CAVE: иммерсивная виртуальная реальность. Кубическое пространство с проекциями на стенах, созданное в 1992 г. для реалистичного 3D-опыта. Визуализация, VR.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Погружающая виртуальная реальность
Immersive virtual reality environment
Пещерная автоматическая виртуальная среда (более известная под рекурсивным акронимом CAVE) – это погружающая виртуальная реальность, в которой проекторы направлены на три-шесть стен кубического помещения. Название также является отсылкой к аллегории пещеры в «Государстве» Платона, где философ размышляет о восприятии, реальности и иллюзии. CAVE был изобретен Каролиной Круз-Нейра, Дэниелом Дж. Сандином и Томасом А. ДеФанти в Лаборатории электронной визуализации Чикагского университета Иллинойса в 1992 году. Изображения на стенах были стереоскопическими, чтобы создать ощущение глубины.
A cave automatic virtual environment (better known by the recursive acronym CAVE) is an immersive virtual reality environment where projectors are directed to between three and six of the walls of a room sized cube. The name is also a reference to the allegory of the Cave in Plato's Republic in which a philosopher contemplates perception, reality, and illusion. The CAVE was invented by Carolina Cruz Neira, Daniel J. Sandin, and Thomas A. DeFanti at the University of Illinois, Chicago Electronic Visualization Laboratory in 1992. The images on the walls were in stereo to give a depth cue.
Общие характеристики
Обычно CAVE – это видеотеатр, расположенный в большем помещении. Стены CAVE обычно состоят из экранов задней проекции, однако широкомасштабные светодиодные дисплеи становятся все более распространенными. Пол может быть экраном для нижней проекции, экраном, проецирующим снизу, или плоским дисплеем. Проекционные системы имеют очень высокое разрешение из-за небольшого расстояния просмотра, что требует очень маленького размера пикселей для сохранения иллюзии реальности. Пользователь носит 3D-очки внутри CAVE, чтобы видеть 3D-графику, генерируемую системой. Пользователи CAVE могут видеть объекты, кажущиеся парящими в воздухе, и могут обходить их, получая реалистичное представление об их внешнем виде. Первоначально это стало возможным благодаря электромагнитным датчикам, но затем перешли на инфракрасные камеры. Каркас ранних CAVE должен был изготавливаться из немагнитных материалов, таких как дерево, чтобы минимизировать помехи для электромагнитных датчиков; переход к инфракрасному отслеживанию устранил это ограничение. Движения пользователя CAVE отслеживаются датчиками, обычно прикрепленными к 3D-очкам, и видео непрерывно корректируется для сохранения перспективы зрителя. Компьютеры управляют как этим, так и звуковым аспектом CAVE. Обычно в CAVE установлено несколько динамиков, расположенных под разными углами, обеспечивающих 3D-звук, дополняющий 3D-видео.
A CAVE is typically a video theater situated within a larger room. The walls of a CAVE are typically made up of rear projection screens, however large scale LED displays are becoming more common. The floor can be a downward projection screen, a bottom projected screen or a flat panel display. The projection systems are very high resolution due to the near distance viewing which requires very small pixel sizes to retain the illusion of reality. The user wears 3D glasses inside the CAVE to see 3D graphics generated by the CAVE. People using the CAVE can see objects apparently floating in the air, and can walk around them, getting a proper view of what they would look like in reality. This was initially made possible by electromagnetic sensors, but has converted to infrared cameras. The frame of early CAVEs had to be built from non magnetic materials such as wood to minimize interference with the electromagnetic sensors; the change to infrared tracking has removed that limitation. A CAVE user's movements are tracked by the sensors typically attached to the 3D glasses and the video continually adjusts to retain the viewers perspective. Computers control both this aspect of the CAVE and the audio aspect. There are typically multiple speakers placed at multiple angles in the CAVE, providing 3D sound to complement the 3D video.
Технология
Реалистичное визуальное отображение создается проекторами, расположенными за пределами CAVE и управляемыми физическими движениями пользователя внутри CAVE. Система захвата движения регистрирует положение пользователя в реальном времени. Стереоскопические LCD-очки с затворной синхронизацией обеспечивают трехмерное изображение. Компьютеры быстро генерируют пару изображений – по одному для каждого глаза пользователя – на основе данных системы захвата движения. Очки синхронизированы с проекторами, чтобы каждый глаз видел только предназначенное для него изображение. Поскольку проекторы расположены снаружи куба, для уменьшения расстояния от проекторов до экранов часто используются зеркала. Проекторами управляет один или несколько компьютеров. Кластеры настольных ПК популярны для работы с CAVE, поскольку они более доступны по цене и обеспечивают более высокую производительность. Существуют специализированное программное обеспечение и библиотеки для CAVE-приложений. Для рендеринга сцены используется несколько техник. В настоящее время широко используются три популярных графа сцен: OpenSG, OpenSceneGraph и OpenGL Performer. OpenSG и OpenSceneGraph имеют открытый исходный код, а OpenGL Performer бесплатен, но его исходный код закрыт.
