Основные классы средств VR и сферы их применения

Автор: Ксенофонтов Павел, руководитель лаборатории VR компании «Топ Системы»

В данной статье рассмотрены основные предпосылки появления и распространения современного VR. Рассмотрены основные типы, классы и модели VR-устройств, существующих на рынке, описаны их преимущества и недостатки, рассказано о тех задачах, которые данные устройства могут с успехом решать.
Автор: Ксенофонтов Павел Константинович, руководитель лаборатории VR компании «Топ Системы».

Предпосылки появления и широкого распространения.

"Это будущее!" - многие из тех, кто первый раз погружаются в современную Виртуальную Реальность (далее, просто «VR»), произносят именно такую фразу. Но эти люди ошибаются. VR был будущим когда-то, но сейчас это настоящее.

Предпосылки появления и широкого распространения

Выпустить VR в массы производители оборудования пытаются уже давно. Вспомним хотя бы выпущенный в 1995 году шлем VFX-1. Но только в наши дни технология VR смогла приобрести достаточно широкую распространенность. Почему же именно сейчас? Для этого есть несколько причин.

Достаточная производительность и скорость оборудования

Современное компьютерное оборудование обеспечивает важнейшие составляющие VR:

• Высокую частоту кадров, в среднем 90 кадров в секунду;
• Высокое разрешение рендеринга, в среднем 1280*1200 пикселов на глаз;
• Минимальную задержку между действием пользователя и отображением действия на экране, в среднем 2-3 кадра;
• Достаточную реалистичность графики, качественный шейдинг с использованием текстур высокого разрешения.

Ключевой характеристикой современного VR является так называемая Вовлечённость: VR-опыт окружает пользователя со всех сторон, VR-опыт непрерывен, постоянен и при этом достаточно комфортен. Высокая производительность и скорость оборудования здесь критична. Как только падает скорость рендеринга либо возрастает задержка - Вовлечённость исчезает, а виртуальная реальность превращается в дискомфортное разглядывание изображений на экране компьютерного дисплея, находящегося перед глазами пользователя.

Достаточная энергоэффективность, миниатюрность и стоимость оборудования

Современный VR-шлем – это сложное техническое устройство, несущее в себе массив различных датчиков и миниатюрных камер, модули для беспроводной связи, микрофон, динамики. Мобильные VR шлемы содержат в себе также мобильную компьютерную платформу необходимую для автономной работы устройства, аккумулятор. В то же время VR-шлем должен быть достаточно лёгким, удобным, эргономичным, не должен выделять много тепла. Высококачественные линзы совместно с дисплеем высокого разрешения должны обеспечивать достаточно широкий обзор при достаточно малом размере видимых на экране пикселов. И нельзя забывать о стоимости. VR-устройство должно быть достаточно дешевым в производстве - ведь без этого не может быть и речи о массовом распространении.  Всё это стало возможным лишь сейчас, после многих лет технического совершенствования цифровой техники.

Наличие крупных компаний, заинтересованных в создании и развитии нового сегмента рынка

Вывод на рынок новой категории устройств, претендующей на широкое распространение – это задача, требующая огромных затрат: исследования, разработка аппаратной и программной платформы, производство, маркетинг, реклама, контент и инструменты для его создания. Ввиду высоких рисков неприятия новой технологии пользователями, шанс «отбить» деньги, вложенные в развитие столь дорогого для освоения нового сегмента, существует преимущественно у компаний, обладающих критической массой потенциальных потребителей. Такие компании появились не столь давно. В первую очередь мы говорим о компании Facebook, которая в 2014 году приобрела компанию Oculus. Именно Facebook начала процесс создания нового сегмента рынка. Когда потенциал технологии VR стал проглядываться более отчётливо, к процессу распространения VR технологии подключились новые участники, такие как Valve+HTC, Google, Sony, Microsoft, NVidia, AMD и другие.

Основные классы средств VR и сферы их применения

Именно 2012 год, год создания компании Oculus, можно считать годом рождения современного VR. С тех пор прошло уже 7 лет. Первый «хайп» сошел на нет, технология VR стала взрослее, избавившись от своих детских болезней. Рынок VR-устройств сформировался. Ясно выделились ведущие производители VR-оборудования, и уже легче провести различие между основными классами VR-устройств, а также выделить основные сферы, где эти устройства могут с успехом применяться.

