CC BY
95
УДК 528.94
СОЗДАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕСТНОСТИ И ЗДАНИЙ
Алексей Александрович Колесников
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры картографии и информатики, тел. (913)725-09-28, e-mail: alexeykw@mail.ru
Павел Михайлович Кикин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры прикладной информатики и вычислительных систем, тел. (913)774-09-34, e-mail: it-technologies@yandex.ru
Елена Владимировна Комиссарова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры картографии и геоинформатики, тел. (913)710-85-60, e-mail: komissarova_e@mail.ru
В статье рассматривается способ создания приложений виртуальной реальности на основе существующих трехмерных моделей местности и зданий. Описано использование среды разработки Unity. Указаны способы, используемые при разработках приложений виртуальной реальности лабораторий виртуальной реальности и геоматики СГУГиТ.
Ключевые слова: виртуальная реальность, здания, Unity, трехмерная модель, модель местности.
CREATION OF A VIRTUAL MODELS OF TERRAIN AND BUILDINGS
Alexey A. Kolesnikov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Senior lecturer, Department of Cartography and Geoinformatics, tel. (913)725-09-28, e-mail: alexeykw@mail.ru
Pavel M. Kikin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Senior lecturer of Department of Applied Informatics and Information Systems, tel. (913)774-09-34, e-mail: it-technologies@yandex.ru
Elena V. Komissarova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Assoc. Prof., Department of Cartography and Geoinformatics, tel. (913)710-85-60, e-mail: komissarova_e@mail.ru
The article examines how to create a virtual reality application based on the existing three-dimensional models of the terrain and buildings. We describe the use of Unity development environment.
Key words: virtual reality, buildings, Unity, 3D model, 3D terrain.
Лаборатория виртуальной реальности СГУГиТ занимается созданием и адаптацией трехмерных моделей зданий и местности в приложения, используемые вместе с очками виртуальной реальности. Перед тем как описать процесс создания приложения, рассмотрим, что представляет собой понятие вирта-ульной реальности.
Обычные 3D-картинки на компьютере — это далеко не виртуальная реальность. Да, там есть модели, рендер, освещение и прочее, но вопрос в том, как это воспринимается. Обучение в такой системе не сильно далеко уходит по скорости и полезности от обучения по плакатам. Дело в том, что нет эффекта погружения, ради которого и развивают системы виртуальной реальности.
Научиться по картинкам можно, но это в разы сложнее и дольше, плюс не даёт необходимого эффекта. А в 3D на экране даже нет возможности оценить расстояние до чего-то глазами, не говоря уж о других вещах. А это в симуляции часто очень и очень важно.
Проблема в том, что фильм и управляемая реальность — это две разные вещи. Например, во втором случае есть сценарии, которые могут срабатывать с различной вероятностью, или тренер может вызывать различные развития событий. В иммерсионной системе ВР вы лично делаете всё то, что нужно для, например, эвакуации. Бежите в нужную сторону, работаете с нужными приборами и инструментами, в конце концов получаете мгновенную обратную связь при совершении ошибок. Это как игра, которую хочется пройти, но в которой при этом есть свобода действий. Естественно, игры обучают куда лучше, чем фильмы.
Тесты показали, что по фильму последовательность действий запоминается очень слабо. Фильм — это хорошо, но для настоящего обучения нужны системы, где человек делает всё сам.
Третья проблема в том, что в момент понимания того, зачем же всё-таки нужна виртуальная реальность, решают остановиться на стереосистеме с обычными органами управления. Например, мышкой и клавиатурой. Ощущения, конечно, уже лучше. Клавиатура и мышка — это барьер, который мешает перейти от режима симуляции к режиму, когда выпрямившись во весь рост, натурально ходите по объекту и запоминаете все действия кинестетически, а не визуально. То есть переход от визуальной памяти к механической, моторике. А последнее -именно то, что нужно для обучения. Чего нет в моторике, то будет сразу позабыто при первых нестандартных ситуациях или неправильно сделано или не вовремя. Или человек будет мучительно раздумывать перед каждым шагом, переводя логический опыт в практические движения.
Сидение за компьютером и щелканье мышкой не даёт полного впечатления. Вместо механической памяти (что куда кликать) появляется память о том, что и как делать, на каком расстоянии в реальном масштабе какой объект от другого расположен.
Мировая практика показала, что отработка сценариев в среде виртуальной реальности — один из лучших способов передать критические знания от старшего поколения к молодому. Старый опытный преподаватель заходит с моло-
дым на объект и показывает, что есть что. А потом запускает один из сценариев и смотрит, что как, комментирует. Обучение проходит быстро, и процесс передачи знания становится более веселым и действенным.
Вот типовые плюсы-минусы комнат виртуальной реальности и шлемов (Head mounted displays):
- Комнаты дороже, шлемы существенно дешевле.
- Для комнат нужно специальное помещение, для шлемов — нет.
- Комнату тяжелее перевозить с места на место, шлем — легче.
- Шлемы дают низкое разрешение, комнаты — высокое.
- В комнатах есть совместная работа над объектом (обучаемый и наставник в одном физическом помещении и наставник может чуть ли не вести за руку ученика). В шлемах такого нет.
- В комнатах есть возможность свободно перемещаться, что резко увеличивает полезную механическую память. В шлемах — только крутить головой.
- В комнатах моделируется открытая среда, в шлемах — всегда туннель зрения.
- Комнаты снабжаются точными датчиками положения объектов внутри, шлемы чаще всего полагаются на акселерометры с высокими погрешностями. Отсюда — разница в интерактивности и точности действий.
- Шлемы дают ощущение головокружения и замкнутого пространства, комнаты — нет.
