CC BY
16УДК 004.923:377.169.3
ИНФОРМАЦИОННОЕ ПРОСТРАНСТВО ОПЕРАТОРА В ТРЕНАЖЕРНЫХ И ОБУЧАЮЩИХ
СИСТЕМАХ
В. С. Бартош1,3, И. В. Белаго1'3, С. А. Кузиковский1,3, М. М. Лаврентьев1,2
1 Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук vas@sl.iae.nsk.su, bel@sl.iae.nsk.su, stas@sl.iae.nsk.su, 2 Новосибирский государственный университет mmlavr@nsu.ru 3 ООО «СофтЛаб-НСК»
В работе рассмотрены особенности информационного пространства оператора в компьютерных тренажерах, структура информационного пространства, проблемы и методы построения наиболее важной из его компонент — зрительного образа. Актуальность темы обусловлена происходящими изменениями в технологиях виртуальной реальности, которые должны в ближайшей перспективе привести к пересмотру традиционных подходов формирования зрительного образа в системах визуализации компьютерных тренажеров.
Представлены наиболее важные для визуальной имитации в тренажерах механизмы зрительного восприятия — аккомодация, конвергенция, параллакс движения, а также пространственные и временные характеристики человеческого зрения, основные требования к формированию виртуального зрительного образа оператора при обучении на тренажере, замещающего зрительный образ, возникающий при работе с реальной технической системой.
Описаны проблемы построения зрительного образа в космических, железнодорожных и авиационных тренажерах, подходы и методы решения этих проблем, перспективы развития систем визуализации тренажеров на основе применения наголовных мультифокальных стереодисплеев с системами быстрого позиционирования.
Ключевые слова: механизмы зрительного восприятия, компьютерные тренажеры, системы визуализации.
OPERATOR INFORMATION ENVIRONMENT IN TRAINING SIMULATORS
V. S. Bartosh1'3, I. V. Belago1'3, S. A. Kuzikovsky1'3, M. M. Lavrentiev1'2
1 Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, vas@sl.iae.nsk.su, bel@sl.iae.nsk.su, stas@sl.iae.nsk.su, 2 Novosibirsk State University mmlavr@nsu.ru 3 Ltd. SoftLab-NSK
The paper discusses the features of the operator information environment in computer simulators. We discuss the structure of the information environment, problems and methods of forming the most important of its components, the visual image. The research is relevant due to ongoing changes in VR technology, which in the short term can lead to revolutionary changes to traditional simulator imaging systems.
We consider the mechanisms of visual perception: accommodation, convergence, motion parallax, which are the most important for visual simulation, and spatial and temporal characteristics of the human vision. Based on these data, we propose basic requirements to generating simulated images representing real-life objects.
The requirements to different simulators are also different. They are to be taken into account when developing a specific simulator to make it efficient. The paper discusses the problems of spatial image construction for spacecraft, railway, and aircraft simulators. We propose some approaches and methods for solving these problems. Head-on multifocal 3D displays and fast positioning systems are discussed.
Keywords: visual perception mechanisms, computer simulator, visualization system.
Введение
С ростом производительности вычислительных систем, компьютерные тренажеры получили широкое распространение по следующим причинам:
- тренажер позволяет сделать подготовку к управлению различными устройствами абсолютно безопасной, в отличие от обучения на реальной технике, безопасно получать навыки действий в нештатных ситуациях, отработка которых в реальных условиях нередко связана с большим риском, либо вообще невозможна;
- применение тренажеров экономически обосновано, так как стоимость эксплуатации реальной техники, как правило, многократно превосходит стоимость эксплуатации тренажера;
- компьютерные тренажеры позволяют имитировать практически любые условия эксплуатации техники, что обычно невозможно при обучении с применением реальных технических систем.
