statia3

Авторы: В.В. Бохонко, И.А. Щур, В.И. Ивченко, О.Н. Мойсей, А.А. Константинова

В статье рассмотрены современные и активно развивающиеся виды расширенной реальности (XR) – виртуальная (VR) и дополненная реальность (AR). Описана краткая история развития устройств расширенной реальности. Проведен обзор используемых устройств и современного программного обеспечения технологий виртуальной и дополненной реальности. Выявлены основные преимущества и недостатки VR/AR технологий, рассмотрены их особенности, сферы применения, а также перспективы их развития. Рассмотрены вопросы применения VR/AR технологий в промышленном дизайне при выполнении анализа стилистических и цветографических решений, пластики формы, проверки эргономических параметров проектируемых объектов машиностроения, представления презентаций дизайн-проектов в виртуальной среде и др. Раскрыты возможности использования VR/AR технологий для усовершенствования и развития рабочего процесса в промышленном дизайне.

Введение.

С развитием компьютерных технологий и расширением сфер их применения постоянно разрабатываются и внедряются новые цифровые системы для улучшения взаимодействия человека с компьютерной средой. К таким системам можно отнести комплекс технологий расширенной реальности, позволяющих в той или иной степени погружать человека в мир, созданный компьютерными средствами. Данные технологии используются в таких сферах, как игровая индустрия, маркетинг, образование, медицина, промышленность и др. При этом применение технологий расширенной реальности зачастую предусматривает необходимость выполнения работ по дизайну. В промышленности технологии расширенной реальности могут эффективно применяться на разных стадиях жизненного цикла продукции – от начальных, предусматривающих формирование дизайн-идеи, до этапов разработки конструкции, изготовления, продвижения на рынке, обслуживания и утилизации.

Одной из относительно новых сфер применения указанных технологий является промышленный дизайн, где они открывают новые возможности для визуализации разрабатываемых проектов и совершенствования процесса проектирования промышленных объектов в виртуальной среде [1]. Преимущества новых технологий позволяют разработчикам отказаться от натурного макетирования и прототипирования новых образцов техники.

С учетом изложенного очевидно, что для максимально эффективного практического использования технологий расширенной реальности важно располагать информацией по особенностям применения существующих программно-аппаратных средств, ориентироваться в возможностях различных видов расширенной реальности, а также постоянно отслеживать актуальные тенденций их развития.

Расширенная реальность, краткая история развития.

Расширенная реальность (англ. Extended Reality, XR) — это термин, который включает в себя виртуальную реальность, дополненную реальность и другие иммерсивные (от англ. immersive — «создающий эффект присутствия, погружения») технологии. XR является одним из средств взаимодействия человека с искусственной компьютерной средой, а также освоения информации и работы с цифровыми технологиями. Основными видами расширенной реальности являются виртуальная и дополненная реальность [2].

Виртуальная реальность (англ. Virtual Reality, VR) — это трехмерный компьютерный мир, взаимодействующий с человеком при помощи иммерсивных устройств — шлемов, перчаток, наушников и др. [3]. Виртуальная среда заменяет реальный мир, не реагируя на его изменения, при этом пользователь может воздействовать на эту среду [4].

Дополненная реальность (англ. Augmented Reality, AR) – среда с прямым или косвенным дополнением физического мира цифровыми данными в режиме реального времени при помощи компьютерных устройств с целью увеличения степени восприятия информации [5]. AR дополняет реальный мир, внося в него элементы искусственного, в то время как мир виртуальной реальности полностью искусственно созданный.

До эры компьютерных технологий осуществлялись попытки создания объемного изображения при помощи простых физических устройств. С появлением электронного оборудования открылись возможности для создания более сложных устройств XR. Далее описана краткая история развития технологий XR от первых простейших устройств до современных сложных компьютерных систем [6].

