Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский Государственный Технический Университет имени

Н.Э. Баумана»

(МГТУ им Н.Э. Баумана)

Факультет «Информатика и системы управления»

Кафедра «Компьютерные системы и сети»

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой ИУ-6,

д.т.н., проф.____________Сюзев В.В.

«___»______________2012г.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОБЛЕМНОЙ ОБЛАСТИ

73. ТРЕНАЖЕРЫ С ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТЬЮ

«Научная организация инженерного труда»

(домашнее задание)

Руководитель,

к.т.н., доц. В.С. Маслов

Исполнитель,

студ. гр. ИУ6-33 Е.К. Литвинцева

Москва 2012

РЕФЕРАТ

Аналитический обзор 26 с., 1 рис., 1 табл., 8 ист.

ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ, ТРЕНАЖЕР С ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТЬЮ, СИМУЛЯТОР, ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ, ОПЕРАТОР, КОМПЬЮТЕР, ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЗНАНИЙ…

Цель данной работы заключается в том, чтобы рассказать об устройстве и принципах функционирования тренажеров с виртуальной реальностью. Решение данной задачи предполагает изучение основных свойств виртуальной реальности, принципов построения тренажеров виртуальной реальности и областей применения тренажеров. В данной работе рассмотрены такие области применения, как военные тренажеры, профессиональные тренажеры, автотренажеры и медицинские тренажеры.

Поставленная задача была успешно выполнена, так как в тексте представлена общая информация о виртуальной реальности, тренажерах с виртуальной реальности, их принципе построения, осуществляемых функциях и областях применения. Кроме того текст работы содержит более полную информацию по каждой из перечисленных областей применения тренажеров с виртуальной реальностью. Полученная информация может быть использована для ознакомления с тренажерами с виртуальной реальностью.

СОДЕРЖАНИЕ

Список обозначений 4

Введение 5

1 Теория виртуальной реальности 6

1.1 Виртуальная реальность и ее свойства 6

1.2 Критерии реальности 6

1.4 История и области применения 8

2 Тренажеры с виртуальной реальностью в теории 10

2.1 Структура и особенности использования 10

2.2 Статические и динамические модели идеального тренажера 12

3 Области применения 14

3.1 Автотренажеры 14

3.1.1 Тренажеры легковых и грузовых автомобилей 14

3.1.2 Тренажеры строительной и сельскохозяйственной техники 14

3.1.3 Тренажеры экстренных служб 15

3.2 Военные тренажеры 16

3.2.1 Корабельный навигационный тренажер «Лагуна» 16

3.2.2 Обучающий тренажерный комплекс «Заря» 17

3.2.3 Гидроакустический тренажерный комплекс «Платина-ЭТ» 18

3.2.4 Функциональный моделирующий стенд скафандра «Орлан-МК» 18

3.3 Профессиональные тренажеры 19

3.3.1 Аналитический тренажер ЯЭУ с ВВЭР-1000 «КОС-АЗ» 19

3.3.2 Тренажер самолета A-320 20

3.3.3 Тренажер автоматизированного рабочего места бурильщика 21

3.4 Медицинские тренажеры 21

3.4.1 Виртуальный тренажер SimSurgery 21

3.4.2 Офтальмохирургический виртуальный симулятор АЙЗИ 23

3.4.3 Виртуальный симулятор ТУРП 23

Заключение 25

Список использованных источников 26

Список обозначений

BOOM - Binocular Omni-Orientation Monitor

CAVE - Cave Automatic Virtual Environment

HMD - head-mounted display

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор

ВР - виртуальная реальность

ГАК - гидроакустический комплекс

ИО - интерфейс оператора

КУ - концептуальный уровень представления знаний и данных

ЛУ - логический уровень представления знаний и данных

МАГАТЭ - международное агенство по атомной энергии

МК - моделирующий компьютер

МКС - международная космическая станция

НС - нештатные ситуации в сценарии

РЛС - радиолокационная станция

РС - рабочие ситуации в сценарии

САРП - средства автоматической радиолокационной прокладки

СОИ - система отображения информации

СПО - специальное программное обеспечение

СС - ситуации в сценарии

ТС - тупиковые ситуации в сценарии

ТТ - тренажерные технологии

ФМС - функциональная моделирующая система

ФУ - физический уровень представления знаний и данных

ЯЭУ - ядерная энергетическая установка

Введение

Виртуальная реальность - модельная трехмерная окружающая среда, создаваемая компьютерными средствами и реалистично реагирующая на взаимодействие с пользователями[1]. Технической основой ВР служат технологии компьютерного моделирования и компьютерной имитации, которые в сочетании с ускоренной трехмерной визуализацией позволяют реалистично отображать на экране движение. В минимум аппаратных средств, требующихся для взаимодействия с ВР-моделью, входят монитор и указывающие устройства типа мыши или джойстика. В более изощренных системах применяются виртуальные шлемы с дисплеями, в частности шлемы со стереоскопическими очками, и устройства 3D-ввода, например, мышь с пространственно управляемым курсором или «цифровые перчатки», которые обеспечивают тактильную обратную связь с пользователем.