По мере роста возможностей и качества тренажерных систем растут и предъявляемые к ним требования, связанные, в первую очередь, с эффективностью обучения. Современный компьютерный тренажер должен обеспечивать выработку у обучаемого практически профессиональных навыков управления сложной техникой, не увеличивая при этом общего времени, необходимого для качественного обучения. Важнейшим условием создания эффективного тренажера является достижение высокой степени адекватности виртуального информационного пространства, в которое погружается обучаемый, реальному пространству, в котором ему предстоит работать.
В работе рассмотрены проблемы и методы построения наиболее важной из компонент информационного пространства компьютерных тренажеров — зрительного образа.
Структура информационного пространства
При осуществлении своей деятельности оператор технической системы принимает информацию о внешней среде путем создания чувственного образа. В этом процессе участвуют все каналы человеческого восприятия, каждый из которых специализируется на раздражителях (стимулах) определенной физической природы. Наиболее важными каналами восприятия для оператора технической системы являются зрение, слух и кинестезия (тактильные ощущения и ощущения положения и движения тела человека).
При реальной работе оператора стимулы поставляются реальной физической средой, в которой он находится и с которой взаимодействует. При обучении на тренажере стимулы реальной среды замещаются на стимулы виртуального информационного пространства, имитирующего пространство реальное (рис. 1).
^ЦИОННОЕПРОС^
ФОРМИРОВАТЕЛИ
ФОРМИРОВАТЕЛИ
Рис. 1. Стимулы информационного пространства
Специализированные программно-аппаратные системы современного тренажера на основе выбранного сценария тренировки и с учетом воздействий оператора отображают виртуальное информационное пространство в виде информационных потоков. Далее эти потоки комплексируются и распределяются по формирователям для создания и предъявления оператору целостного образа окружающей обстановки, рис. 2.
Рис. 2. Схема формирования стимулов зрения, слуха и кинестезии
Важнейшим фактором, влияющим на возможность длительной работоспособности оператора, является согласованность информации, поступающей по разным информационным каналам. Практически любой конфликт ведет к болезненным ощущениям у оператора — усталости, головокружениям, тошноте и др.
Характеристики зрительного образа
Зрение является наиболее важным органом чувств и несет человеку более 80 % информации об окружающем его мире. По этой причине формированию зрительного образа как части информационного пространства оператора уделяется наибольшее внимание. По этой же причине практически ни одна из тренажерных систем не обходится без системы визуализации. Рассмотрим некоторые технические характеристики системы визуализации, которые вытекают из особенностей зрительного восприятия.
Поле зрения человека без учета движения глаз и головы составляет примерно 180-200° по горизонтали. Внутри этого поля находятся зоны центрального зрения, ясного видения и периферического зрения [1].
Зона центрального зрения составляет примерно 2 . В этой зоне достигается наибольшая острота зрения. В идеальных условиях (при высокой освещенности и контрастности, при малых скоростях движения объекта) человек может различать детали с угловым размером 50". Для того чтобы человек не видел пиксельной сетки виртуального образа объекта, угловое разрешение формирователя зрительного образа должно быть не меньше. Например, если в качестве формирователя используется дисплей, перекрывающий поле зрения в 50°, то его разрешение должно составлять не менее 3 600 пикселей по горизонтали.
Зона ясного видения занимает участок от зоны центрального зрения до, примерно, 30-35°. В этой зоне человек распознает предметы без мелких деталей. Оставшуюся часть поля зрения занимает зона периферического зрения, где объекты уже не распознаются, но обнаруживаются. За счет движения глаз объекты, располагающиеся на периферии, могут быстро переместиться в зону ясного видения и центрального зрения. Поэтому в системах визуализации без слежения за зрачком, необходимо сохранять максимальное разрешение формирователя зрительного образа во всем поле зрения. С учетом движения глаз это поле расширяется до 270°. С учетом поворота головы это поле расширяется еще на 90° влево и вправо.
Таким образом, если техническая система не обладает конструктивными ограничениями поля
зрения оператора (окнами, иллюминаторами, остеклением кабины самолета или машины), то формирователь зрительного образа в тренажере должен обеспечивать круговой обзор (360°) с сохранением углового разрешения не менее 50".
