щербинин А. А. Сравнительный анализ трехмерных методик в человеко-компьютерных интерфейсах, бакалаврская работа Ключевые слова: виртуальная реальность, сравнительный анализ, измерение, оценка эффектив (стр. 2 из 3)

На базе сред виртуальной реальности построен целый ряд эффективных систем научной и информационной визуализации и визуализации программного обеспечения.

Другие применения сред виртуальной реальности включают в себя обучение с помощью симуляции, лечение психических расстройств и развлечение.

В обучении виртуальная реальность используется преимущественно тогда, когда создание правдоподобной ситуации в реальном мире является невозможным из финансовых, этических, или каких-либо других соображений.

В первую очередь это обучение, связанное с риском для жизни: обучение солдат, летчиков, хирургов. На рис. 2.1 показан пример такой системы, применяющейся для тренировки морских пехотинцев в США.

Рис. 2.1 Симуляция прыжка с парашютом с помощью виртуальной реальности

Среди медицинских применений можно выделить в первую очередь перспективное направление лечения различных фобий и психических расстройств с помощью погружения в виртуальную реальность [1]. В частности ВМФ США ведутся разработки по лечению посттравматического стрессового расстройства у военнослужащих, участвовавших в боевых действиях, с помощью сеансов погружения в ситуации, близкие к ситуации полученной травмы. Также крайне успешной была признана методика лечения боязни высоты и боязни животных.

Еще одним перспективным направлением признано использование виртуальной реальности для проведения видеоконференций и совместной удаленной работы [1].

Различные психологические аспекты виртуальной реальности, феномена погружения и связанных с ним изменениях в поведении и самочувствие человека также исследуются в рамках психофизиологии и когнитивной психологии. В рамках этого направления был исследован феномен так называемой «киберболезни» - ощущения головокружения, укачивания, возникавшего у некоторых испытуемых в ходе работы со средой виртуальной реальности. В работе [3] исследуется, с чем может быть связана «киберболезнь» и предлагаются способы её лечения.

ПРИМЕНЕНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ НАУЧНОЙ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Среда виртуальной реальности в силу своих особенностей обладает значительным числом характеристик, которые однозначно способствуют лучшему пониманию визуализируемой информации. Разработки в этой области ведутся в Brown University, University of North Carolina/Chapel Hill и University of Pennsylvania ([1]).

В работе [1] рассмотрены основные преимущества сред виртуальной реальности с погружением, их применимость для различных задач визуализации, а также изучены перспективы массового внедрения подобных технологий.

В первую очередь перспективы по применению виртуальной реальности связываются с почти экспоненциально растущими объемами научной информации, что, в конечном итоге, приведет к перегрузке как способностей «традиционных» дисплеев, так и человеческих способностей к восприятию и осмыслению данных. Предполагается, что новые методы человеко-машинного интерфейса, такие как среды виртуальной реальности с интегрированными алгоритмами обработки и обнаружения особенностей, значительно облегчат процесс осмысления больших объемов данных.

Важным моментом является постановка вопроса о методологии. В ходе различных исследований на базе уже разработанных систем, авторы ([1]) потерпели неудачу при попытке дать наряду с качественными какие-либо количественные характеристики эффективности применяемого интерфейса. Таким образом, они пришли к выводу, что естественными требованиями к подобной задаче будут простота, повторяемость, а также использование методик психофизиологии и когнитивной психологии, «наработанных за многие десятилетия».

Авторы работы [2] применили собственную модификацию методики теста Wechsler Adult Intelligence Scale для получения и сравнения количественных характеристик эффективности работы в средах виртуальной реальности и гибридных средах (то есть средах, в которых выводимое изображение содержит как реальные, так и виртуальные объекты).

Рис. 3.1 Реализация гибридной виртуальной среды

Во время поставленного эксперимента испытуемые выкладывали с помощью кубиков заданные узоры в одной из трех сред: реальной (действия совершались над настоящими кубиками, а испытуемый наблюдал рабочее поле через камеру и экран телевизора), виртуальной (с виртуальными кубиками, используя шлем виртуальной реальности и манипуляторы-«перчатки») и гибридной (действия совершались над реальными кубиками, но изображение с видеокамеры обрабатывалось и совмещалось с изображением виртуальных кубиков и рук) (рис. 3). Кроме этого в эксперимент были включены два разных варианта изображения виртуальных рук и кубиков, один из которых предлагал схематичный внешний вид, а другой использовал реальные изображения для создания внешнего вида, максимально приближенного к настоящему.