Рис. 1. Классификация устройств VR

Посмотрите на схему, показанную на Рис.1.

Классификацию с одновременной привязкой к сфере применения удобнее всего производить, рассматривая каждый Тип VR-устройств по отдельности.

Мобильные телефоны с поддержкой VR и другие устройства на платформе Google Daydream

К этому Типу можно отнести мобильные телефоны, которые могут работать совместно с Google Cardboard, специализированные шлемы подобные Samsung Gear VR, а также VR-шлем Oculus Go. Положительной чертой данного типа устройств является их минимальная цена, максимальная доступность и максимальный охват аудитории. VR-устройства этого типа имеют крайне ограниченный функционал: позиционирование производится по 3-м координатам (поворот вокруг трёх осей), навигация в VR-пространстве затруднена, чаще всего (не относится к Oculus Go) у пользователей полностью отсутствуют возможности по взаимодействию с объектами в VR ввиду отсутствия VR-контроллеров. Высокая сегментация мобильных устройств ведёт к нестабильной работе приложений и сложностям с оптимизацией контента.

Устройства данного типа могут отображать простейшие 3D сцены с небольшим количеством объектов (около 100) и треугольников (в среднем около 50 тысяч треугольников в сцене). Низкое качество 3D рендеринга существенно ограничивает Вовлечённость в VR-опыт.

В результате данный Тип устройств можно эффективно использовать только для доставки конечному массовому потребителю простейшего VR-контента, не требующего вычислительных мощностей, сложных взаимодействий и длительного пребывания в VR.

Например, если ваша компания занимается строительным бизнесом, вы можете поместить на свой сайт специально подготовленные изображения с демонстрацией будущих квартир. Тогда посетители сайта, если у них есть Cardboard, смогут просмотреть эти сферические изображения и оценить различные варианты возможной отделки квартиры так, будто бы они её посетили.

Или если вы инженер и спешите поделиться опытом своих разработок с коллегами или заказчиками, можете использовать специализированные 3D-каталоги для демонстрации своих разработок (Рис. 2).

Рис. 2 Радар самолёта в VR на сервисе Sketchfab

Как было указано выше, данный Тип устройств имеет крайне ограниченный функционал в VR, совершенно несравнимый с функционалом VR-устройств любого другого типа. Функционал этот настолько ограничен, что пользователь попробовавший любой другой качественный VR-опыт вряд ли захочет повторять свои эксперименты с Google Cardboard. Возможно именно поэтому в октябре 2019 года компания Google объявила об отказе от поддержки собственной платформы Daydream. Это означает, что потенциал данного типа устройств исчерпан, и на первый план выходят специализированные VR-устройства.

Автономные VR-устройства (всё в одном)

По своим техническим характеристикам данный Тип устройств близок к мобильным телефонам с поддержкой VR. Однако данный тип устройств является специализированным, а фрагментация устройств практически отсутствует. Это позволяет оптимизировать контент для наилучшего качества. Кроме того, данный Тип устройств обладает возможностью полноценного 6-ти координатного трекинга в пространстве, что является непременным условием вовлечения в VR-опыт. И конечно же VR-контроллеры, также с 6-ти координатным трекингом, – они дают пользователю возможность полноценно взаимодействовать с VR-контентом.

Существенным преимуществом устройств данного типа является их полная автономность, низкая цена и отсутствие проводов в процессе использования. Устройства имеют хорошую эргономику, легко калибруются и могут использоваться в любом пространстве, как в офисе, так и дома.

На рынке данные устройства представлены продуктами Oculus Quest и Vive Focus. Первое устройство можно отнести к Потребительскому классу, а второе – к Бизнес. По своим характеристикам данные устройства близки и могут решать одни и те же задачи. Но Vive Focus сразу позиционируется как решение для бизнеса: имеет расширенную техподдержку, более мощную аппаратную составляющую, а также экран чуть более высокого разрешения. Также, Vive Focus конструктивно рассчитан на частую смену пользователя – его проще снимать/одевать.

Автономные VR-устройства можно использовать для создания VR-опыта в практических любых сферах – развлечение, дизайн, наука, искусство, маркетинг, реклама, обучение, продажи, послепродажное обслуживание и др. Описывать все возможные сферы применения нет смысла – об этом уже сказано много. Автономные VR-устройства дают пользователям качественный современный VR.