Средняя часть поля зрения размером ~120° — бинокулярная, т. е. видимая двумя глазами (рис. 3).
БИНОКУЛЯРНАЯ
Рис. 3. Поле зрения человека без учета движения глаз и головы
В этой области на расстояниях до 6 м проявляется такое важное свойство зрения как конвергенция — встречное движение глаз, в результате которого обе зрительные линии сходятся вместе на целевом объекте. Конвергенция — основной механизм стереоскопического зрения, дающий информацию о трехмерности окружающего нас мира. Другим не менее важным механизмом стереоскопического зрения является аккомодация — фокусировка глаза на целевой объект. Механизм работает на расстояниях менее 2-3 м, далее глаз уже фокусируется на бесконечность.
Таким образом, если работа оператора связана взаимодействием с близкими объектами, то система визуализации тренажера должна обеспечивать стереоскопичность формируемого зрительного образа.
На дальностях более 6 м работают монокулярные механизмы объемного восприятия — параллакс движения (анализ двух последовательных образов при сдвиге головы), перспектива, окклюзия (закрывание дальних объектов ближними) и др.
Все перечисленные выше механизмы работают согласованно, что позволяет человеку видеть окружающие его объекты объемно, распознавать их взаимное расположение, оценивать расстояния до них и между ними.
Еще одной важной характеристикой человеческого зрения является критическая частота мельканий. Это частота проблесков света, при которой человек воспринимает их как слитные. При высокой яркости это частота составляет 50~60 Гц. Таким образом, частота смены изображений в формирователе зрительного образа также должна быть не ниже 60 Гц.
Особенности формирование зрительного образа в разных типах тренажеров
Ниже на примерах тренажерных систем различного назначения продемонстрированы особенности формирования зрительного образа, обусловленные функциональными требованиями к самим тренажерам.
Тренажер стыковки транспортных кораблей к Международной космической станции (МКС). В ручном режиме стыковка космического корабля и станции осуществляется с помощью специальной оптико-телевизионной системы прицеливания. На внешней поверхности корабля расположена
стыковочная камера, а в районе стыковочного узла станции — специальная метка-мишень, представляющая собой два разнесенных креста (рис. 4).
Рис. 4. Фрагмент, снятый стыковочной камерой при реальной стыковке
При правильной траектории сближения камера и мишень расположены соосно. На экране бортового монитора отображается разметка также в виде креста. Задача космонавта при подлете к станции состоит в удержании разметочного креста и двух крестов мишени в совмещенном состоянии. Так как кресты мишени разнесены вдоль оси стыковки, возникает эффект параллакса, при котором малейшее отклонение корабля от оси стыковки или изменение его ориентации в пространстве ведет к видимому расхождению крестов на экране. Во время сближения на экран также выводится информация о положении и ориентации корабля, расстоянии до цели.
Система визуализации тренажера стыковки должна создавать максимально близкий к реальному зрительный образ станции и мишени с синхронной выдачей на экран служебной информации. Так как космонавт во время стыковки работает исключительно с телевизионным изображением, то и формирование образа на мониторе в тренажере является адекватным. В данном случае проблем с имитацией широких полей и стереоскопичности зрения не возникает. В задачи системы визуализации входит реалистичное моделировании и отображение модулей станции, земной поверхности, навигационных звезд (рис. 5). Естественное сглаживание телевизионного изображения невысокого разрешения в системе визуализации имитируется с помощью алгоритмов антиалиайсинга (технологии сглаживания границ объектов в синтезированном изображении).
Проблемы имитации искажений и сбоев, возникающих при работе стыковочной телекамеры в системе визуализации, решаются с помощью постобработки синтезированных изображений. К таким проблемам относятся имитация срывов строчной и кадровой синхронизации, эффекты засветки солнцем и стыковочной фарой, «заплывания» переосвещенных контуров (кажущееся увеличение границ ярко освещенного объекта) (рис. 6).