Совершенствование систем виртуальной реальности приводит ко все большей изоляции пользователя от обычной реальности, т.к. все больше  каналов взаимодействия пользователя с окружающей средой замыкаются не на обычную, а на виртуальную среду – виртуальную реальность, которая, при этом, становится все более и более функционально-замкнутой и самодостаточной.

При обычной работе на компьютере монитор занимает не более 20% поля зрения пользователя. Системы ВР перекрывают все поле зрения.

Звуковое сопровождение, в том числе со стерео и квадро-звуком, сегодня уже стали стандартом. В системах ВР человек не слышит ничего, кроме звуков этой виртуальной реальности.

В некоторых моделях систем виртуальной реальности пользователи имеют возможность восприятия изменяющейся перспективы и видят объекты с разных точек наблюдения, как если бы они сами находились и перемещались внутри модели.

Если пользователь располагает более развитыми (погруженными) устройствами ввода, например, такими, как цифровые перчатки и виртуальные шлемы, то модель может даже надлежащим образом реагировать на такие действия пользователя, как поворот головы или движение глаз.

Системы виртуальной реальности уже в настоящее время широко применяется во многих сферах жизни. Наиболее интересной сферой применения является создание тренажеров с виртуальной реальностью.

Основанием для выполнения данного задания является учебный план кафедры ИУ6.

Целью и задачей данного обзора является рассказ о тренажерах с виртуальной реальностью, определение выполняемых ими задач и изучение некоторых видов тренажеров, наиболее часто используемых в настоящее время.

1 Теория виртуальной реальности

1.1 Виртуальная реальность и ее свойства

Система ВР – это система, обеспечивающая:

1. Генерацию полиперцептивной модели реальности в соответствии с математической моделью этой реальности, реализованной в программной системе.

2. Погружение пользователя в модель реальности путем подачи на все или основные его перцептивные каналы – органы восприятия, программно-управляемых по величине и содержанию воздействий: зрительного, слухового, тактильного, термического, вкусового и обонятельного и других.

3. Управление системой путем использования виртуального "образа Я" пользователя и виртуальных органов управления системой (интерфейса), на которые он воздействует, представляющие собой зависящую от пользователя часть модели реальности.

4. Реалистичную реакцию моделируемой реальности на виртуальное воздействие и управление со стороны пользователя.

5. Разрыв отождествления пользователя со своим "Образом Я" из обычной реальности (деперсонализация), и отождествление себя с "виртуальным образом Я", генерируемым системой виртуальной реальности (модификация сознания и самосознания пользователя).

6. Эффект присутствия пользователя в моделируемой реальности в своем "виртуальном образе Я", т.е. эффект личного участия пользователя в наблюдаемых виртуальных событиях.

7. Положительные результаты применения критериев реальности, т.е. функциональную замкнутость и самодостаточность виртуальной реальности.

1.2 Критерии реальности

Здесь возникает сложный мировоззренческий вопрос о том, возможно ли хотя бы в принципе находясь в виртуальной реальности не выходя за ее пределы установить, что ты находишься именно в виртуальной, а не истинной реальности, или это возможно сделать только задним числом, после выхода из виртуальной реальности и перехода в истинную реальность?

Итак, каковы же критерии реальности?[1]

Прежде всего это самосогласованность реальности, т.е. получение одной и той же информации качественно различными способами и по различным каналом связи (принцип наблюдаемости):

– согласованность реальности самой с собой во времени;

– согласованность и взаимное подтверждение информации от различных органов восприятия, которые обычно реагируют на различные формы материи и часто являются парными (зрение, слух, обоняние) и расположенными в различных точках пространства.

Например, человек не только что-то видит, но и слышит, и осязает, и может попробовать на вкус и ощутить запах и все эти восприятия от различных органов чувств соответствуют друг другу и означают, что перед ним некий определенный объект, а не галлюцинация или визуализация. Согласованная и взаимно подтверждающая информация с различных органов чувств, в соответствии с принципом наблюдаемости, также может рассматриваться как повышающая достоверность и адекватность восприятия.

В современных компьютерных играх мы не только видим довольно качественную визуализацию, но и соответствующее реалистичное звуковое сопровождение. А в системах виртуальной реальности – визуализация стереоскопическая , а также появляется тактильный канал с обратной связью, который позволяет ощутить даже твердость, вес и температуру моделируемого в виртуальной реальности объекта. Все это вместе уже создает на столько высокую степень реалистичности, что может возникнуть эффект присутствия в виртуальной реальности, деперсонализация и отождествление с измененным образом Я, моделируемым в виртуальной реальности (переход в измененную форму сознания).

Представим, что эти сформулированные критерии реальности не выполняются, т.е. нарушается ее самосогласованность. Как и в чем это может проявляться?

