MotionParallax3D

MotionParallax3D дисплеи — класс устройств виртуальной реальности, позволяющих сформировать у пользователя иллюзию объемного предмета за счет отображения на экране специальной проекции виртуального объекта, сгенерированной в зависимости от положения пользователя относительно экрана.

Основы[править | править код]

Устройства данного класса содержат один или несколько плоских или изогнутых экранов, имеющих, в зависимости от форм-фактора устройства, различные размеры, форму и взаимное расположение. Проекции виртуальных объектов рассчитываются таким образом, что при наблюдении виртуального объекта, изображение, которое видит пользователь, полностью совпадает с изображением, которое он увидел бы, если бы виртуальный объект был реальным и находился в соответствующей точке реального пространства. Для построения и отображения корректных проекций виртуальных объектов системе виртуальной реальности требуются актуальные координаты, из которых осуществляется наблюдение виртуального мира (координаты глаз пользователей).

В отличие от стереодисплеев, задействующих только бинокулярное зрение, MotionParallax3D дисплеи задействуют такой механизм восприятия объёма, как параллакс движения. Параллакс движения – смещение частей изображения друг относительно друга с угловой скоростью, пропорциональной разнице расстояния между ними и наблюдателем, при изменении взаимного положения наблюдателя и объекта наблюдения. MotionParallax3D дисплеи задействуют этот механизм восприятия объёма путём постоянного перестроения изображения, исходя из актуальных координат глаз пользователя. Благодаря этому, виртуальные объекты смещаются друг относительно друга и относительно видимых реальных объектов по тем же законам и принципам, что и объекты реального мира. Это позволяет мозгу выстраивать целостную картину мира, содержащую одновременно реальные и виртуальные объекты с визуально неотличимым поведением. Задействование механизма параллакса движения в MotionParallax3D дисплеях является достаточным для того, чтобы мозг воспринимал виртуальные объекты, как имеющие определенную форму, объём, и расстояние от глаз пользователя.

Системы трекинга[править | править код]

Для того, чтобы проекция изображения, выводимая на экран, была корректной, системе необходимы максимально актуальные и точные координаты глаз пользователя. Эти координаты MotionParallax3D дисплеи получают из систем трекинга.

Системы трекинга для MotionParallax3D дисплеев могут строиться на различных принципах:

Оптические:
- на основе активных маркеров (NettleBox)
- на основе пассивных маркеров (EON ICube)
- на основе распознавания лиц, глаз, контуров головы и т.д. (Amazon Fire Phone)
Ультразвуковые (RUCAP UM-5)
Смешанные, сочетающие в себе несколько механизмов отслеживания, например, использующие, помимо оптических маркеров, гироскопы и акселерометры.

Показатели качества[править | править код]

Качество MotionParallax3D дисплеев, основным критерием которого является реалистичность восприятия виртуального мира, определяется сочетанием трех основных характеристик:

качеством стереоскопического разделения (если оно производится)
качеством рендеринга
геометрической корректностью проекции.

Качество стереоскопического разделения снижается вследствие гостинга (ghosting) – явления, при котором каждый глаз, помимо предназначенного для него изображения, воспринимает также и изображение, предназначенное для другого глаза. Причиной гостинга могут служить различные факторы, например, остаточное свечение люминофора в плазменных экранах или неполное совпадение направления поляризации при поляризационном стереоскопическом разделении.

Качество рендеринга в целом не является критичным в современных MotionParallax3D дисплеях, однако высокая детализация рендеринга и использование специальных эффектов позволяет задействовать психологические механизмы восприятия объема, такие как градиент текстуры, затенение, и т.д., что содействует повышению реалистичности восприятия.

Геометрическая корректность проекции 3D-сцены – наиболее значимый показатель качества MotionParallax3D дисплея. На геометрическую корректность проекции влияют точность отслеживания положения пользователя и промежуток времени между моментом начала определения положения пользователя и моментом вывода изображения на экран. Точность отслеживания непосредственно влияет на корректность проекции виртуального объекта и определяется общей геометрической ошибкой, зависящей от архитектуры и геометрии средств отслеживания и качества калибровки, а также интегрального показателя ошибки, вносимой шумом. Промежуток времени между моментом начала определения положения наблюдателя и моментом вывода изображения на экран является основной причиной геометрической некорректности проекции 3D-сцены в системах MotionParallax3D. Причиной возникновения задержки является то, что на все операции по определению положению пользователя, построению и выводу проекции, требуется время.

В современных MotionParallax3D дисплеях применяется технология предсказания положения пользователя, что позволяет частично скомпенсировать задержку, однако точность и горизонт предсказания сильно зависят от качества начальных данных (точность), а также количества выборок с координатами положения пользователя, получаемыми системой за единицу времени.

Особенностью зрительного восприятия является то, что мозг воспринимает задержку отображения виртуальных объектов не как задержку, а как искажение геометрии виртуальных объектов. В этом случае диссонанс между информацией, поступающей к пользователю по зрительному каналу восприятия и от вестибулярного аппарата может привести к проявлению у человека симптомов т.н. киберболезни, симптомами которой является тошнота, головная боль, боль в глазах. Чем выше качество MotionParallax3D дисплея, тем меньше шансов проявления у пользователя вышеописанных симптомов. Хотя стоит отметить, что даже в случае идеального MotionParallax3D дисплея симптомы киберболезни могут проявиться у восприимчивых людей из-за диссонанса зрительных механизмов фокусировки и конвергенции: если виртуальный объект располагается на значительном удалении от плоскости, на которую выводится проекция изображения, попытка свести глаза и сфокусироваться на виртуальном объекте может привести к прямо противоположному результату.

Место MotionParallax3D дисплеев среди систем виртуальной реальности[править | править код]

На сегодняшний день все широко распространенные устройства компьютерной виртуальной реальности можно условно разделить на два больших класса^{[источник не указан 3265 дней]}:

MotionParallax3D дисплеи
HMD (head-mounted display) дисплеи.

Кроме этих двух классов устройств существуют довольно экзотические варианты: например, система CastAR, в которой получение корректной проекции изображения на плоскости достигается за счет расположения проекторов непосредственно на очках. Но пока что такие устройства широко не распространены и существуют лишь в виде прототипов.

Шлемы виртуальной реальности, как правило, полностью изолируют пользователя от реального мира, в то время, как MotionParallax3D дисплеи в той или иной степени позволяют ориентироваться в окружающем пространстве. Но это также накладывает на MotionParallax3D дисплеи определенные ограничения: поскольку пользователь видит одновременно и реальные и виртуальные объекты, необходимо, чтобы их поведение было идентичным, что достигается путём уменьшения вышеупомянутой задержки до приемлемых величин (не более 20 мс).

Известные реализации[править | править код]

Благодаря тому, что MotionParallax3D дисплеи представляют собой систему трекинга, сопряжённую с устройствами формирования и вывода изображения, существует множество различных форм-факторов как по размеру: от смартфона до виртуальной комнаты, так и по степени погружения в виртуальный мир: от окна в виртуальный мир размером в 2-3 дюйма до систем с полным погружением. Ниже представлены наиболее распространенные представители устройств, которые можно отнести к данному классу.