Еще одна неожиданная проблема, которую пришлось решать при визуализации — это недостаточная точность вещественных чисел в современных графических ускорителях для одновременного представления детализированной поверхности станции и земной поверхности, удаленной от нее на 400 км. Наиболее эффективным с точки зрения производительности системы визуализации решением оказалось одновременное уменьшение диаметра Земли и расстояния до земной поверхности в моделируемой сцене. Кроме того, в целях оптимизации Земля была представлена лишь видимой частью поверхности шара, а выбег Земли имитировался смещением текстурных координат.
Тренажер оперативного персонала сортировочной горки. Сортировочная горка в железнодорожных горочных комплексах предназначена для расформирования и формирования железнодорожных составов поездов. Сортировочная горка состоит из трех основных элементов: надвижной части (пологий подъем), горба горки (вершина) и спускной части (уклон). Локомотив толкает состав, подлежащий расформированию, по надвижной части. На участке ближе к горбу горки специальный персонал произ-
Рис. 5. Отображение МКС в системе визуализации разработанной ООО «СофтЛаб-НСК»
Рис. 6. Имитация срыва строчной и кадровой синхронизации
водит расцепление отдельных вагонов и их групп (отцепов), так что они движутся по спускной части раздельно и самостоятельно под действием силы тяжести. За счет плавного перехода горба горки в спускную часть между отцепами образуются интервалы. Спускная часть горки представляет собой дерево путей. В узлах этого дерева расположены стрелочные переводы, что позволяет направлять вагоны и отцепы на разные пути в соответствии с планами формирования новых составов. На ребрах дерева расположены тормозные позиции, оборудованные вагонными замедлителями, с помощью которых регулируется скорость скатывания отцепов. Листьями дерева являются парковые пути, на которых новый состав должен быть полностью сформирован.
На механизированной сортировочной горке управление стрелками и замедлителями осуществляется дистанционно из башни с цилиндрическим остеклением, где находится пульт горочного оператора (рис. 7).
На пульте расположены рукоятки для перевода стрелок, регулирования работы вагонных замедлителей и изменения показаний сигналов, а также контрольные лампы, указывающие положение стрелочных переводов, занятость их скатывающимися вагонами и показания сигналов семафоров.
В задачу операторов сортировочных горок входит управление стрелочными переводами и замедлителями так, чтобы на парковых путях сформировались новые составы в соответствии с планами формирования. Причем, как остановка отцепа до паркового пути, так и высокая скорость выхода в расчетную точку (и, как следствие, удар при столкновении отцепов) являются недопустимыми.
Точная и ответственная работа оператора требует выработки у него быстрой интуитивной оцен-
Рис. 7. Вид на башню и оборудование горки в системе визуализации тренажера станции «Инская», разработанной ООО «СофтЛаб-НСК»
ки ситуации и моторной реакции для управления движением отцепов. Ошибки при обучении в реальной обстановке могут приводить как к заторам на горке, так и к аварийным ситуациям. Поэтому применение тренажеров в этом случае экономически оправдано и эффективно.
Зрительный образ оператора включает как внешнюю визуальную обстановку за окнами башни, так виды пульта с индикаторами и устройствами управления. Пульт управления целесообразно имитировать действующим натурным макетом. Двигающиеся отцепы находятся на значительных расстояниях от оператора, поэтому зрительный образ внешней визуальной обстановки не требует стереоскопичности. Глаза оператора должны фокусироваться на бесконечность, поэтому в качестве формирователей зрительного образа используются проекционные экраны или мониторы, расположенные на расстояниях более двух метров от оператора. Формирователи должны обеспечивать поле зрения в соответствии с остеклением реальной башни (как правило — до 150-180°). Для того чтобы избежать геометрических искажений, возникающих при широкоугольном отображении, зрительный образ создается группой расположенных по окружности формирователей. Многоканальная система визуализации синхронно отображает внешнюю визуальную обстановку в каждом формирователе (мониторе или проекторе) в узком поле зрения [2] (рис. 8).
