Виртуальный комплекс братьев Латыповых

Все, да не все!

За два минувших года компьютерный мир совершил значительный скачок вперед, в частности, - в области виртуального моделирования. Приняты стандарты языка VRML 2.0., который позволяет конструировать виртуальные пространства для сетей. Многие фирмы за разумную цену предлагают пользователю трехмерную графику и ускорители для ее воспроизведения. Наконец, виртуальные шлемы (VFX-1, I-Glasses) превращаются в товар широкого потребления, а их стоимость, в зависимости от разрешения очков-мониторов, колеблется от 400 до 800 долларов.

Технология погружения в виртуальную реальность в основном уже отработана. Пользователь надевает на себя виртуальный шлем, мониторы которого отображают трехмерное пространство, сконструированное программистом и оформленное художником. Оно перестраивается в зависимости от направления взгляда пользователя, управляется датчиками положения головы и/или манипулятором. Самый мощный из манипуляторов - специальная перчатка - позволяет взаимодействовать с избранными объектами из наблюдаемого компьютерного мира.

Но создаваемый в виртуальном пространстве эффект присутствия не полон, ограничен двумя-тремя атрибутами. А главное, в смоделированном мире невозможно естественным образом двигаться. Так что предпосылки для еще одного, возможно, главного шага из мира реального в мир виртуальный все еще оставались.

Белка в колесе

Братья Нурахмед и Нурулла Латыповы придумали и изготовили устройство для свободного перемещения пользователя по виртуальному миру на собственных ногах, в любом направлении, на любые расстояния. Это устройство и было названо авторами виртуальной сферой. Оно представляет собой полую сферу, достаточно большую, чтобы в ней свободно размещался и двигался человек. Устанавливается сфера на колеса опоры и благодаря этому свободно вращается в любом направлении.

Перед тем, как войти в сферу через люк, пользователь - виртуаллер - надевает специальный костюм. На спине располагается компьютер - ноутбук достаточной мощности. К нему подключены встроенные в костюм датчики, подробно описываемые ниже, и виртуальный шлем.

Пользователь в виртуальной сфере Латыповых несколько напоминает белку в колесе. Только в отличие от колеса и стандартных тренажеров типа "беговая дорожка", человек в сфере может перемещаться в любую сторону. Принципиально возможно дооборудовать опору сферы, подобно профессиональным беговым дорожкам, моторами для принудительного задания желаемой скорости или направления движения. Но в большинстве случаев движение сферы, как беличьего колеса, определяется действиями виртуаллера. Для отслеживания его движений Нурахмед и Нурулла Латыповы предложили простую и дешевую систему датчиков.

Предшествующие системы привязаны к абсолютным координатам - точнее, координатам относительно датчиков, заранее установленных на площадке, по которой перемещается пользователь. Это не только ограничивает движения пользователя пространством вблизи от датчиков. Алгоритмы триангуляции, используемые в таких системах, требуют больших вычислительных мощностей. Эти системы чаще всего используются в анимационных студиях и из-за своей сложности или высокой стоимости, разумеется, недоступны на массовом рынке.

Латыповы расположили всю систему датчиков на пользователе в виде легко снимаемого костюма, избежав при этом необходимости очень сложных вычислений. Данные о положении и жестах виртуаллера снимаются датчиками, фиксирующими величину углов между сегментами скелета. Эти показания привязываются не к абсолютным координатам, а к опорным направлениям геомагнитного поля. Для этого ориентацию в пространстве по меньшей мере одного сегмента определяют с помощью электромагнитного компаса. Так что одетый в костюм датчиков пользователь не привязан к какому-либо месту. Костюм можно использовать в помещении, в парке, на стадионе...

При помощи системы датчиков можно отслеживать движения на плоскости практически всех позвоночных, создать обширную библиотеку движений, доступную через сети. В частности, поведение людей уже сейчас протоколируется и изучается.

Библиотеку движений можно использовать в самых разных областях: робототехнике, анимации, компьютерных играх, для взаимодействия через Интернет. Виртуаллер сможет обучаться боевым искусствам, спортивным, танцевальным движениям в интерактивном режиме с компьютерным учителем. Роль виртуального проводника смогут исполнять самые талантливые представители человечества, увековеченные в электронном мире. Словом, костюм датчиков в сочетании с виртуальной сферой дает особенно высокое качество погружения в виртуальную реальность.

Новейшие разработки российских авторов - Нурахмеда и Нуруллы Латыповых - были впервые представлены на Международной Брюссельской выставке изобретений "Эврика-96". Несмотря на то, что в Брюсселе демонстрировался лишь макет виртуальной сферы в масштабе 1:3, виртуальная сфера отмечена серебряной медалью, а костюм датчиков - золотой.

Спустя три месяца, с 13 по 20 февраля 1997 года, на выставке "CeBIT" в Ганновере Латыповы продемонстрировали усовершенствованный костюм датчиков, фактически лишенный трущихся деталей, а также действующую виртуальную сферу в натуральную величину. Эта же модель сферы собирала толпы зрителей на прошедшей выставке "Comtek'97" в Москве.

