Дополненная и виртуальная реальность¶

AR (дополненная реальность) и VR (виртуальная реальность) — технологии взаимодействия человека с цифровыми данными, которые различаются степенью погружения в синтезированную среду. Дополненная реальность накладывает виртуальные объекты на реальное окружение пользователя в режиме реального времени, тогда как виртуальная реальность полностью замещает физическое пространство искусственно сгенерированной трёхмерной средой. Обе технологии активно развиваются с 2010-х годов и применяются в игровой индустрии, образовании, медицине, промышленности и военном деле.

¶Определение и принципиальные различия

Ключевое различие между AR и VR заключается в соотношении реального и виртуального компонентов. В системах дополненной реальности пользователь сохраняет визуальный контакт с физическим миром, поверх которого отображаются цифровые элементы — текст, графика, 3D-модели. Виртуальная реальность, напротив, изолирует пользователя от внешней среды, полностью заменяя её компьютерной симуляцией.

Существует также смешанная реальность (MR), которая объединяет элементы обоих подходов: виртуальные объекты не только отображаются поверх реальности, но и взаимодействуют с ней, учитывая геометрию помещения, освещение и физические свойства поверхностей.

¶История развития

Предпосылки создания технологий виртуальной реальности возникли в середине XX века. В 1950-х годах кинематографист Мортон Хейлиг разработал прототип сенсорного кинотеатра Sensorama, который сочетал стереоскопическое видео, звук, запахи и вибрацию. В 1968 году Иван Сазерленд создал первый шлем виртуальной реальности, получивший название «Дамоклов меч», — устройство было настолько тяжёлым, что крепилось к потолку.

Термин «виртуальная реальность» популяризировал в 1980-х годах программист Джарон Ланье, основатель компании VPL Research. В тот же период корпорация NASA использовала VR-технологии для тренировки астронавтов, а компания Sega и Nintendo предприняли попытки выпуска домашних VR-устройств, которые, однако, не имели коммерческого успеха из-за технических ограничений.

Современный этап развития начался в 2012 году, когда компания Oculus VR представила прототип шлема Oculus Rift. После приобретения Oculus компанией Facebook (организация Meta признана экстремистской и запрещена в РФ) в 2014 году началась активная гонка VR-производителей. В 2016 году вышли потребительские версии устройств HTC Vive, PlayStation VR и Oculus Rift, что ознаменовало начало массового распространения технологий.

Технологии дополненной реальности развивались параллельно. Первые коммерческие AR-приложения появились в конце 2000-х годов с распространением смартфонов. В 2016 году игра Pokémon GO стала первым массовым AR-проектом, собравшим более 500 миллионов загрузок. В 2017 году компания Apple представила платформу ARKit для разработчиков, а Google — аналогичную ARCore.

¶Технические средства

¶Оборудование для виртуальной реальности

Основным устройством VR является шлем (гарнитура), который представляет собой дисплей, закреплённый на голове пользователя. Современные шлемы используют два дисплея с высоким разрешением (от 4K на оба глаза) и частотой обновления не менее 90 Гц для снижения утомляемости глаз. Для отслеживания положения головы применяются гироскопы, акселерометры и внешние камеры.

Контроллеры движений позволяют пользователю взаимодействовать с виртуальным пространством руками. Системы отслеживания положения в пространстве (room-scale) используют внешние базовые станции с лазерными маячками или внутренние камеры шлема для определения перемещения пользователя по комнате.

Дополнительное оборудование включает VR-перчатки с тактильной обратной связью, беговые дорожки для имитации ходьбы, устройства с имитацией запахов и температурных ощущений.

¶Оборудование для дополненной реальности

AR-устройства делятся на три категории:

• Мобильные устройства — смартфоны и планшеты, использующие камеру и экран для отображения виртуальных объектов поверх реального изображения.
• Очки дополненной реальности — носимые устройства с полупрозрачными линзами, на которые проецируется цифровая информация. Наиболее известные примеры — Google Glass, Microsoft HoloLens, Magic Leap.
• Проекционные системы — стационарные установки, проецирующие изображения на реальные объекты или поверхности.