В 1837 г. английский физик Чарльз Уитстон создал первый прообраз виртуальной реальности - стереоскоп. Это устройство, где два плоских изображения, при просмотре человеком под определённым углом создавали эффект объемной картинки. В 1960-е г. американский компьютерный художник Майрон Крюгер ввел понятие «Искусственная реальность». В 1962 г. появилась первая система виртуальной реальности - прототип мультисенсорного симулятора «Сенсорама», разработанная американским изобретателем Мортоном Хейлигом. Сенсорама погружала зрителя в виртуальную реальность при помощи коротких фильмов, которые сопровождались запахами, ветром и звуками (рисунок 1). В 1967 г. американский учёный Айвен Сазерленд сконструировал первый шлем, на который изображение генерировалось при помощи компьютера. В 1977 г. в Массачусетском Технологическом Институте реализован новый вариант виртуальной реальности – «Кинокарта Аспена», в которой можно было прогуляться по городу Аспену и выбирать разные способы отображения объектов. В 1984 г. компания VPL Research представила видеошлем EyePhone и перчатки DataGlove – прототипы современных виртуальных систем, с помощью которых стало возможным взаимодействие с трехмерными виртульными/цифровыми объектами (рисунок 2). В 1989 г. американский исследователь Джарон Ланье ввёл термин «Виртуальная реальность».

В 2013 г. представлены одни из первых современных очков виртуальной реальности Oculus Rift DK1, а также гарнитура дополненной реальности Google Glass для смартфонов на базе Android.

В 2015 г. представлен шлем виртуальной реальности HTC Vive. В 2016 г. компанией Microsoft выпущены очки смешанной реальности Microsoft HoloLens.

Из приведенного краткого обзора истории развития XR-технологий видно, что в последние годы они получили активное развитие, особенно в части создания новых программно-аппаратных средств. Это, в свою очередь, сделало их доступными для массового потребителя.

Технологии расширенной реальности.

Ввиду стремительного развития технологий XR и увеличения количества сфер их применения постоянно появляются новые виды технологий связанных с расширенной реальностью, корректируются существующие и вводятся новые термины, определяющие их актуальное состояние. Под XR в основном подразумеваются различные виды искусственной реальности, созданные при участии цифровых технологий. Основными технологиями XR являются VR и AR. Помимо VR и AR существуют и другие виды XR – технологии производные от VR и AR: смешанная реальность (MR), дополненная виртуальность (АV), Х-реальность (X Reality или XR), визуально-тактильная смешанная реальность (VHMR), 360-градусные видеоролики (360 VR), замещенная реальность (SR) и др. При этом указанные технологии на данный момент получили меньшее распространение по сравнению с VR и AR. [7]. Для обеспечения взаимодействия человека c VR/AR используются специализированные программные и аппаратные средства.

С целью погружения в смоделированный мир VR наиболее часто используются шлемы виртуальной реальности или мобильные гарнитуры (шлемы со съемными мобильными устройствами) (рисунок 3), а также другие устройства, обеспечивающие взаимодействие человека с создаваемой виртуальной средой путём воздействия на его органы чувств (контроллеры, костюмы, ножные устройства, стационарные компьютеры, мобильные устройства и др.). Аппаратные средства виртуальной реальности для решения профессиональных задач могут быть представлены следующими программно-аппаратными средствами: шлем виртуальной реальности (HTC Vive, Oculus Rift, Lenovo Explorer, Sony PlayStation VR и т.п.); базовые станции отслеживания положения пользователя в пространстве и стойки-штативы для них (в зависимости от комплектации); джойстики (манипуляторы-контроллеры); адаптеры питания; коммуникационный модуль для подключения к компьютеру.

В шлеме VR перед глазами пользователя расположены два дисплея, лицевая накладка защищает от попадания внешнего света, могут быть встроены стереонаушники, акселерометры и датчики положения. На дисплеях транслируются смещенные друг относительно друга стереоскопические изображения, обеспечивающие пользователю реалистичное восприятие виртуальной среды. Наиболее простые шлемы в качестве дисплея используют смартфон.

Дополнительные устройства, такие как перчатки, позволяют распознавать движения пальцев и рук человека, и при помощи жестов манипулировать объектами и средой цифрового мира. Для считывания данных о позиционировании человека в VR-пространстве и обратной тактильной связи могут применяться специальные костюмы, а с целью создания дополнительных возможностей для свободного перемещения пользователя – специальные ножные устройства.

