Пространственные вычисления: взаимодействие с 3D-средами

Пространственные вычисления быстро преобразуют наше взаимодействие с технологиями, выходя за рамки традиционных 2D-экранов и интерфейсов к иммерсивным 3D-средам. Этот сдвиг парадигмы позволяет нам взаимодействовать с цифровым контентом более интуитивно, естественно и с учетом контекста. Эта статья углубляется в основные концепции пространственных вычислений, их различные применения, лежащие в основе технологии и их потенциальное будущее влияние на различные отрасли и нашу повседневную жизнь.

Что такое пространственные вычисления?

По своей сути, пространственные вычисления относятся к способности машин понимать физический мир и взаимодействовать с ним в трех измерениях. Они включают в себя захват, обработку и представление пространственной информации для создания цифровых сред, которые органично сочетаются с реальностью или заменяют ее. Это включает в себя:

• Понимание физического пространства: Ощущение и отображение среды с использованием датчиков, камер и других технологий.
• Создание цифровых представлений: Создание 3D-моделей, цифровых двойников и виртуальных сред.
• Обеспечение 3D-взаимодействия: Позволяет пользователям взаимодействовать с цифровым контентом естественным и интуитивным способом, используя жесты, голос и другие методы ввода.
• Контекстная осведомленность: Понимание местоположения пользователя, ориентации и окружающей среды для предоставления релевантных и персонализированных впечатлений.

Пространственные вычисления охватывают различные технологии, включая дополненную реальность (AR), виртуальную реальность (VR) и смешанную реальность (MR), которые в совокупности известны как расширенная реальность (XR). Каждая из этих технологий предлагает разные уровни погружения и взаимодействия с цифровым миром.

Дополненная реальность (AR)

AR накладывает цифровую информацию на реальный мир, улучшая наше восприятие реальности. Вспомните Pokémon GO, где цифровые существа появляются в вашей физической среде, или IKEA Place, которая позволяет вам виртуально размещать мебель в вашем доме, прежде чем покупать ее. Приложения AR обычно используют камеру смартфона или планшета для захвата реального мира, а затем накладывают на него цифровой контент.

Примеры:

• Розничная торговля: Виртуальные примерки одежды и аксессуаров.
• Производство: Направление рабочих через сложные задачи сборки с визуальными инструкциями, наложенными на оборудование.
• Образование: Интерактивный учебный опыт, который оживляет учебники с помощью 3D-моделей и симуляций. Например, студенты в Японии могут использовать AR для просмотра 3D-моделей исторических артефактов в музеях.
• Навигация: Наложение направлений на реальный мир, что облегчает навигацию в незнакомых местах, эффективно реализовано в приложениях общественного транспорта Сингапура.

Виртуальная реальность (VR)

VR создает полностью иммерсивную цифровую среду, которая заменяет реальный мир. Пользователи обычно надевают гарнитуру, которая блокирует окружающую среду и отображает виртуальный мир перед их глазами. VR позволяет пользователям испытывать смоделированные среды, играть в иммерсивные игры и участвовать в виртуальных встречах.

Примеры:

• Игры: Иммерсивные игровые возможности, которые переносят игроков в фантастические миры.
• Обучение и моделирование: Обучение пилотов, хирургов и других специалистов в реалистичных смоделированных средах. Королевский военно-морской флот Австралии использует VR для обучения моряков тушению пожаров на борту корабля.
• Здравоохранение: Лечение фобий, управление болью и реабилитация пациентов. VR используется, чтобы помочь пациентам после инсульта восстановить двигательные навыки в Швейцарии.
• Развлечения: Виртуальные концерты, фильмы и аттракционы в тематических парках.

Смешанная реальность (MR)

MR сочетает в себе реальный и виртуальный миры, позволяя цифровым объектам взаимодействовать с физическим окружением. В отличие от AR, которая просто накладывает цифровой контент, MR позволяет цифровым объектам отображаться так, как если бы они физически присутствовали в реальном мире. Пользователи могут взаимодействовать с этими объектами и манипулировать ими, используя жесты и другие методы ввода.