¶Классификация и технологии

¶Виды виртуальной реальности

По степени погружения различают:

• Неиммерсивную VR — использование обычного монитора для отображения трёхмерного пространства (например, компьютерные игры с поддержкой 3D-графики).
• Полуиммерсивную VR — использование широкоформатных проекционных экранов, часто применяется в тренажёрах.
• Полностью иммерсивную VR — использование шлемов с полным перекрытием поля зрения и отслеживанием движений.

¶Виды дополненной реальности

По способу отображения информации AR делится на:

• Маркерную — требует наличия специальных меток (QR-кодов, графических паттернов), при распознавании которых отображается виртуальный контент.
• Безмаркерную — использует алгоритмы компьютерного зрения для распознавания объектов реального мира без специальных меток.
• Проекционную — проецирует световые изображения на физические объекты.

¶Применение

¶Игровая индустрия

Игры являются крупнейшим сегментом рынка VR и AR. Виртуальная реальность предоставляет игроку эффект полного присутствия, что особенно востребовано в симуляторах, шутерах и хоррорах. Дополненная реальность в играх позволяет совмещать игровой процесс с реальным окружением — ярким примером служит Pokémon GO.

¶Образование

VR-технологии применяются для виртуальных лабораторных работ, исторических реконструкций, изучения анатомии и химии. AR используется в школьных учебниках для визуализации трёхмерных моделей, а также в профессиональном обучении — например, для отработки навыков сборки оборудования на производстве.

¶Медицина

Хирурги используют VR-симуляторы для отработки операций, а AR-системы — для наложения медицинских изображений (КТ, МРТ) на тело пациента во время операции. Виртуальная реальность применяется для реабилитации пациентов после инсульта, лечения фобий и посттравматического стрессового расстройства.

¶Промышленность и проектирование

Инженеры используют VR для проверки эргономики и сборки изделий на этапе проектирования без создания физических прототипов. AR применяется для отображения инструкций по сборке, контроля качества и удалённой технической поддержки.

¶Военная сфера

Виртуальная реальность используется для тренировки пилотов, водителей бронетехники и стрелков. AR-системы применяются в боевых шлемах для отображения тактической информации на поле боя.

¶Розничная торговля и маркетинг

AR-приложения позволяют покупателям «примерить» одежду, мебель и косметику перед покупкой. Технология используется для виртуальных примерочных, навигации в магазинах и интерактивных рекламных кампаний.

¶Ограничения и проблемы

Основными техническими ограничениями VR являются высокая стоимость оборудования, необходимость мощных вычислительных систем и проблема «укачивания» — дискомфорта, возникающего при расхождении вестибулярных ощущений и визуальных сигналов. Учёные также исследуют влияние длительного использования VR на зрение и психику.

Для AR-технологий характерны проблемы с точностью отслеживания объектов, ограниченный угол обзора и высокая энергопотребность устройств. Носимые AR-устройства, такие как Google Glass, вызывали вопросы конфиденциальности из-за возможности скрытой видеозаписи.

¶Перспективы развития

Ожидается, что дальнейшее развитие технологий будет связано с миниатюризацией оборудования, повышением разрешения дисплеев и совершенствованием алгоритмов отслеживания. Развитие облачных вычислений и сетей 5G позволит перенести обработку данных с локальных устройств на серверы, что снизит стоимость оборудования.

Значительный потенциал имеет развитие смешанной реальности, которая объединяет преимущества AR и VR. Технологии рассматриваются как перспективный инструмент для развития метавселенных — устойчивых виртуальных пространств для общения, работы и развлечений.

¶Источники

• Бердников И. А. Виртуальная и дополненная реальность: технологии, устройства, применение. — М., 2020.
• Ланина Э. П. Дополненная реальность: современные подходы и перспективы. — СПб., 2021.
• Sherman W. R., Craig A. B. Understanding Virtual Reality: Interface, Application, and Design. — Morgan Kaufmann, 2018.
• Статьи журнала IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics за 2019–2023 годы.