Профессиональная работа с VR требует применения компьютерной техники высокой производительности, что обеспечивает работу аппаратных средств на оптимальных режимах с максимальной реализацией возможностей применяемых программных продуктов в рамках VR-проектов различной сложности.

В зависимости от решаемых задач, пользователь может воздействовать на объекты виртуального мира в согласии с законами физического мира (гравитация, столкновение с предметами, свойства материалов и т.п.) или сознательно отступать от них (например: летать, создавать любые предметы, свободно манипулировать объектами и т.п.). На данный момент относительно эффективно отработано воздействие программно-аппаратных средств VR на зрение и слух пользователя, ведутся работы по созданию и оптимизации работы перчаток, костюмов и аналогичных устройств, обеспечивающих тактильную связь с объектами виртуальной среды.

В AR осуществляется проецирование любой цифровой информации (изображение, видео, текст, графика и т.п.) через мобильные устройства или специальные очки (рисунок 4). Технология AR дает возможность пользователю дополнить реальный мир цифровыми 2D и 3D объектами, искусственными элементами и иной дополнительной информацией поверх изображения с камеры. AR может быть реализована с помощью приложений для обычных смартфонов и планшетов, очков дополненной реальности, стационарных экранов, проекционных устройств и других аналогичных компьютерных средств.

Устройства AR, имея встроенные датчики и камеры, при помощи технологии компьютерного зрения (область искусственного интеллекта, связанная с анализом изображений и видео) позволяют анализировать пространство вокруг пользователя, формировать карту пространства для ориентирования в ней. Полученные данные потом используются для наложения цифровых изображений поверх реальной среды.

В AR-проектах используются такие устройства как очки (Google Glass, ODG R-7 HL, Vuzix M300 и др.), мобильные устройства (смартфоны, планшеты), проекционные системы, интерактивные стенды и киоски. Наиболее доступными и практичными техническими средствами для демонстрации технологии AR являются мобильные устройства с установленным специализированным программным обеспечением – так называемыми приложениями [8].

Рисунок 4 – Устройства для AR

В настоящее время имеется широкий выбор универсальных программных средств для разработки и демонстрации VR/AR-проектов, таких как Unity, Unreal Engine, Amazon Sumerian. Также существует ряд программ применяемых исключительно для демонстрации VR или AR-проектов. Для художников и дизайнеров разработаны специализированные программы для рисования и прототипирования (Gravity Sketch, Tilt Brush, Oculus Medium). Такие приложения совмещают в себе преимущества 2D графики и 3D моделирования, позволяя реализовать любую идею в виртуальном пространстве. Помимо создания возможностей для реализации творческого потенциала дизайнера они создают базу для последующего параметрического моделирования изделия [9].

Процесс создания контента для VR/AR-проектов принципиально схож, но формируется под выбранный способ подачи информации [9]. Как и любые другие цифровые технологии, технологии VR/AR имеют ряд преимуществ и недостатков, которые следует учитывать при их выборе для практического использования. Основные преимущества и недостатки VR/AR-технологий представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные преимущества и недостатки VR/AR-технологий

Среди общих недостатков можно отметить относительную дороговизну устройств, применяемых для профессиональной работы в XR, вероятность негативного влияния на вестибулярный аппарат человека, вызывающего дезориентацию и ухудшающего его самочувствие, при использовании шлемов и очков, а также недостаточное качество визуализации для полноценного восприятия виртуальной среды.

Из проведенного анализа видно, что для перехода рассматриваемых технологий на новый уровень развития необходимо устранение всех выявленных недостатков в комплексе, т.к. каждый из них является достаточно существенным.

Сферы применения VR/AR. Применение в промышленном дизайне.

В настоящее время технологии XR нашли применение в различных областях деятельности: в здравоохранении, образовании, промышленности, архитектуре, в рекламной, развлекательной и туристической индустриях и др. [10].

Наибольший спрос на XR технологии исходит от отраслей креативной экономики (секторы экономики, которые целиком основаны на интеллектуальной деятельности), в частности: игровой индустрии, сферы образования и маркетинга.

