Масштабирование виртуальной реальности для задач ориентирования

Аннотация. Задачи масштабирования виртуальной реальности являются актуальными в текущей момент в силу активного исполь­зования данной технологии в симуляционном и имитационном обучении. В статье рассматривается обзор существующих методов масштаби­рования среды в плоскости различных методов и подходов.

Ключевые слова: виртуальная реальность; моделирование вирту­альной среды; модель виртуальной реальности; имитационное обучение; тренажер; человек-оператор.

Введение

ВР является хорошей экспериментальной площадкой для исследо­вания пространственного восприятия, потому что позволяет легко манипулировать такими геометрическими характеристиками, как дистанция, высота горизонта и т. д. [1] Кроме этого, важность переноса точного масштаба и высоты в ВР обусловлена сохранением субъектив­ных суждений о размерах и высоте объекта [2].

В случае с профессиональными практиками в пространстве масштабирование играет первостепенную роль. Это относится к оценке расстояния до объекта захвата, сопоставление размера рабочего органа в зависимости от его удаления или приближения, точности захвата, погрузки сортимента в заданное местоположение и др.

Актуальность

Основная трудность связанна со сложностью субъективного восприятия пространства. Этот процесс зависит от использования, по крайней мере, девяти и более источников перцептивной информации в форме – окклюзии, визуализации высоты, относительного размера, объема, пространственной перспективы, бинокулярной диспарантности, аккомодации, конвергенции и проецирования движения.

Совокупность указанных параметров оказывает влияние на восприятие масштаба. Для преодоления этой трудности производилась дифференциация расстояний в зависимости от специфики восприятия.

Было показано, что человеческое восприятие расстояния между двумя точками D1 и D2 через зависимость среднего эгоцентрического расстояния 2(D1-D2) / (D1 + D2) и средней дистанции наблюдателя [D1 + D2] / 2 относительная высота примерно линейно убывает на неболь­ших расстояниях. А относительный размер остается неизменным [1].

В тоже время, определяют следующие характеристики трех­мерного восприятия: персональное пространство (примерно до 1.5 м), пространство для манипуляций (от 1.5 м до 30 м) и пространство с перспективой (от 30 м. и выше). Такие параметры, как параллакс или удаленная перспектива имеют сложные зависимости, которые меняются в зависимости от эгоцентрического расстояния и дальности расстояния. Наиболее простым в плане моделирования компьютерной графики представляется персональное пространство [1].

Теоретический анализ

Если брать во внимание масштабирование среды с учетом пространства с перспективой, то необходимо учитывать угол наклона горизонта. Даже небольшое смещение угла горизонта приводит к существенной разнице в оценке расстояния до объекта в ВР показана на графике 1 [2].

Рисунок 1. Появление эффекта искажения восприятия расстояния до объекта при увеличении угла наклона горизонта на 1.5^o

Кроме этого показана связь между техническими параметрами частоты кадров и детализацией трехмерного объекта в масштабе 1:1, при увеличении степени графической прорисовки трехмерно объекта, частота кадров будет уменьшаться из-за увеличения вычислительных ресурсов оборудования [3].

Указанные факторы, установленные эмпирическим путем, могут сформировать ограничения в виде выбора масштаба для определенной дистанции, детализации среды или трехмерных объектов. В тоже время, эти факторы не дают понимания, каким способом можно перенести привычные для человека масштаб измерения расстояний, размеры объектов в ВС.

Способы масштабирования ВР

В настоящий момент, способы масштабирования и восприятия расстояния ВР реализуются на основе экспериментальных данных, в виде [4]:

• Вербального отчета (реципиент заранее выбирает шкалу изме­рений и исследует объект через преобразование визуальной дистанции в вербальную оценку объект или объекты определены заранее);
• Повторного позиционирования (меняется положение реципиента каждый раз после того как он оценивает расстояние до объекта с целью моделирования замкнутых пространств).

Так же существует способы масштабирования на основе анкети­рования. Экспертами подготавливается список вопросов, связанных с восприятие дистанции - “Presence Questionnaire Item Stems – version 2.0” [4].

Рисунок. 2. Вычисление оценочного расстояния по триангулярному способу [5]

Кроме этого, некоторые исследователи обнаружили субъективную способность людей оценивать расстояние согласно триангулярному способу, где b – смещение положения от начального положения, h – расстояние до объекта. Тогда оценка расстояния E до объекта оказы­вается меньше S - расстояния до объекта. Зная углы α и β можно рассчитать – E. На рисунке 2 изображены расчётные параметры оценочного расстояния.

Другим способ проектирования масштаба в ВР являются статистические методы, как например, линейная регрессия. Линейная регрессия справедлива в силу только линейной закономерности оценённого расстояния в ВР и физической среде.

Выводы

Таким образом, моделирование масштаба в ВР зависит от детали­зации (прорисовки) трехмерного объекта, от угла наклона горизонта и специфики субъективного восприятия, как триангулярное правило. В тоже время, основной способ переноса расстояний в ВР – это эмпирические измерения на основе вербального отчета реципиента. Для формирования модели для получения соответствия расстояний (углов обзора) в заявленной тематике предлагается использовать линейную регрессию, предсказывающую вещественные значения для расстояний и углов обзора.