Главное помнить – технические возможности по 3D-рендерингу на этих устройствах ограничены их аппаратной мобильной платформой. Количество тел в сцене, общее количество полигонов в сцене, качество шейдинга – все эти параметры строго ограничивают сложность VR-сцен, которые можно показать пользователю. Если вы планируете применять VR на автономных устройствах, надо точно знать, что ваш контент «уместиться» на мобильной платформе. Кроме того, сам контент должен быть подготовлен и оптимизирован для работы на данной платформе. Эта подготовка и оптимизация могут занимать длительное время. Поэтому выпуск нового контента, или обновление существующего, не могут производится в реальном времени.

VR-устройства, подключаемые к компьютеру

Устройства данного типа предоставляют пользователям наилучший VR-опыт и высокое качество графики при отображении самых сложных 3D сцен. Отличная эргономика, качественный 6-ти координатный трекинг, функциональные VR-контроллеры, минимальная задержка, возможность использования модулей для беспроводной связи, качественные экраны и линзы – всё это гарантирует максимальную Вовлеченность пользователя.

Устройства данного Типа работают в связке с компьютером, что позволяет использовать их как для потребления контента, так и для его создания. Прямая связь с компьютером и высокая производительность дают возможность использовать VR «налету», минимизируя или полностью исключая время, необходимое для подготовки VR-контента. Так, инженеры, использующие для работы наш продукт T-FLEX CAD, могут просмотреть в VR свою модель, просто нажав одну лишь кнопку в интерфейсе (рис 3).

Рис 3. Модель жидкостного ракетного двигателя в T-FLEX VR (больше 3200 тел в 3D-сцене)

Стоимость таких VR-устройств варьируется в пределах от $400 (Потребительский уровень) до $2000 (Бизнес уровень). Как и для Автономных VR-устройств, устройства данного Типа вне зависимости от принадлежности к определённому Классу могут решать одинаковые задачи - ведь в плане функциональности их различия не так уж и велики. Но всё же различия между Классами есть, и лучше рассказать о них.

Устройства Потребительского класса. В первую очередь это Oculus Rift S и HTC Vive. Эти VR-устройства могут использоваться как дома, так и в офисе и подходят как для потребления готового VR-контента, так и для его создания. Если сравнивать Oculus Rift S и HTC Vive, то Oculus Rift S предоставляет более качественный дисплей, лёгкость подключения (лишь 1 провод, отсутствие внешних датчиков) и настройки и более удобные VR-контроллеры. Oculus Rift S очень удобно использовать на стационарном рабочем месте, либо переключать его между компьютерами в процессе работы. Если идёт речь о командировочных поездках, Oculus Rift S очень просто перевозить. HTC Vivе сложен в подключении и лучше подходит для организации стационарных рабочих место, но даёт более точный трекинг и возможность создавать VR-опыт «Комнатного масштаба» (Room-Scale Experience). В целом после работы с Oculus Rift S устройство HTC Vive воспринимается как устаревшее, и не даром – оно было одним из первых VR-устройств на массовом рынке.

Устройства Премиум класса. К этому классу можно отнести новый Valve Index. Это устройство стоимостью $1000 еще не доступно в России. Данное устройство позиционируется как продвинутое устройство для домашнего использования. Отличие от устройств Потребительского класса состоит в том, что экран данного устройства может обновляться с частотой до 140 Гц (против 80 Гц у Oculus Rift S и 90 Гц у HTC Vive) – столь высокая частота обновления усиливает Вовлечённость в VR-опыт. Также есть возможность использовать специальные VR-контроллеры с трекингом всех 5 пальцев, что опять же прибавляет реализма в VR.

Устройства Бизнес класса. Данные устройства следует использовать в том случае, когда важно максимальное качество VR-опыта, а цена оборудования и сложность его подключения не имеют существенного значения.