Диаметр сферы составляет 2,6 м, вес - около 100 кг. Она выполнена на авиационном заводе из полимерных материалов - тех же, из которых делают обтекатели для ракет, самолетов и подводных лодок. Вес опоры, включая 15 колес (пять блоков по три), - 30 кг. Конструкция собирается всего за несколько часов, а в разобранном виде виртуальная сфера помещается в багажнике и на заднем сидении "Жигулей".

Сейчас ведутся работы по совершенствованию конструкции сферы. Предполагается, что серийная сфера будет стоить менее 1000 долларов, причем, наиболее дорогостоящая часть проекта пока - это ноутбук или хотя бы CD-плеер.

Виртуальная сфера и костюм датчиков могут использоваться независимо друг от друга. Перемещения человека в сфере можно фиксировать внешними датчиками тех же типов, какие используются на нынешних виртуальных площадках. В костюме можно двигаться не только в сфере, но и (при наличии дистанционной связи с компьютером) на любой территории. Но наибольший эффект эти изобретения дают при совместном использовании. Рассмотрим некоторые области применения такого виртуального комплекса.

На первый-второй рассчитайсь!

Современные программы могут синтезировать вид и звучание абсолютно любой трехмерной обстановки с любыми объектами, имеющими свои правила поведения и действующими независимо. В частности, несложно имитировать стрельбу из пистолета, автомата, гранатомета... любого вида оружия. При этом пользователь будет видеть и слышать реакцию на свои действия.

Виртуальная сфера позволяет погрузить обучающегося в моделируемое компьютерное пространство без ограничения физических движений, а это может повысить индивидуальную подготовку солдат и младших офицеров.

Тренажеры и виртуальные имитаторы военных действий способны привить навыки тактики ведения боя в зависимости от поставленных задач и сопутствующих условий, навыки быстрого реагирования в динамически меняющихся обстоятельствах. Применение компьютерных тренажеров повышает боеготовность армии, экономит сотни миллионов долларов и, главное, позволяет сохранить тысячи жизней. Использование виртуального моделирования для воссоздания боевой обстановки с возможностью выполнения в ней поставленной задачи должно стать важным видом индивидуальной подготовки солдат и офицеров. Отметим при этом главный фактор: при отсутствии реальной угрозы для жизни и здоровья обучающихся психологически условия виртуальной реальности будут приближены к боевым. То есть достигается эффект, психологически сравнимый с условиями реального боя. Опыт военных операций можно получить на специальных тренажерах заблаговременно, без существенных затрат и риска для жизни людей.

Не секрет, что разработки в области виртуальной реальности для обучения личного состава армий интенсивно ведутся во многих странах. В качестве примера приведем дорогостоящие, но незаменимые системы для обучения летчиков - летные тренажеры для отработки штатных и нештатных ситуаций. Без этих компьютеризированных систем невозможна подготовка широкого класса специалистов для гражданской и военной авиации.

Конечно, занятия на компьютерных тренажерах должны не отменять, а дополнять существующую практику подготовки (тир, полоса препятствий и т. д.). Так же как успешная начальная подготовка и отработка основных навыков на летном тренажере - лишь необходимое условие перехода к реальным полетам.

Главная особенность виртуальных тренажеров, и не только военных, - это возможность связать индивидуальные действия каждого пользователя с действиями других через компьютерную сеть (среди известных сетевых игр есть не только тактические "сидячие" типа Warlord, но и "стрелялки", вроде Doom). Тогда группа пользователей - каждый виртуаллер в своей виртуальной сфере - будет погружена в одно смоделированное пространство. Бойцы-виртуаллеры смогут видеть и слышать друг друга и вести взаимосвязанные действия. Индивидуальные пользователи и группы могут в одном компьютерном пространстве воевать друг против друга или совместно воевать с другими. Если какого-то участника-виртуаллера вывели из строя, его линия просто будет отключена, а ему сообщат, что он ранен или убит, в зависимости от характера смоделированного ранения. Можно также протоколировать действия всех пользователей - и солдат, и офицеров - для разбора ошибок и поиска оптимальных действий каждого с учетом группового взаимодействия. Использование военных электронных тренажеров станет серьезным подспорьем при переходе армии на профессиональную основу.

Двойное применение

Конечно, неизбежно возникает вопрос о моральной стороне изобретения. Не станет ли виртуальная сфера информационной бомбой, заложенной под устои человечества?

Любое изобретение высшего порядка - это палка о двух концах. Атомные ледоходы спасают терпящих бедствие во льдах, но Чернобыль уже унес тысячи жизней. Лазер с успехом применяется в медицине, но тепловой луч способен внезапно поразить нас с околоземной орбиты.

Нравственность свойственна людям, которые делают открытия. Безнравственны те, кто использует достижения человеческой мысли в собственных корыстных целях в ущерб другим людям.

Не изобретать нельзя. Мир информационных технологий не стоит на месте. Если вы сегодня положили свое изобретение под сукно, то завтра за вас его сделает кто-то другой. Так не лучше ли, не теряя времени, направить поток в нужное и безопасное русло. Ведь гораздо более широкое применение виртуальный комплекс может найти в медицине, образовании, педагогике, индустрии развлечений, а также - как система для реабилитации инвалидов той же войны.