Тренажер орбитального мониторинга земной поверхности. При проведении ряда экспериментов на борту МКС используются методы визуально-инструментальных наблюдений (ВИН) за природными и антропогенными объектами, явлениями, происходящими в космосе, атмосфере, на земной и океанической поверхности. Сеансы ВИН используются для наблюдения за образованием циклонов и зарождением тайфунов, вулканической активностью, грозами, лесными пожарами, биопродуктивными зонами в океане и так далее [3-5]. В задачи космонавтов входят:
- поиск и обнаружение района расположения объекта невооруженным глазом при наблюдении через иллюминатор;
- поиск заданного объекта при наблюдении с помощью фотоаппарата при малых кратностях увеличения, обнаружение и захват объекта на сопровождение;
- сопровождение объекта с постепенным увеличением масштаба изображения, переход к детальному наблюдению;
- распознавание объекта и выделение информативных зон;
Рис. 8. Многоканальная система визуализации тренажера оператора сортировочной горки, разработанной ООО «СофтЛаб-НСК»
- выполнение фокусировки, компоновки кадра и корректирующих действий по точному наведению центра кадра на выбранную информационную зону объекта;
- фотосъемка одиночным кадром или серией кадров.
В обычном случае на поиск, обнаружение, сопровождение и фотосъемку объекта наблюдения космонавту отводится всего несколько секунд, после чего объект выходит из зоны видимости за счет движения станции по орбите. Действия космонавта в процессе обучения должны быть доведены до автоматизма, поэтому применение тренажерных методов обучения целесообразно и практически безальтернативно.
Для отработки навыков визуально-инструментальных наблюдений специалистами ООО «СофтЛаб-НСК» разработан специализированный тренажер ВИН. Исходя из требований, изложенных выше, система визуализации тренажера должна формировать как минимум два отличающихся зрительных образа — один для наблюдения невооруженным глазом и другой — для имитации вида через окуляр фотоаппарата.
В первом случае в качестве формирователя зрительного образа используется монитор, вмонтированный в натурный макет иллюминатора. В связи с тем, что обучаемый находится на небольших (менее двух метров) расстояниях от монитора, срабатывает механизм аккомодации. Глаз фокусируется на плоскость монитора. При этом система визуализации имитирует земную поверхность, находящуюся на расстоянии 400 км от наблюдателя и зрительные оси глаз пересекаются на условной бесконечности. Возникает конфликт зрительного восприятия, который может приводить к усталости обучаемого, головной боли, тошноте и другим недопустимым проявлениям. Для устранения конфликта вместо монитора целесообразно использовать коллимационное устройство (оптическое устройство, фокусирующее глаз на бесконечность).
Во втором случае был разработан специальный имитатор целевого фотоаппарата (рис. 9). В имитаторе используется аналогичный фотоаппарат, но вместо телеобъектива применен макрообъектив. В корпус имитатора в зоне фокусировки макрообъектива встроен микродисплей, на который передают-
ся изображения от системы визуализации. Имитатор, так же как и телеобъектив целевого фотоаппарата оснащен кольцом фокусировки, но фокусировка и расфокусировка имитируются системой визуализации. Конфликт зрительного восприятия отсутствует, так как обучаемый смотрит одним глазом, а окуляр фотоаппарата фокусирует взгляд на бесконечность.
Рис. 9. Макет иллюминатора с встроенным монитором и имитатор фотоаппарата
При реальной работе на орбитальной стации космонавт может менять свое положение относительно иллюминатора. При этом возникает эффект параллакса — часть внешних объектов скрытых за границами иллюминатора, становится видимой, а ранее видимые объекты скрываются за противоположной границей. Для создания адекватного зрительного образа при обучении изображение на микродисплее формируется в соответствие с положением имитатора фотоаппарата относительно макета иллюминатора, а на мониторе — в соответствии с положением головы обучаемого. Положение головы и имитатора фотоаппарата определяется при помощи системы позиционирования.