Результаты проведенного пилотного исследования показали, что использование для манипуляции реальных объектов дает значительный (1.5 – 2 раза) прирост в скорости выполнения задания. Главной проблемой для работы в виртуальной среде оказалось осуществление вращений и перемещений. Испытуемые отметили значительное неудобство при совершении поворотов, при попытке взять кубик или поставить его. Одной из причин таких сложностей были признаны перчатки. Вследствие некорректности системы жестов (несоответствие между жестом и его отображением на экране) и технических проблем с перчатками (периодическая потеря связи с приемником), многие пользователи отметили низкую скорость совершения манипуляций, и примерно у четверти испытуемых были замечены ошибки в применении жестов.

На основании этого авторы [2] делают вывод, что в задачах обучения манипуляции должны по мере возможности проводиться с реальными объектами или же с их близкими аналогами. Также было отмечено, что большая часть времени уходит на осуществление манипуляций с предметами, что ограничивает класс задач, эффективно выполняемых в виртуальной реальности и требует более тщательной проработки интерфейса и инструментария.

КУБИКИ КОСА

Тест «Кубики Коса» (рис. 4.1) был предложен американским психологом К. Косом в 1927 году для диагностики невербального интеллекта.

Выполнение заданий теста требует проявления комплекса качеств восприятия, моторики, зрительно-моторной координации, пространственных представлений и эвристических способностей. Такая комплексная природа заданий позволяет оценить способность к выполнению основных мыслительных операций (сравнение, анализ, синтез) и получить интегральную характеристику наглядно-действенного мышления.

На практике тест «Кубики Коса» часто используется для прогнозирования успешности профессиональной деятельности в сфере «человек – техника».

Рис. 4.1 Комплект для проведения теста «Кубики Коса»

Задача испытуемого состоит в том, чтобы за отведенное время выложить из кубиков фигуру, соответствующую предъявляемой задаче (рис. 4.2). За выполнение задания начисляются баллы, при этом учитывается не только правильность, но и скорость. Сложность теста заключается в специальном подборе заданий, которые для правильного выполнения приходится мысленно разбивать на участки и подбирать соответствующие комбинации и стороны кубиков.

Рис. 4.2 Пример выполненного задания

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Основной задачей работы является разработка программной реализации теста «Кубики Коса», поддерживающей как «традиционную» трехмерную графику, так и трехмерную графику на основе виртуальной реальности.

Дополнительно был поставлена задача разработки в рамках реализации теста системы манипуляций, максимально соответствующей реальной, и устранения возможных несоответствий с учетом опыта других исследований с целью создания максимально достоверной имитации настоящего теста и исключения влияния искусственно созданных факторов.

Главное техническое требование – совместимость программного обеспечения с очками виртуальной реальности (рис. 5.1) и, одновременно, возможность работы и на системах с другим аппаратным обеспечением.

Рис. 5.1 Очки EMagin Z800, применявшиеся в ходе работы

Кроме этого программа должна в автоматическом режиме собирать количественную информацию о ходе тестирования и выводить ее в файл для дальнейшей обработки.

Реализация

Одной из важных задач в ходе разработки была задача создания такого интерфейса, который бы наиболее точно отражал манипуляции с реальными кубиками, не привнося никаких искусственных элементов.

Решение поставленной задачи велось при взаимодействии с другими участниками исследовательской группы и независимыми экспертами-психологами. Было разработано несколько вариантов управления, основывающихся на использовании клавиатуры, мыши и манипулятора типа «Перчатка», а затем из них был выбран оптимальный, по мнению заказчика и испытуемых.

Все манипуляции было решено связать с мышью, поскольку этот манипулятор знаком подавляющему большинству пользователей и позволяет осуществлять непрерывные движения, в отличие от клавиатуры.

Еще одним минусом при управлении с помощью клавиатуры была необходимость запоминать расположение и назначение задействованных клавиш.