По-видимому, как своего рода "сбои" и различные "нарушения физических законов" и несогласованности в виртуальной реальности:

– "зацикливание" событий, как на заезженной пластинке, т.е. их многократное повторное осуществление без каких-либо изменений (пример: повторный проход черной кошки, с характерной остановкой и поворотом головы, в дверном проеме в "Матрице");

– прохождение сквозь стены;

– полеты и очень длинные прыжки, а также телепортация в своем "реальном" теле;

– действия в другом темпе времени, т.е. эффект замедления внешнего времени, соответствующий аналогичному ускорению внутреннего времени;

– действия в другом масштабе пространства, "увеличение" и "уменьшение" размеров, наблюдение мега и микроструктуры материи;

– видение сквозь стены, видение на больших расстояниях (в т.ч. с увеличением "как в телескоп"), видение прошлого и будущего;

– одновременное нахождение в нескольких местах.

Вспомним известные в физике принципы относительности Галилея и Эйнштейна:

1. Никакими экспериментами внутри замкнутой системы невозможно отличить состояние покоя от состояния равномерного и прямолинейного движения (Галилей). Следовательно, покоящаяся система отсчета физически эквивалентна системе отсчета, движущейся равномерно и прямолинейно под действием сил инерции.

2. Никакими экспериментами внутри ограниченной по размерам замкнутой системы невозможно установить, движется она под действием сил гравитации или по инерции (Эйнштейн). Следовательно, система отсчета, движущаяся в поле сил тяготения физически эквивалентна системе отсчета, движущейся под действием сил инерции.

Легко заметить, что формулировка 7-го пункта в определении системы виртуальной реальности весьма сходна с формулировками принципов относительности Галилея и Эйнштейна: никакими действиями внутри виртуальной реальности, осуществляемыми над ее объектами, в т.ч. объектами виртуального интерфейса, с помощью своего виртуального тела, невозможно установить, "истинная" эта реальность или виртуальная.

Следовательно, виртуальная система отсчета, локализованная в полнофункциональной виртуальной реальности полностью физически эквивалентна физической системе отсчета, локализованной в "истинной реальности". 

1.4 История и области применения

 Если вспомнить о существовании мира фантазий, сказок, мифов и преданий, то можно считать, что идея виртуальной реальности зародилась очень давно. Фантазии так и оставались фантазиями и вымыслом, пока не появились компьютеры. 
       Термин ВР был первоначально сформулирован Джероном Лениером, организатором соответствующих исследований в 1989 году[2].
       Другие ранние исследования ВР, упоминались следующими авторами: Станиславом Лемом в 1963 году “Фантоматика” в книге "Сумма технологий"; Майроном Круегером в1970-х годах - “Искусственная реальность”, Уильямом Гибсоном в 1984-м - “Киберпространство”. А в начале 1990-ых годов появились термины “Виртуальные миры” и “Виртуальная среда”. 
       Шлем с дисплеем HMD был первым устройством, обеспечивающим оператору опыт активного погружения. Принцип действия шлема ВР основан на возникновении эффекта присутствия, когда человеку вместо визуального восприятия окружающего физического мира предъявляется управляемая при помощи обратной связи проекция трехмерного изображения на плоском экране. 
       Еванс и Сазерленд продемонстрировали свой шлем с таким дисплеем еще в 1965 году. Устройство “EyePhone” стало в 1989 самым первым доступным коммерческим шлемом ВР.   
       В оптической системе типичного шлема ВР размещено два миниатюрных экрана в виде двух визуальных каналов для каждого глаза для представления стереоскопической картины виртуального мира. Датчик, отслеживающий движение, непрерывно измеряет положение и ориентацию головы пользователя. Это позволяет согласовывать производимые компьютером изображения и выстраивать из них сцены объемного мира, соответствующие текущей ориентации взгляда зрителя и его позиции на эту сцену. В результате оператор может осматриваться вокруг, поворачивая голову вместе со шлемом, перемещаться через среду виртуальной реальности. 
       Для того, чтобы преодолеть неудобства непривычного и неудобного шлема ВР, были предложены альтернативные концепции для восприятия и погружения в среду виртуальной реальности.  
       BOOM это устройство со стереоскопическим дисплеем в виде коробки. Экраны и оптическая система размещены в коробке, которая связана с системой шарнирных подвесок на рычаге с датчиками, регистрирующими угловые и линейные перемещения по трем степеням свободы, и вращения по трем степеням свободы. Оператор смотрит в коробку через два отверстия и видит изображение виртуального мира. Он может установить коробку в любую позиции в пределах, допускающих конструкцией устройства. Отработка ориентации объектов виртуального мира, изображаемого на экранах BOOM, осуществляется компьютером, который отслеживает при помощи датчиков все положения коробки.  
       Система CAVE была развита в университете Штата Иллинойс в Чикаго и обеспечивает иллюзию погружения человека в виртуальный мир при помощи наблюдения проекций стереоизображений на полу и на стенах комнаты кубической формы. Несколько людей, одевают легкие стерео-очки могут свободно ходить внутри такой комнаты. Система непрерывно отслеживает положение ведущего зрителя и на основании этого формирует стереоизображения на экранах кубической комнаты.