К данному классу устройств можно отнести HTC Vive Pro и HTC Vive Pro Eye. Эти устройства предоставляют пользователям VR-опыт высочайшего класса. Устройства используют экраны повышенного разрешения, что положительно отражается на качестве картинки.
HTC Vive Pro и HTC Vive Pro Eye требуют времени на подключение и настройку. Наличие нескольких базовых станций, блоков питания и множества проводов затрудняют перевозку устройств в командировках и выездных показах. Поэтому лучше всего использовать это оборудование на стационарных стендах, особенно таких, где важен размер VR-зоны.

При использовании двух базовых станций совместно с беспроводным модулем Vive Wireless можно создавать большие VR-пространства с полным трекингом площадью плоть до 7,5*7,5 метров (и даже больше) в которых пользователь может свободно перемещаться. Более того, возможно использование более чем двух базовых станций, при одновременном использовании нескольких шлемов. Это позволяет создавать еще бОльшие VR-пространства, в которых одновременно работают несколько пользователей.
Так, мы в компании Топ Системы используем шлем HTC Vive Pro для демонстрации нашего продукта T-FLEX VR (рис. 4). Одним из базовых сценариев использования, который мы показываем нашим потенциальным пользователям, является изучение в масштабе 1:1 полностью проработанной цифровой модели самолёта, спроектированного в нашей САПР T-FLEX CAD. На нашей демонстрационной площадке пользователь в VR-шлеме может обойти самолёт вокруг или пройти по его салону так, будто бы это реально существующий объект. Такой вариант использования VR возможен сейчас только при использовании оборудования Бизнес класса.

Рис 4. Пользователь изучает кабину самолёта в T-FLEX VR

Кроме очень большого размера рабочей зоны, оборудование Бизнес класса может иметь и уникальный функционал. Так в HTC Vive Pro Eye встроены датчики для отслеживания направления взгляда. Подобная возможность открывает совершенно новые варианты использования VR, никогда ранее недоступные широкому кругу пользователей.

VR-оборудование специального назначения

Устройства, а точнее программно-аппаратные VR-комплексы данного типа предназначены для решения специальных задач, таких как тренировка будущих космонавтов или отработка действий бойцов спецназа. Важными составляющими подобного VR-опыта могут быть огромная площадь VR-пространства с одновременным отслеживанием в этом пространстве десятков людей, трекинг всех частей тела пользователей, совмещение виртуальной реальности с реальным пространством или что-то иное.

К сожалению, информации о подобных VR-комплексах имеется довольно мало - скорее всего по причине высокой конфиденциальности решаемых ими задач. Можно предположить, что данные VR-комплексы используют в своей работе связку из стандартного, стандартного-модифицированного и собственного оборудования. Соответственно, для работы этого оборудования используются собственные программные платформы, также заточенные под решение специальных задач.

Важно отметить следующее: при правильном подходе оборудование бизнес класса может быть использовано в качестве аппаратной платформы для создания VR-комплексов специального назначения. Например, Vive Tracker позволяет отслеживать в VR положение не только VR-шлема и VR-контроллеров, но и любых других объектов, к которым Vive Tracker прикреплён. А разработчики программных решений для HTC Vive могут получать непосредственный доступ к информации с датчиков, что позволяет создавать собственные программно-аппаратные системы для особых сценариев использования.

Можно ожидать, что по мере развития VR-технологий создание VR-комплексов специального назначения будет становится всё более и более простой задачей, что в свою очередь расширит область использования VR.

Заключение

По сравнению с традиционными средствами вывода графической информации, будь то обычные «плоские» мониторы или устройства, отображающие стерео-изображения, современный VR предлагает пользователю качественно новый уровень восприятия информации. Никогда ранее человек не мог настолько полно воспринять то, что еще не воплощено в реальности, но существует только «внутри» компьютера.

Да, у современного оборудования всё еще есть недостатки – например, недостаточная плотность пикселей на экране, что не позволяет пользователям читать мелкие тексты или разглядывать мелкие детали 3D-объектов. Еще один пример того, над чем производителям оборудования стоит поработать – динамическое изменение фокусного расстояния в зависимости от того, в какую точку дисплея смотрит глаз пользователя. Но устройства VR совершенствуются, и то, что еще вчера казалось фантастикой, сегодня стало реальностью. Например, данный текст автор набирает не на обычной клавиатуре, а на виртуальной, находящейся в VR. И можно быть уверенным, что в будущем VR преподнесёт нам еще множество интересных сюрпризов. Хорошего вам трекинга!