Развитие XR технологий идет в контексте общей идеологии цифровизации окружающего пространства, благодаря чему человек оказывается полностью готов к их восприятию. Параллельно идет формирование новой области деятельности в сфере информационных технологий (IT), связанной с разработкой и продвижением виртуального контента.

Благодаря наличию разнообразного оборудования, от любительского до профессионального, технологии VR/AR стали доступными для применения, как в массовых, так и в узко специализированных сегментах. Доступность технологий для использования на бытовом уровне создает все предпосылки для дальнейшего распространения их на рынке и еще большей популяризации. В профессиональных сферах применения технологий XR ведется поиск и наработка методических приемов по их встраиванию в процессы решения прикладных задач [11].

Как показывает опыт, внедрение технологий XR в промышленности позволяет повышать технический уровень выпускаемой продукции, упрощать и оптимизировать рабочие процессы, повышать уровень подготовки кадров [12]. В автомобилестроении производители используют технологии XR для расширения функционала, связанного с управлением автомобиля, а также для вывода наиболее важных данных для водителя (например: проекция информации на лобовое стекло).

В последние несколько лет происходит активная интеграция XR в процесс промышленного дизайн-проектирования, где технологии VR/AR находят применение как инструмент для визуализации разрабатываемых объектов в виртуальной среде для изучения особенностей восприятия формы, пропорций, масштаба, оценки эргономических параметров, а также для создания симуляции взаимодействия с компонентами объекта (рисунок 5). Такой подход дает возможность оценить объект проектирования, выявить недостатки и произвести необходимые доработки на самых ранних этапах его создания [13].

Рисунок 5 – Оценка эргономики автомобиля

Виртуальная реальность позволяет создавать реалистичные визуализации прототипов автомобилей и других промышленных объектов в натуральную величину и, благодаря этому, минимизировать число полноразмерных физических макетов или полностью отказаться от их создания. В виртуальной симуляции дизайнер параллельно может работать один или вместе с командой других специалистов, по месту вносить правки и заметки, консультируясь при этом с инженерами и другими дизайнерами, использующими устройства XR.

Технологии VR/AR применяются на следующих этапах дизайн-проектирования: создание и проработка композиционно-пластических решений, анализ цветографических решений и формы, проверка эргономических параметров, финальная визуализация и создание интерактивной презентации дизайн-проекта [14].

В Объединенном институте машиностроения НАН Беларуси при выполнении дизайнерских и конструкторских работ широко применяются инструменты VR от стадии поискового 3D-моделирования и формирования основной концепции объекта до визуализации итоговой модели в виртуальном пространстве. На рисунке 6 представлены работы, в которых были с применением технологий VR выполнены: поиск и анализ стилистических и цветографических решений, пластики формы, проверка эргономических параметров, презентация дизайн-проекта и др.

Рисунок 6 – Применение VR в промышленном дизайне.

Применение в промышленном дизайне технологий XR позволяет в виртуальном пространстве в натуральную величину воплотить концепцию создаваемого объекта, а также воссоздать условия среды аналогичные условиям его реальной среды эксплуатации. Виртуальное пространство позволяет пользователю перемещаться вокруг объекта или внутри него, подробно рассмотреть форму и отдельные детали, изучить реальные пропорции и восприятие объекта в среде эксплуатации (реальной или виртуальной). В XR можно сравнивать между собой различные варианты дизайн-предложений, проводить при необходимости сравнение с другими объектами.

Перспективы развития технологий VR/AR.

По мнению аналитиков ведущих консалтинговых компаний VR и AR технологии в ближайшие 10 лет будут одними из основных драйверов в развитии мирового рынка IT и кардинальным образом повлияют на многие сферы жизни людей. Аналитические компании, такие как Gartner, Goldman Sachs, IDC прогнозируют значительный рост инвестиций направленных на развитие технологий VR/AR [15, 16].

По оценкам компании Goldman Sachs, занимающейся глобальными инвестиционными исследованиями, прогнозируется, что к 2025 году рынок VR/AR-технологий может составить 95 млрд. долларов США, а при оптимистичном сценарии развития – 182 млрд. долларов США [17].

