Обзор устройств виртуальной и дополненной реальности
Несмотря на то, что бум виртуальной реальности начался всего несколько лет назад, её история насчитывает десятки лет. Идея подмены настоящей реальности искусственной занимала фантастов еще в 1960-е годы, причем в первом литературном произведении такого рода, «Футурологическом конгрессе» Станислава Лэма (1971), вместо очков виртуальной или дополненной реальности применяются психотропные вещества, при помощи которых в восприятии людей приукрашивается убогий мир будущего. К счастью эта идея не вышла за пределы научной фантастики, но все последние десятилетия реализация виртуальной реальности оставляла желать лучшего. Нынешний перелом (начало которому положила модель Oculus Rift) произошел очевидно по причине достижения компьютерной производительностью уровня достаточно высокой детализации и графической реалистичности. Вероятно свою роль сыграли и смартфоны, с их дисплеями высокого разрешения и датчиками пространственной ориентации (гироскоп, акселерометр и т.д.), которые изменяют картинку в соответствии с движением и вращением головы пользователя.
В 2017 году распространение устройств виртуальной и дополненной реальности продолжилось. На сегодня количество моделей исчисляется десятками, поэтому не помешает сделать краткий обзор спецификаций хотя бы основной их части. Подобные устройства условно можно разделить на следующие категории:
- стационарные (требующие подключения к ПК или игровой приставке) очки виртуальной реальности
- стационарные очки виртуальной реальности для разработанной в Microsoft платформы Windows Mixed Reality
- мобильные очки виртуальной реальности (со встроенным дисплеем или смартфоном в качестве дисплея)
- очки дополненной виртуальности (требующие или не требующие подключения к стационарному ПК).
Вкратце напомню, что виртуальная реальность является искусственной целиком, а в дополненной искусственная реальность накладывается на реальную. Некоторые из производителей также употребляют понятие смешанной реальности — это разновидность дополненной, в которой виртуальный объект не просто накладывается поверх реальности, а подстраивается под неё — например частично перекрывается находящимся перед ним реальным объектом.
Начнем со стационарных очков виртуальной реальности — характеристики некоторых моделей представлены в таблице ниже:
| Oculus Rift | PlayStation VR | HTC Vive | Varjo | Avegant Glyph (Personal Video Headset) | Razer OSVR (HDK 2) | Pimax 8K | |
| Цена | $300 | $399 €399 |
$799 | <$10,000 | $699 | $400 | $649 |
| Вес | 470 г | 610 г | 470 г | 650 г | |||
| Разрешение на один глаз | 1200×1080 | 960×1080 | 1200×1080 | 1920×1080 1200×1080 |
720×1280 | 1200×1080 | 2160×3840 |
| Угол обзора | 100° | 100° | 110° | 110° | 40° | 110° | 200° |
| Встроенная камера | — | — | + | — | |||
| Акселерометр | + | + | + | + | |||
| Гироскоп | + | + | + | + | |||
| Магнитометр | + | — | — | — | |||
| Компас | — | — | — | + |
В тройку самых распространенных моделей входят Oculus Rift, PlayStation VR и HTC Vive, а к числу самых интересных можно отнести китайскую Pimax 8K и финскую Varjo.
Первая отличается самым высокими, по сравнению с конкурентами, углом обзора — 200°, и разрешением — 4K (2160×3840) на глаз при традиционной для VR частоте развертки дисплея в 90 Гц. Это по-прежнему сильно не дотягивает до заявленной AMD планки в 16K @ 240 Гц, но уже избавляет от эффекта «москитной сетки» (см. анимацию снизу). Однако такой подход предъявляет чрезвычайно высокие требования к производительности ПК — ему потребуется пара самых производительных в мире видеокарт (по меньшей мере Nvidia GTX 1080 Ti, а лучше Titan V).
Более эффективным в этом отношении представляется подход Varjo — компания обещает, что дисплей её устройства будет генерировать разрешение в 70 мегапикселей, но только в той области экрана, куда направлен взгляд пользователя. Однако разрешение дисплея делает эту модель чрезвычайно дорогой (производитель обозначил рамку в $10 тыс.) и предназначенной лишь для профессионального использования.
Осенью 2017 Microsoft анонсировала платформу Windows Mixed Reality — расширение операционной системы Windows 10, позволяющее сторонним разработчиками создавать приложения виртуальной реальности. Количество приложений, доступных поклонникам Windows Mixed Reality, согласно Microsoft превышает 20 тыс.
Для версии Ultra, предоставляющей разработчикам некоторые дополнительные возможности и функции (включая воспроизведение графики с частотой 90 к/с вместо 60 к/с стандартной версии), рекомендуемая конфигурация компьютера — процессор Intel Core i5-4590 (или лучше), видеокарта Nvidia GTX 960/1050 (или лучше) и не меньше 8 Гб оперативной памяти.
