широкое распространение получили проводные системы захвата, в которых применяется дополнительное специализированное оборудование, требующее оборудованного помещения.

Оптические системы захвата движения. Данные системы используют распознавание специальных маркеров с датчиков, которые крепятся на экзоскелете человека.

В оптических системах используются камеры с инфракрасными датчиками и набором сенсоров (активных или пассивных). В случае оптических систем отражаемый свет фиксируется камерами, а специальное программное математическое обеспечение обеспечивает цифровую обработку регистрируемых данных с последующим формированием на экране образа пользователя.

Достоинство оптических систем состоит в обеспечении шести степеней свободы: ориентация и перемещение.

К недостаткам оптических систем можно отнести дорогостоящее оборудование и программное обеспечение и использование специального оборудованного помещения. Существует проблема идентификации маркеров при попадании в слепые зоны камер, что приводит к ограниченности рабочей зоны. Оптические системы используются в основном в кинематографе и для анимации компьютерных персонажей видеоигр, но не подходят для целей, в которых нужны высокая мобильность перемещения и неограниченная рабочая зона [8]. захват движение виртуальный реальность

Магнитные системы захвата движения. Это системы, в основе которых лежит использование генерируемого электромагнитного поля и его регистрация посредством специальных датчиков. Датчики проводят измерения по трем координатным осям в направлении магнитного поля, создаваемого генератором магнитного поля. Датчики крепятся на теле пользователя и подключаются к передатчику, который отправляет данные на компьютер для обработки. Изменение вектора направлений магнитного поля используется для измерения трехмерного положения и ориентации частей тела пользователя. Получаемые результирующие данные используются для анимации скелета человека. Помехи в такой системе создают предметы из ферромагнетиков и другие источники магнитного поля, что сказывается на точности измерений. Сила магнитного поля уменьшается пропорционально удалению датчиков от генератора магнитного поля.

Достоинством магнитных систем захвата движения являются поддержка шести степеней свободы (ориентация и перемещение) и высокая точность в случае откалиброванной рабочей зоны [9].

Недостатками магнитных систем захвата движения являются специальное оборудование для генерации магнитного поля; необходимо отсутствие объектов, которые вызывают возмущения в магнитном поле; используется дорогостоящее оборудование; для полного захвата движения требуется несколько передающих блоков с подключенными к ним измерительными устройствами.

Механические системы захвата движения. Механические системы захвата движения реализуются при помощи экзоскелета. Информацию о механическом воздействии считывают измерительные устройства.

Достоинством данных систем являются низкая стоимость и достаточная точность измерительных устройств; возможность использования обратной связи, обеспечивающаяся с использованием вибромоторов.

Из недостатков механических систем захвата движения можно выделить следующие: механические ограничения в видах движений, которые могут быть захвачены. Экзоскелет в определенной степени стесняет движения, поэтому такую систему захвата достаточно затруднительно использовать в ограниченных пространствах [9].

Акустические системы захвата движения. В акустических системах захвата движения применяется совокупность различных аудиоприемников, расположенных на значительном удалении от пользователя. Закрепленные на теле экзоскелета сенсоры регистрируют и передают закодированный цифровой сигнал, а каждый из приемников фиксирует время передачи полезной информации. Вычисленные расстояния заносятся в базу данных и объединения. Недостатком таких систем является сложность цифровой обработки регистрируемых сигналов, что требует дополнительного программно-аппаратного обеспечения.

Основным преимуществом таких систем является то, что порядок возникающих ошибок соответствует оптическим системам. Однако у данного метода определения ориентации существуют и негативные стороны: используемые между элементами системы проводные каналы связи ограничивают возможности использования системы в определенных окружающих средах, где требуется большая свобода движений. Имеются ограничения в количестве одновременно используемых измерительных устройств, которые не могут быть добавлены для увеличения сложности скелета захватываемого движения. Также имеются ограничения, связанные размером области рабочей зоны. Она ограничена скоростью звука в воздухе и количеством приемников. На точность системы также могут влиять внешние источники звука.

Примером акустической системы захвата движения может выступать система, разработанная в Массачусетском институте технологий [10]. В этой системе используется комбинация данных с ультразвуковых и инерциальных измерительных устройств. Система может быть использована в закрытых помещениях и на открытых пространствах, в качестве интерфейса взаимодействия с приложениями дополненной реальности.

Инерциальные системы. В настоящий момент инерциальные системы захвата движений пользуются большим спросом на рынке и получают все большое распространение. Такие системы основаны на использовании инерциальных микроэлектромеханических (МЭМС) модулей в качестве носимых измерительных устройств [7]. Технология МЭМС позволила создавать устройства, обладающие миниатюрными размерами, высокой точностью и эффективностью.

С помощью технологии МЭМС производятся различные типы датчиков для VR: датчики ускорения (акселерометры), датчики угловой скорости, датчики магнитного поля (магнитометры), миниатюрные микрофоны. Совместные результаты обработки данных с различных датчиков дают представление об ориентации в пространстве. Высокая точность измерений, обладающая малой погрешностью, делает использование датчиков в системах захвата движений рациональным. Данные системы позволяют отслеживать шесть степеней свободы движения тела человека в режиме реального времени [4].

Достоинством инерционных систем являются высокая точностью, возможность беспроводной реализации и отсутствие привязки к рабочей зоне. Очевидно, что инерционные системы захвата движения являются перспективными для практического применения пользователем в режиме реального времени в среде виртуальной реальности.

В последующих работах авторов будет представлена разработка экспериментального макета инерциальной измерительной системы захвата движения на основе микро-электромеханической технологии, позволяющей эффективно регистрировать ориентацию пользователя в пространстве.

Список литературы

1. Liu X., Zhang J., Hou G., Wang Z. Virtual Reality and Its Application in Military / Conference Series Earth and Environmental Science. 2018. 3. Р. 32-41.

2. Граневский К.В., Кубенин Н.А. Технологии виртуальной и дополненной реальности и возможность их применения в военном образовании // Тенденции развития науки и образования: тр. конф. Самара, 2017. С. 16-22.

3. Ивахненко Л.И. Психоэмоциональный статус и качество жизни у военнослужащих с сердечно-сосудистой патологией: автореф. дис. ... канд. мед. наук. М., 2012. 22 с.

4. Литвинцев С.В., Снедков Е.В., Резник А.М. Боевая психическая травма. М.: Медицина, 2005- 432 с.

5. Рыбников В.Ю. Психологическое прогнозирование надежности деятельности специалистов экстремального профиля: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. СПб., 2000. 50 с.

6. Сысоев В.Н. Индивидуальное здоровье военнослужащих и задачи военной медицины // Вестник Российской военно-медицинской академии. 2009. Т. 27, №3. С. 137-141.

7. Овчинников Б.В., Костюк Г.П., Дьяконов И.Ф. Технологии сохранения и укрепления психического здоровья: метод. пособие. СПб.: С.Лит, 2010. 303 с.

8. Григорьев А.И. Информационные и коммуникационные технологии в деятельности военно-медицинской службы ВС РФ // Военная мысль. 2011. №4. С. 36-53.

9. Сиващенко П.П., Иванов В.В., Григорьев С.Г., Барановский А.М. Новые подходы к комплексной оценке состояния здоровья военнослужащих // Военно-медицинский журнал. 2013. Т. 334, №5. С. 13-18.

10. Болехан В.Н., Иванов В.В., Ивченко Е.В. [и др.]. Медицинское обеспечение ветеранов вооруженных сил за рубежом (на примере США и Великобритании) // Военно-медицинский журнал. 2013.Т. 334, №3. С. 61-67.

Размещено на allbest.ru