Можно прогнозировать, что в ближайшие годы ускоренными темпами будут развиваться направления создания нового программного обеспечения XR технологий, а также формироваться отрасль разработки виртуального контента. С появлением новых приложений XR будет возникать необходимость в совершенствовании или адаптации старых устройств, а с разработкой новых систем и устройств, соответственно, расширяться возможности для взаимодействия человека с виртуальной средой.

Перспективы развития технологий VR и AR [18,19]:

- эргономика устройств улучшится, громоздкие шлемы заменят компактные и портативные устройства;
- расширится функционал управления устройствами VR/AR за счёт управления голосовыми командами или жестами;
- существенно улучшатся параметры отображения цифровой среды и таким образом уменьшатся или полностью пропадут различия между виртуальной и реальной средой;
- появится возможность настройки и адаптации устройств под индивидуальные особенности каждого пользователя, что исключит или минимизирует повышенную утомляемость и дезориентацию в пространстве;
- расширятся возможности имитации ощущений прикосновения, запаха и других аспектов восприятия в VR, схожих с физическим миром;
- сферы применения XR технологий расширятся, произойдет их постепенная интеграция в повседневную жизнь.
- в промышленности и дизайне VR/AR придут на смену существующим методам проектирования.

Заключение.

В данной статье были рассмотрены основные тенденции развития расширенной реальности, наиболее распространенные сферы применения технологий виртуальной и дополненной реальности. Проведен обзор истории развития устройств расширенной реальности, определены основные виды современных программно-аппаратных средств виртуальной и дополненной реальности, выявлены основные преимущества и недостатки указанных технологий, а также перспективы их развития. Развитие технологий расширенной реальности является неотъемлемой частью общего процесса цифровизации окружающего пространства. Технологии расширенной реальности являются прогрессивными активно развивающимися цифровыми технологиями и уже нашли свои ниши во многих профессиональных сферах применения, в том числе в промышленном дизайне. В массовом сегменте они наиболее востребованы в индустрии развлечений, сфере образования и маркетинге. Виртуальная и дополненная реальность предоставляют новые возможности для реализации проектов в промышленном дизайне. В частности, технологии VR дополняют процесс дизайн-проектирования, позволяя дизайнеру взаимодействовать с виртуальной средой, непосредственно с самим объектом проектирования и совершать действия, аналогичные совершаемым в реальном мире. Использование технологий расширенной реальности позволяет ускорить и удешевить реализацию технически сложных концептуальных проектов, а также повысить потребительские свойства разрабатываемых изделий. В перспективе технологии VR/AR способны полностью заменить собой классические средства разработки дизайна, т.е. все этапы разработки (исследование, эскизный поиск, моделирование и др.) будут выполняться в виртуальной или дополненной реальности.

В Объединенном институте машиностроения НАН Беларуси имеется положительный опыт применения технологии виртуальной реальности при разработке новых образцов колесной техники и машиностроительного оборудования, ведется наработка методологической базы внедрения технологий виртуальной реальности в процесс проектирования.

Список используемых источников:

1. Петрухина, О.В. Графический дизайн и виртуальная среда: реальность и перспективы // Философия и культура. – 2019. – № 1. – С. 13 - 19.
2. What is AR, VR, MR, XR, 360? [Electronic resource] https://unity.com/ – Mode of access: https://unity.com/how-to/what-is-xr-glossary – Date of access: 02.09.2021.
3. Virtual Reality (VR) /[Electronic resource] –Gartner Glossary– Mode of access: https://www.gartner.com/en/information-technology/glossary/vr-virtual-reality – Date of access: 02.09.2021.
4. Ситникова, Е. С. Виртуальная и дополненная реальность: соотношение понятий / Е.С. Ситникова, Т. А. Кутенева // Стратегии развития социальных общностей, институтов и территорий : материалы IV Международной научно-практической конференции, Екатеринбург, 23-24 апреля 2018 г. : в 2-х т. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. — Т. 1. — С. 298-302.
5. Маслов, А.А. Дополненная реальность: разработки, применение, будущее /Маслов А.А., Шеленок Е.А. // сборник научных трудов Информационные технологии в автоматике, электронике и измерительной технике. – 2014 . – с. 116-120.
History of VR - Timeline of Events and Tech Development /[Electronic resource] - August 06, 2019 / Dom Barnard // – Mode of access: https://virtualspeech.com/blog/history-of-vr?ref=footer. – Date of access: 16.09.2021.
6. Дополненная, виртуальная и прочие реальности / Технологии и Инновации [Электронный ресурс]. – 2018. – Режим доступа: https://www.it.ua/ru/knowledge-base/technology-innovation/dopolnennaja-virtualnaja-i-prochie-realnosti - Дата доступа: 02.09.2021.
7. Augmented Reality (AR) Trends: The Past, Present & Future Predictions For 2021 Sanjay Ratnottar / [Electronic resource] - Feb 15, 2019. – Mode of access: https://towardsdatascience.com/augmented-reality-ar-trends-the-past-present-future-predictions-for-2019-8e1148345304 – Date of access: 16.09.2021.
8. Damla Şahin Augmented reality applications in product design process/ Damla Şahin , Abdullah Togay//Global Journal on Humanites & Social Sciences, Issue 3 ,2016. –р. 115-125.
9. Яковлев, Б.С. Классификация и перспективные направления использования технологии дополненной реальности / Б.С. Яковлев, С.И. Пустов //научный журнал Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 3. – с. 484-492.
10. Mafalda, Teles Roxo Augmented Reality Trends to the Field of Business and Economics: A Review of 20 years of Research/ Mafalda Teles Roxo, Pedro Quelhas Brito // Asian Journal of Business Research, Volume 8, Issue 2, 2018. – р. 94-117.
11. Augmented Reality Everywhere/ Corinna E. Lathan, Andrew Maynard// [Electronic resource] – September 14, 2018 – Mode of access: https://www.scientificamerican.com/article/augmented-reality-everywhere/– Date of access 03.09.2021.
12. Lawson, G. The future of Virtual Reality in the automotive industry [Electronic resource]. / Glyn Lawson, Davide Salanitri, Brian Waterfield //VR Processes in the Automotive Industry– 17th International Conference, HCI International 2015At: Los Angeles, CA. – Mode of access: https://www.researchgate.net/publication/282076636_VR_Processes_in_the_Automotive_Industry/ – Date of access: 12.09.2021.
13. Netto, Antonio V. Perspectives of virtual reality for the automotive industry[Electronic resource]. / Antonio V. Netto, Arnaldo М. Penachio, Anésio T. Anitelle// Virtual Reality Technology for the Automotive Engineering Area– Conference: SAE Brasil 2002 Congress and Exhibit. – Mode of access: https://www.researchgate.net/publication/296643596_Virtual_Reality_Technology_for_the_Automotive_Engineering_Area – Date of access: 12.09.2021.
14. Иванова, А. В. Технологии виртуальной и дополненной реальности: возможности и препятствия применения/ А.В. Иванова // журнал Стратегические решения и риск-менеджмент. – 2018.- с. 88-107.
15. IDC predicts enterprise VR/AR spending spree /[Electronic resource] –5 June 2019 – Mode of access: https://vrworldtech.com/2019/06/05/idc-predicts-enterprise-vr-ar-spending-spree/ . – Date of access: 14.09.2021.
16. Virtual & augmented reality. Understanding the race for the next computing platform / Goldman Sachs [Electronic resource] – 2016. – Mode of access: http://www.goldmansachs.com / ourthinking/ pages / technology-driving-innovationfolder / virtual-and-augmented-reality / report.pdf. – Date of access: 14.09.2021.
17. Соснило, А.И. Технологии виртуальной и дополненной реальности как факторы государственной экономической политики и роста конкурентоспособности бизнеса / А.И. Соснило, М.Д. Устюжанина //Вестник ПНИПУ. Социально-экономические науки. 2019. – № 2 – с. 204-219.
18. Sosnilo A.I. AR/VR technologies in management and education/ Sosnilo A.I., Kreer M.Y. Petrova V.V.// Upravlenie / Management (in Russian) 2021, 9 (2), pp. 114–124.

Применение расширенной реальности в промышленном дизайне

Авторы: В.В. Бохонко, И.А. Щур, В.И. Ивченко, О.Н. Мойсей, А.А. Константинова