Вслед за анонсом Windows Mixed Reality несколько компаний анонсировали совместимые с данной платформой стационарные очки виртуальной реальности:
| Samsung HMD Odyssey | Acer | Dell Visor | Fujitsu | Lenovo Explorer | HP | |
| Цена | $449 | $399 | $449 | $440 | $299 | $349 |
| Разрешение на один глаз | 1440×1600 | 1440×1440 | ||||
| Угол обзора | 110° | 105° | 105° | 95° | 105° | 105° |
Концепцию мобильных очков виртуальной реальности первой (или одной из первых предложила) Google — в 2014 году она представила недорогой набор Google Cardboard, состоящий из склеиваемой картонной конструкции, пары линз и смартфона, используемого в качестве дисплея с компьютером. Позднее в том же году Samsung представила несколько более солидное по реализации и внешнему виду устройство Gear VR, в котором использовался аналогичный принцип. Впоследствии несколько компаний выпустили устройства с уже встроенными в конструкцию дисплеем и компьютером (на базе какого-нибудь топового мобильного процессора):
| Oculus Go | Oculus Santa Cruz | HTC Vive Focus | Sony SmartEyeglass | Pico Neo | |
| Цена | $199 | $749 | |||
| Разрешение на один глаз | 1440×1280 | 1440×1600 | |||
| Процессор | Snapdragon 821 | Snapdragon 835 | Snapdragon 835 | Snapdragon 835 |
Начало массовой популярности очков дополненной реальности также положила Google, чьи Google Glass разработчикам соответствующих приложений предлагались с 2013 года по цене $1,500. Правда назвать их очками дополненной реальности можно с некоторой натяжкой (собственно Google их так и не называет). Вывод виртуальных данных осуществлялся посредством миниатюрного прозрачного дисплея c 90-градусной призмой перед правым глазом, поэтому «дополненная реальность» перемещалась вместо с движением головы и годилась скорее для вывода полезной информации — входящих сообщений, карты с проложенным маршрутом и т.д. Управление осуществлялось при помощи голосовых команд и сенсорной дужки очков. Камера не отслеживала жесты пользователя для манипулирования виртуальными объектами и предназначалась только для фото- и видеосъемки.
Несмотря на достаточно продолжительную эволюцию со времени своего первого прототипа, проект фактически провалился. Впрочем, Google не оставляет попыток довести его до ума и запустить хотя бы в узком сегменте профессиональных приложений — летом прошлого года компания анонсировала Enterprise Edition.
Следующей заявкой на создание массовых очков дополненной реальности стали HoloLens, в январе 2015 года представленные компанией Microsoft. По сравнению с Google Glass данное устройство куда более изощренное и сложное. Под защитным стеклом у него расположены две линзы. Они выполняют функцию волноводов, через которые LCoS-проектор выводит изображение на глаза пользователя. К числу недостатков устройства относится довольно небольшой угол обзора (33.4°), правда с учетом разрешения 720×1268 на глаз это дает 43.6 пикселей на градус. Из-за маленького угла обзора при пользовании HoloLens не возникает полноценного эффекта дополненной реальности — она выводится как бы в небольшом окне перед глазами.
Аппаратная начинка HoloLens представлена:
- несколькими сенсорами, считывающими данные о пространственной глубине внешних предметов,
- акселерометром, гироскопом и магнитометром,
- двумя процессорами — 4-ядерным Intel Atom x5-Z8100 и ГПУ (голографическое процессорное устройство),
- оперативной памятью объемом 3 Гб.
Вес устройства — 579 г. Разработчикам Microsoft HoloLens предлагается с марта 2016 года по цене $3,000.
В марте 2016 были анонсированы очки виртуальной реальности Meta 2 (Development Kit). В отличие от упомянутых выше Google Glass и Microsoft HoloLens, эта модель не работает автономно — ей требуется компьютер с процессором и видеокартой не слабее соответственно Intel Core i7-6700 и Nvidia GeForce GTX 970 (или их эквивалентов). С точки зрения функциональности такой подход в отношении устройства дополненной реальности представляется сомнительным, но зато обещает другой уровень производительности (и соответственно графической реалистичности).
Несмотря на некоторое внешнее сходство с HoloLens, оптическая система Meta 2 реализована иначе. Прозрачное стекло, которое вы видите на фото сверху, не выполняет защитную функцию, а представляет собой полусеребряное зеркало. В отличие от серебряного, полусеребряное не только отражает лучи, но и преломляет их. Установленная над стеклом ЖК-панель проецирует на них объекты дополненной реальности, которые отражаются в глаза и формируют трехмерное стереоскопическое изображение довольно высокого разрешения (20 пикселей на градус или 1440×1280 на глаз) с углом обзора 90°. Эта картинка накладывается поверх реальных объектов, которые пользователь видит через прозрачное стекло. Причем пользоваться Meta 2 можно вместе с обычными очками.