Для реалистичной визуальной имитации земной поверхности с учетом движения станции по орбите были разработаны оригинальные методы эффективной организации файла текстуры земной поверхности, упреждающей подкачки данных, размещения датчиков системы позиционирования [6].
Авиационные тренажеры. Построение информационного пространства пилота в авиационных тренажерах является сложной задачей по ряду причин.
Несмотря на то, что зрительный образ и в этом случае наиболее информативен, большое значение для достижения эффекта погружения пилота в виртуальную среду имеет также звуковой и кинестетический образы. Звуковой образ, с одной стороны, информирует пилота о состоянии и режимах работы систем летательного аппарата (звук двигателя, звуковая сигнализация бортовых систем), а с другой — важная информация маскируется посторонними шумами, что тоже необходимо имитировать на тренажере. Органы управления за счет обратной связи через тактильное восприятие рук помогают пилоту лучше чувствовать поведение летательного аппарата, а значительные ускорения, вибрации и перегрузки воздействуют и на вестибулярный аппарат и тактильные ощущения (давление на кресло, напряжение мышц шеи). Эти воздействия имеют очень важное значение, так как информация об изменении пространственной ориентации пилота проходит быстрее по кинестетическому каналу, чем по зрительному.
По этой причине комплексный авиационный тренажер в обязательном порядке должен быть оснащен формирователями зрительного, звукового и кинестетичсекого образов виртуальной среды. Причем формирование образов должно быть жестко синхронизировано, а сами образы — информаци-
онно согласованы.
Формирование зрительного образа в авиационных тренажерах осложнено необходимостью имитации высоких скоростей летательного аппарата и, как следствие, высоких угловых скоростей перемещения объектов в поле зрения пилота (особенно в периферийных зонах при взлете и посадке). В состав зрительного образа входит множество разных объектов, расположенных на разных дальностях от глаз и требующих учета одновременной работы большинства механизмов зрительного восприятия. Поле зрения пилота с учетом движения глаз и головы может достигать 360°, что требует применения многоканальных систем визуализации.
В современных авиационных тренажерах зрительный образ создается несколькими формирователями:
- внешней визуальной обстановки;
- образа приборной доски;
- образов многофункциональных экранных индикаторов;
- образа индикатора на лобовом стекле.
Целевые объекты внешней визуальной обстановки обычно находятся на значительных расстояниях от пилота, там, где механизмы стереоскопичности зрительного восприятия уже не работают. Формирование образа внешней визуальной обстановки в тренажере осуществляется либо на мониторах через коллимационные системы, перекрывающие рамки остекления имитатора кабины, либо на сферических или цилиндрических проекционных экранах, находящихся на расстояниях 3-6 м от глаз оператора. В первом случае конфликт зрительного восприятия устраняется за счет оптической системы коллиматора, а во втором — за счет удаления проекционного экрана. При применении динамических платформ для создания кинестетического образа система визуализации должна учитывать движение платформы при отображении внешней визуальной обстановки. Голова пилота практически не изменяет своего положения относительно экранов, поэтому системы позиционирования головы оператора не применяются.
В качестве формирователей образа приборной доски обычно применяются действующие натурные макеты со всей световой индикацией.
В качестве формирователей образа многофункциональных индикаторов применяются мониторы (при необходимости сенсорные панели), встроенные в макет приборной доски. Информация для них синтезируется системой визуализации.
Для имитации индикации на лобовом стекле используется либо центральный формирователь внешней визуальной обстановки, либо специальный дополнительный проектор, который проецирует векторно-символьную информацию непосредственно на остекление макета кабины.