A lifelike visual display is created by projectors positioned outside the CAVE and controlled by physical movements from a user inside the CAVE. A motion capture system records the real time position of the user. Stereoscopic LCD shutter glasses convey a 3D image. The computers rapidly generate a pair of images, one for each of the user's eyes, based on the motion capture data. The glasses are synchronized with the projectors so that each eye only sees the correct image. Since the projectors are positioned outside the cube, mirrors are often used to reduce the distance required from the projectors to the screens. One or more computers drive the projectors. Clusters of desktop PCs are popular to run CAVEs, because they cost less and run faster. Software and libraries designed specifically for CAVE applications are available. There are several techniques for rendering the scene. There are 3 popular scene graphs in use today: OpenSG, OpenSceneGraph, and OpenGL Performer. OpenSG and OpenSceneGraph are open source; while OpenGL Performer is free, its source code is not included.
Калибровка
Чтобы создать изображение, которое не будет искажено или выглядеть неуместно, дисплеи и датчики должны быть откалиброваны. Процесс калибровки зависит от используемой технологии захвата движения. Оптическим или инерциальным акустическим системам требуется только настройка нуля и осей, используемых системой отслеживания. Калибровка электромагнитных датчиков (например, тех, что использовались в первой пещере) более сложная. В этом случае человек надевает специальные очки, необходимые для просмотра изображений в 3D. Затем проекторы заполняют CAVE множеством коробок размером в один дюйм, расположенных на расстоянии около тридцати сантиметров друг от друга. Человек берет прибор, называемый "ультразвуковым измерительным устройством", с курсором в центре, и позиционирует его так, чтобы курсор визуально совпадал с проецируемой коробкой. Этот процесс может продолжаться, пока не будут измерены почти 400 различных блоков. Каждый раз, когда курсор помещается внутрь блока, компьютерная программа записывает его местоположение и отправляет данные на другой компьютер. Если точки откалиброваны точно, в изображениях, проецируемых в CAVE, не должно быть искажений. Это также позволяет CAVE правильно определять местоположение пользователя и точно отслеживать его движения, что позволяет проекторам отображать изображения в зависимости от того, где находится человек внутри CAVE.
To be able to create an image that will not be distorted or out of place, the displays and sensors must be calibrated. The calibration process depends on the motion capture technology being used. Optical or Inertial acoustic systems only requires to configure the zero and the axes used by the tracking system. Calibration of electromagnetic sensors (like the ones used in the first cave) is more complex. In this case a person will put on the special glasses needed to see the images in 3D. The projectors then fill the CAVE with many one inch boxes set one foot apart. The person then takes an instrument called an "ultrasonic measurement device" which has a cursor in the middle of it, and positions the device so that the cursor is visually in line with the projected box. This process can go on until almost 400 different blocks are measured. Each time the cursor is placed inside a block, a computer program records the location of that block and sends the location to another computer. If the points are calibrated accurately, there should be no distortion in the images that are projected in the CAVE. This also allows the CAVE to correctly identify where the user is located and can precisely track their movements, allowing the projectors to display images based on where the person is inside the CAVE.
Приложения
Концепция первоначальной CAVE была повторно применена и в настоящее время используется в самых разных областях. Многие университеты владеют системами CAVE. CAVE находит широкое применение. Многие инженерные компании используют CAVE для повышения эффективности разработки продукции. Можно создавать и тестировать прототипы деталей, разрабатывать интерфейсы и моделировать планировки заводов – и всё это до того, как будут потрачены средства на изготовление физических деталей. Это позволяет инженерам лучше понять, как деталь будет функционировать в составе готового продукта. CAVE также всё чаще используется для совместного планирования в строительной отрасли. Исследователи могут использовать систему CAVE для проведения своих исследований более доступным и эффективным способом. Например, CAVE применялась при изучении подготовки пилотов к посадке на самолет F-16. Команда EVL при UIC представила CAVE2 в октябре 2012 года. Как и оригинальная CAVE, это иммерсивная 3D-среда, но основанная на ЖК-панелях, а не на проекции.
The concept of the original CAVE has been reapplied and is currently being used in a variety of fields. Many universities own CAVE systems. CAVEs have many uses. Many engineering companies use CAVEs to enhance product development. Prototypes of parts can be created and tested, interfaces can be developed, and factory layouts can be simulated, all before spending any money on physical parts. This gives engineers a better idea of how a part will behave in the product in its entirety. CAVEs are also used more and more in the collaborative planning in construction sector. Researchers can use CAVE system to conduct their research topic in a more accessible and effective method. For example, CAVEs was applied on the investigation of training subjects on landing an F 16 aircraft. The EVL team at UIC released the CAVE2 in October 2012. Similar to the original CAVE, it is a 3D immersive environment but is based on LCD panels rather than projection.