Любопытно, что представленный в 2013 прототип этого американского стартапа имел оптику, основанную на совсем других принципах — в её основе был стереоскопический дисплей.
Своего соперника от Microsoft детище стартапа Meta выгодно отличается не только более широким углом обзора, но также весом (420 г) и ценой ($1495).
В самом конце прошлого года свою одноименную разработку показал американский стартап Magic Leap, основанный в 2010 году. В её основе — запатентованная компанией технология «цифрового светового поля» (digital lightfield), отличающаяся фиксацией не только данных о цвете и интенсивности света, но и векторной информации о направлении света в каждой точке изображения. В скупых описаниях двухлетней давности упоминался миниатюрный проектор, который виртуальную картинку выводит непосредственно на глаза. Новые подробности об оптическом устройстве Magic Leap с тех пор не появились, поэтому пока неизвестно чем этот подход принципиально отличается от HoloLens с Meta 2. Но то, что во всех трех моделях проектор выводит виртуальное изображение непосредственно на глаза, выгодно отличает их от устройств виртуальной реальности. В последних пользователь смотрит на дисплей, где изображение выводится под разными углами для каждого глаза. Благодаря этому возникает стереоскопический эффект, но вместе с тем глаза утомляются постоянной фокусировкой на плоском экране.
Подобно HoloLens, Magic Leap не требует подключения к стационарному компьютеру, но в то же время его аппаратная начинка встроена не в очки, а в отдельное, похожее не уменьшенную версию CD-проигрывателя (если помните такой из 1990х годов) устройство с неизвестными характеристиками.
Технологию светового поля (и конструкцию, напоминающую HoloLens) использует разработка еще одного американского стартапа, Avegant. Как и в случае с Meta, прототип устройства был продемонстрирован еще в 2013 году, причем уже тогда изображение выводилось не на миниатюрном экране, а проецировалось на глаза. В том же году компания представила, а двумя годами позже запустила в массовое производство устройство виртуальной реальности Avegant Glyph ($499), предназначенное для просмотра кино. Когда до рынка (или хотя бы разработчиков) доберутся очки дополненной реальности этого стартапа, пока неизвестно. Те, кому было позволен протестировать прототип, отмечают, что подобно Meta 2 он был подключен к компьютеру и подобно Microsoft HoloLens имеет довольно маленький угол обзора.
В наступившем 2018 году нас конечно же ожидают новые анонсы, и вероятно первым среди них станет обновленная версия очков виртуальной реальности HTC Vive. Вчера вечером компания опубликовала у себя в Твиттере тизер со слоганом «New Year’s resolution» (Новогоднее разрешение), вполне определенно намекающий на то, что дисплей нового HTC Vive получит более высокое разрешение (которое сейчас, напомню, составляет 1200×1080 на каждый глаз). Презентация новинки состоится 8 января, накануне CES 2018.
Также в рамках этой выставки запланирован анонс очков дополненной реальности от небольшой американской компании Vuzix. Их главной особенностью станет интеграция с голосовым ассистентом Alexa от компании Amazon. В продажу они поступят ко 2 кв 2018 по цене около $1,000. К 2019 году производитель рассчитывает снизить цену до $500 и ниже.
Одна из главных интриг по части дополненной реальности — выпустит ли такое устройство Apple. В прошлом году она представила платформу ARKit, которая позволяет iOS-разработчикам создавать приложения дополненной реальности для iPhone и iPad, на дисплее которых происходит смешение настоящей и искусственной реальности. Но не исключено, что отработав технологию на смартфонах с планшетами и накопив достаточное количество приложений, Apple разработает под них уже сами очки дополненной реальности.
В любом случае нет никаких сомнений, что виртуальная и дополненная реальность будут развиваться и дальше — прежде всего благодаря растущей графической производительности как стационарных компьютеров, так и мобильных процессоров. Свою роль в этом могут сыграть и системы искусственного интеллекта — уже сейчас они весьма неплохо справляются с распознаванием речи, что позволяет отдавать очкам голосовые команды. В свою очередь такие разработки как камера TrueDepth в iPhone X возможно позволят создавать настолько точную пространственную модель окружающей реальности, что управлять виртуальными объектами можно будет не манипуляторами, а движениями рук и пальцев. Еще одним источником улучшения качества виртуальной реальности может стать использование наноматериалов в линзах, благодаря чему возможно удастся разрешить часть проблем, связанных с оптическими искажениями.