Создание комплексных авиационных тренажеров требует значительных финансовых затрат, поэтому комплексные тренажеры практически не применяются в малой авиации, где стоимость летательного аппарата и его эксплуатации может быть сопоставима со стоимостью тренажера. Для обучения пилотов малой авиации более применимы ограниченные процедурные тренажеры. В этих тренажерах обычно кинестетический образ не формируется или формируется частично для создания тактильных ощущений. В целях удешевления зрительный образ внешней визуальной обстановки формируется на мониторах (рис. 10). При этом ухудшается эффект погружения обучаемого в виртуальную среду и повышается вероятность возникновения конфликта зрительного восприятия. Тем не менее процедурные тренажеры позволяют выработать у обучаемого первичные навыки пилотирования.
Рис. 10. Вертолетные тренажеры, разработанные ООО «СофтЛаб-НСК»
Перспективные системы формирования зрительного образа
В настоящее время в связи с ростом производительности аппаратных средств и совершенствованием алгоритмов трехмерной визуализации становятся возможными технологические решения, обеспечивающие значительно больший эффект погружения человека в виртуальную среду. Основой качественного перехода является устранение регистрируемой человеком транспортной задержки между его движением в окружающем мире и визуализации виртуальной сцены с учетом этого движения. На практике это позволит заменить громоздкое коллимационное и проекционное оборудование со сферическими и цилиндрическими экранами на наголовный дисплей, предоставит человеку возможность свободно передвигаться и ориентироваться в виртуальном пространстве. Кроме того, становится возможным осуществить жесткую визуальную привязку виртуальных объектов к реальному миру, т. е. создавать смешанную реальность, в которой реальные и виртуальные зрительные стимулы работают синхронно и равноправно.
В настоящий момент ряд западных компаний подошли к реализации наголовных стереодиспле-ев с системами быстрого позиционирования головы человека (Microsoft HoloLens, Intel Alloy, Oculus VR Oculus Rift и др.).
Рис. 11. Иллюстрация возможностей нашлемного дисплея Microsoft HoloLens
Несмотря на крайне высокие требования к применяемым системам визуализации (кадровая частота 90-120 Гц) и позиционирования (1 000 Гц), общая транспортная задержка в этих системах все еще недостаточно мала, но по отзывам пользователей и личному опыту авторов статьи она становится приемлемой для решения широкого круга не только развлекательных, но и тренажерных задач.
В частности, применение наголовных дисплеев в комплексных авиационных тренажерах может обладать рядом преимуществ по сравнению с традиционным подходом, описанным выше:
- применение наголовного дисплея для формирования образа внешней визуальной обстановки экономически более выгодно, чем применение многоканальных коллимационных и проекционных систем;
- проблема параллакса (несоответствие конструктивно заложенной в систему визуализации линии визирования с реальной линией, возникающее при движении пилота или при попытке использовать тренажер одновременно для двух членов экипажа) при традиционном подходе вынуждает обучать членов экипажа на разных тренажерах или реконфигурировать тренажер и обучать членов экипажа по очереди. Эта проблема может быть решена без удвоения стоимости тренажера за счет применения двуканальной системы визуализации и двух наголовных дисплеев.
Однако возможности применения наголовных дисплеев лимитируются проблемами упрощенного представления глубины изображаемого пространства. Отсутствие стимулов аккомодации и различной фокусировки глаза на предметы, которые находятся на разных расстояниях, ухудшает когнитивные способности восприятия глубины пространства, увеличиваются погрешности в оценке размеров и удаленности предметов, между аккомодацией и конвергенцией возникает конфликт, появляется бинокулярный стресс, утомление глаз, головная боль и т. д.
ООО «СофтЛаб-НСК» совместно с Институтом автоматики и электрометрии СО РАН и КТИ научного приборостроения СО РАН ведут разработку мультифокального нашлемного стерео дисплея, использующего аккомодационные механизмы человеческого глаза [7]. Специализированная система визуализации генерирует два изображения для каждого глаза, соответствующие разным фокусным планам. При этом модифицируется яркость каждого пиксела в зависимости от разности между глу-
биной изображения в данном пикселе и целевым фокусным планом. Зависимость яркости от глубины подобрана с учетом психофизиологических свойств зрения так, чтобы при оптическом смешивании изображений двух фокусных планов в мультифокальном дисплее достигалась равномерность аккомодационного восприятия. На рис. 12 и 13 проиллюстрированы два фокальных изображения для одного глаза.