Индустрия развлечений

Применение виртуальной реальности в индустрии electronic entertainment развивается лавинообразно. И недалек тот день, когда и виртуальная сфера, и костюм датчиков войдут в обиход точно так же, как радио, телевизор, телефон.

Широкое распространение получили игры типа Doom и Heretic. В них перемещение по виртуальному пространству осуществляется с помощью манипулятора, что весьма неудобно. С появлением виртуального комплекса можно поднять эти игры на качественно новый уровень, увеличив число специальных эффектов.

Психологическая реабилитация

Всякий человек познает горечь утраты, когда из физической сферы его восприятия в мир иной уходят родные и близкие, родители и дети, любимые артисты, спортсмены и певцы, исторические деятели и даже животные. Если средствами виртуальной реальности воссоздать личность, то любой сумел бы со временем обеспечить информационное бессмертие и свое, и круга своего общения. Это путь создания и воспитания информационных виртуальных двойников - особо эффективный способ восстановления духовных сил человека.

Система датчиков и сфера братьев Латыповых полезны для решения сложной задачи - создания виртуальных двойников людей и животных. Она включает:

• восстановление внешнего облика по фотоматериалам, портрету и кино-, видеопленке;
• анимацию виртуального изображения, коррекцию особенностей движения;
• синтез человеческого голоса по имеющимся аудиозаписям;
• насыщение виртуального изображения характером: типичные жесты, привычки, темперамент, тембр речи, фразы общего типа - погода, самочувствие, прошлое.

И самой главной проблемой здесь остается ИНТЕЛЛЕКТ. В первом приближении можно ограничиться неизменными виртуальными двойниками, которые существуют в виде компьютерных программ и "проигрываются" подобно им. С начала своей жизни время от времени человек надевает на себя упомянутый костюм датчиков, его движения запоминаются и преобразуются компьютером, формируя виртуального двойника. Он, конечно, не способен пока на новое, не способен на изменения в собственном "поведении". Поэтому в определенных стандартных ситуациях, когда вы хотите вновь ощутить присутствие дорогого вам, но уже недосягаемого человека, из памяти компьютера достается тот или иной ответ, то или иное действие, записанное им ранее.

Истинный виртуальный двойник должен быть способен к саморазвитию, воспитанию, а это уже искусственный интеллект. Впрочем, это отдельная тема.

Образование, туризм, физкультура

Кто не дрогнет, видя разрушение привычных его памяти мест - домов и улиц, парков и дворов? Кто не испытает сожаление, когда ему не по карману заграничное путешествие?

Но возможно информационное восстановление среды обитания, виртуализация окружающей среды и ее объектов. Каждый город уже сейчас может иметь виртуальную библиотеку собственной истории и архитектуры, которая поместится на нескольких десятках лазерных дисков. Не выходя за стены собственного дома пользователь прогулялся бы по Древнему Риму, совершил бы поучительную экскурсию в Лувр или Эрмитаж - не важно, находится сейчас пользователь физически в Арабских Эмиратах или на Аляске. Это дает совершенно новый импульс развитию интернациональных и межрегиональных связей. Виртуальная сфера Латыповых открывает новый перспективный и безопасный вид международного туризма.

На наушники виртуального шлема в процессе такой прогулки можно выдавать не только мелодии, но также и учебную информацию. Виртуальная сфера Латыповых - средство непрерывного ускоренного обучения и экологии человеческого сознания. То, к чему стремятся во всех цивилизованных странах мира. Виртуальную сферу и костюмы датчиков к ней различного размера почтут за честь иметь крупнейшие здравницы и гостиницы. Сферы, объединенные в сеть, могли бы стать узлами единой системы самовосстановления и аутотренинга, глобальной сети интеллектуальных наукоемких программ. Вам достаточно возить с собой лазерные диски - аппаратура будет всегда на месте.

Перфорация оболочки сферы позволяет насытить ее внутреннее пространство, где находится пользователь, ароматами и благовониями, широко применяющимися в восточной медицине. Создав принудительную циркуляцию воздуха внутри сферы, можно менять давление и температуру в интервале, чувствительном для человека, - тренировать альпинистов, аквалангистов, ненавязчиво закаливать детей, приучать их к физкультуре и спорту в процессе игры. Сообщив сфере принудительное вращение, можно имитировать изменение силы тяжести, тренировать вестибулярный аппарат человека, вместе с тем оказывая воздействие и на его психику посредством смены изображений на мониторах шлема и смены звуков - в наушниках.

Утренняя пробежка по Елисейским полям под мелодии Леграна или Поля Мориа очень скоро станет доступной человеку со средним достатком. Если, конечно, братья Латыповы найдут понимание и поддержку крупных компаний, правительств ведущих стран мира, ЮНЕСКО... Вероятно, их помощь заставит себя ждать. Так происходило со многими изобретениями.

С автором можно связаться по телефону 374-9440.