- Текущие шлемы сильно ограничены по функциональности и производительности, узкое место комнат — контроллер (ноутбук или кластер), что позволяет использовать их годами под разные проекты.
- Комнаты занимают существенно больше места при хранении, шлемы легко убираются на склад.
Виртуальная реальность — это слаженно работающий набор систем контента, проектора, очков, синхронизатора для мерцания очков и контроллера (мощного компьютера или кластера). Правильно собранная система ВР позволяет получить на объектах повышенной ответственности главное — научить персонал мгновенно принимать решения в случае чрезвычайной ситуации. На ряде промышленных объектов разница в 3-5 секунд может оказаться решающей и стоить даже не пару миллионов долларов (стоимость оборудования), а десятки человеческих жизней. Вот почему всё то, что позволяет максимально точно перенести опыт аварийной ситуации, заслуживает внимания.
Кроме самого понятия виртуальной реальности важно рассмотреть устройства, с помощью которых она создается.
Oculus Rift.
Один из первых современных шлемов VR, разработка которого началась еще в 2011 году. Было выпущено две версии шлема для разработчиков, а окончательная версия для пользователей будет доступна в 2016 году. Наиболее важными техническими характеристиками являются: OLED экран, разрешение 2160 на 1200 (1080 на 1200 точек на каждый глаз), частота обновлений 90 Гц,
возможность использовать шлем людям, которые носят очки, инфракрасные датчики, внешняя камера для обеспечения более точного определения положения пользователя в пространстве, съёмные наушники.
HTC RE Vive.
Разработка Valve. Отличительными особенностями являются: разрешение 1080x1200 для каждого глаза, частотой обновления 90 герц, гироскоп MEMS, акселерометр, лазерные датчики позиционирования, OpenVR SDK, созданный для разработки и поддержки оборудования SteamVR. Полная поддержка SteamVR заявлена у Unity и Unreal Engine 4.8.
Razer OSVR.
Название данного устройства - аббревиатура от Open Source Virtual Reality, указывая на полную открытость кода и аппаратных решений. Аппаратная и программная платформа созданы в сотрудничестве с Nod Labs, Sixense, Leap Motion, Gearbox Software, Sensics. Шлем может взаимодействовать со специальным кольцом от Nod Labs для управления жестами с функцией отслеживания положения тела. Определение положения в пространстве и управление жестами реализовано с помощью устройства захвата движений от Leap Motion.
Платформа OSVR совместима с другими шлемами виртуальной реальности, например, Oculus DK 2. Заявлена поддержка движками Unity 3D и Unreal Engine 4.
Microsoft HoloLens.
HoloLens - это не шлем виртуальной реальности, а очки дополненной реальности. Все вычисления и обработка графики происходят в самих очках, и потому вам не всегда нужны другие устройства для их работы, но, чтобы выводить картинку из ресурсоемкой игры, вам понадобится ПК. Работать с HoloLens будут все устройства с ОС Windows 10, в том числе смартфоны и Xbox One. Точные технические характеристики очков пока не были опубликованы.
Samsung Gear VR.
Устройство виртуальной реальности, созданный в сотрудничестве с Oculus VR. В отличии от Oculus Rift, Gear VR автономен, и использует смартфоны Samsung Galaxy S6 и Galaxy S6 Edge для вывода изображения и звука, вычислений. В оснащение входит разъем USB, акселерометр, гироскоп и датчик приближения для определения положения гарнитуры. Приложения и игры можно получить в Oculus Store.
Google Cardboard.
Эксперимент компании Google в области виртуальной реальности, в основе которого лежит шлем, который, по замыслу разработчиков, можно собрать из подручных материалов. Проект был впервые представлен на конференции Google I/O 2014.
Проект представляет собой симуляцию виртуальной реальности при помощи шлема, собранного по специальной схеме из картона, оптических линз, магнита и застёжек-липучек, а также вставленного в него смартфона на операционной системе Android или iOS с заранее установленным приложением.
В Google Play теперь есть специальный раздел, где собраны приложения, совместимые с Cardboard. Кроме того, проект обзавелся полноценным инструментарием разработчика (SDK) для Android и Unity, что должно позволить желающим энтузиастам создавать собственные приложения под Cardboard и улучшать в них функции рендеринга и отслеживания положения головы.
В рамках мастерской проектов СГУГиТ ведется разработка нескольких типов приложений виртуальной реальности. Все они в качестве основного компонента используют очки виртуальной реальности Fibrum. Ведется разработка полностью виртуальной и работающей в режиме дополненной реальности моделей университета, системы управления роботом с использованием очков виртуальной реальности, виртуальных туров по достопримечательностям, системы indoor навигации с элементами виртуальной реальности.
В текущем варианте процесс создания виртуальной модели объектов состоит из следующих этапов:
- создание трехмерных моделей отдельных объектов в редакторе трехмерной графики (в основном используется 3Ds MAX);
- проверка модели на корректность и экспорт в формат fbx;
- создание сцены в среде разработки Unity;
- импорт моделей и текстур отдельных объектов из формата fbx;
- расстановка объектов в сцене;
- добавление интерактивности объектам сцены;
- установка и настройка камеры для очков виртуальной реальности;
- создание apk файла для смартфона.
На данный момент созданы пробные модели для отображения отдельных комнат университета.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. GeekTimes, статья «Виртуальная реальность — 10 способов перемещения, не вызывающих дискомфорт» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://geektimes.ru/post/271612/
2. Habrahabr, статья «Виртуальная реальность для разработчиков» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://habrahabr.ru/company/neuronspace/blog/264169/
© А. А. Колесников, П. М. Кикин, Е. В. Комиссарова, 2016