Рис. 12. Слева — изображение для дальнего фокусного плана, справа — для ближнего плана. Расстояние до антенн на ближнем плане ~ 1 м
Рис. 13. Точка наблюдения смещена на 2 м назад от предыдущего рисунка
Опытный образец мультифокального стереоскопического наголовного дисплея представлен на
рис. 14.
Внедрение мультифокальных дисплеев с системами быстрого позиционирования позволит существенно расширить область применения тренажерных систем и достичь качественного улучшения в существующих тренажерных системах. Так, в авиационных тренажерах мультифокальный стерео дисплей может быть одновременно использован для формирования зрительных образов внешней визуальной обстановки, универсальных экранных индикаторов и индикаторов на лобовом стекле. За счет совмещения реального и виртуального пространств оператор будет видеть внешнюю обстановку и индикацию на лобовом стекле в месте остекления макета кабины тренажера, а универсальные экранные индикаторы в соответствующих местах макета приборной доски. Каждый из образов будет фокусировать глаза на правильное фокусное расстояние и с правильной конвергенцией, т. е. без конфликта зрительного восприятия.
Опытный образец мультифокального стерео дисплея получил положительную оценку в ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю. А. Гагарина» в качестве перспективной технологии для создания тренажеров вне-корабельной деятельности космонавтов. Другими примерами новых областей применения могут стать авиационные тренажеры дозаправки в воздухе, тренажеры микрохирургии, тренажеры управления (в т. ч. и дистанционного) различными манипуляторами (в частности, манипуляторами орбитальных станций и космических кораблей).
Рис. 14. Опытный образец бифокального стереоскопического наголовного дисплея
Заключение
Несмотря на то, что для взаимодействия человека с окружающим его миром используются все каналы человеческое восприятия, основную роль при построении информационного пространства оператора в тренажерных системах играет зрительный образ. В виду различного назначения тренажеров в каждом конкретном случае к процессу формирования зрительного образа предъявляются разные требования. Эти требования должны быть учтены при создании конкретного тренажера для его эффективного применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кучерявый А. А. Бортовые информационные системы : курс лекций ; под. ред. В. А Мишина, Г. И. Клюева. 2-е изд., перераб. и доп. Ульяновск : УлГТУ, 2004. 504 с.
2. Бартош В. С., Белаго И. В., Лаврентьев М. М., мл., Пахомова Г. Ф., Хабаров В. И. Методология использования технологий виртуальной реальности в тренажерах для работников горочного комплекса // Наука - производству. 2003. № 2 (58). С. 32-34.
3. Евгущенко А. Н., Коновалов Б. В. К оценке информационного потенциала космических визуально-инструментальных методов изучения природной среды Мирового океана // ЦНИИМАШ. 2013. URL: http://knts.tsniimash.ru/ru/src/Mat/Inform_potencial.pdf (дата обращения: 07.09.2015).
4. Итоги 35-й экспедиции на Международную космическую станцию. Роскосмос, 2013. URL: http://www.federalspace.ru/19810/ (дата обращения: 07.09.2015).
5. Лупян Е. А. Лаврова О. Ю., Барталев С. А., Аванесов Г. А., Шарков Е. А., Закутная О. «Дни космической науки 2010» — дистанционное зондирование Земли // Соврем. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 4. С. 319-328.
6. Бартош В. С., Белаго И. В., Дьяков М. С., Кузиковский С. А., Переверзев А. С. Особенности моделирования визуально-инструментальных наблюдений Земли с борта МКС //Автометрия. 2016. № 3 (52). С. 45-52.
7. Бартош В. С., Власов Е. В., Лаврентьев М. М. Многоплановые 3d-дисплеи для дистанционного управления транспортными средствами и манипуляторами // Приборы. 2016 № 11. С. 30-37.