Примеры:

• Дизайн и инженерия: Совместное проектирование и визуализация 3D-моделей в общем физическом пространстве. BMW использует MR, чтобы позволить дизайнерам в Германии и Китае одновременно сотрудничать над дизайном автомобилей.
• Удаленное сотрудничество: Позволяет удаленным командам работать вместе над физическими проектами в общей виртуальной среде.
• Образование: Интерактивный учебный опыт, который позволяет учащимся манипулировать виртуальными объектами в реальном мире.
• Планирование хирургических операций: Хирурги в Бразилии используют MR для визуализации опухолей и планирования сложных процедур.

Ключевые технологии, обеспечивающие пространственные вычисления

Несколько ключевых технологий лежат в основе разработки и развития пространственных вычислений. К ним относятся:

Датчики и камеры

Датчики и камеры используются для сбора информации об окружающей среде, включая глубину, движение и визуальные данные. Эти данные затем используются для создания цифровых представлений мира.

• Датчики глубины: Захватывают информацию о глубине для создания 3D-моделей окружающей среды.
• Камеры: Захватывают визуальные данные для идентификации объектов, отслеживания движения и создания опыта дополненной реальности.
• Инерциальные измерительные блоки (IMU): Измеряют ориентацию и движение для отслеживания движений головы и тела пользователя.

Компьютерное зрение

Алгоритмы компьютерного зрения используются для анализа изображений и видео, захваченных датчиками и камерами. Это позволяет устройствам идентифицировать объекты, отслеживать движение и понимать окружающую среду.

• Распознавание объектов: Идентификация объектов на изображениях и видео.
• Отслеживание движения: Отслеживание движения объектов и людей.
• Понимание сцены: Понимание компоновки и структуры окружающей среды.

Пространственное аудио

Пространственное аудио создает более захватывающий и реалистичный звук, имитируя способ распространения звука в реальном мире. Это позволяет пользователям слышать звуки, исходящие из определенных мест в виртуальной среде.

• Функции переноса, связанные с головой (HRTF): Имитируют способ фильтрации звука головой и ушами.
• Амбисоника: Захватывает и воспроизводит звук со всех направлений.
• Объектно-ориентированное аудио: Позволяет звукорежиссерам размещать отдельные звуковые объекты в виртуальной среде.

Тактильная обратная связь

Тактильная обратная связь обеспечивает у пользователей ощущение прикосновения, позволяя им чувствовать виртуальные объекты и взаимодействовать с виртуальной средой более реалистичным способом. Это может быть достигнуто с помощью различных технологий, в том числе:

• Вибрация: Обеспечение простой тактильной обратной связи посредством вибраций.
• Силовая обратная связь: Применение сил к руке или телу пользователя для имитации веса и сопротивления виртуальных объектов.
• Тактильная обратная связь: Имитация текстуры и формы виртуальных объектов с использованием небольших приводов.

3D-моделирование и рендеринг

3D-моделирование и рендеринг используются для создания и отображения виртуальных объектов и сред. Это включает в себя создание 3D-моделей объектов, применение текстур и материалов и рендеринг их в реальном времени.

• Программное обеспечение для 3D-моделирования: Используется для создания 3D-моделей объектов и сред.
• Механизмы рендеринга: Используются для рендеринга 3D-моделей в реальном времени.
• Шейдеры: Используются для управления внешним видом поверхностей и материалов.

Применение пространственных вычислений

Пространственные вычисления могут преобразовать широкий спектр отраслей и приложений. Вот несколько ключевых примеров:

Игры и развлечения

Пространственные вычисления революционизируют индустрии игр и развлечений, создавая более захватывающий и привлекательный опыт. VR-игры переносят игроков в фантастические миры, в то время как AR-игры накладывают цифровой контент на реальный мир. Пространственное аудио и тактильная обратная связь еще больше улучшают эффект погружения, делая игры более реалистичными и увлекательными.

Образование и обучение

Пространственные вычисления преобразуют образование и обучение, предоставляя более интерактивный и увлекательный опыт обучения. VR-симуляции позволяют учащимся практиковать сложные процедуры в безопасной и контролируемой среде, в то время как AR-приложения оживляют учебники с помощью 3D-моделей и симуляций. Например, студенты-медики в Нигерии могут использовать VR для отработки хирургических процедур до операции над реальными пациентами.

Здравоохранение

Пространственные вычисления используются в здравоохранении для лечения фобий, управления болью и реабилитации пациентов. VR-терапия может помочь пациентам преодолеть свои страхи в безопасной и контролируемой среде, в то время как AR-приложения могут помочь хирургам в планировании и выполнении сложных процедур. Использование VR для обезболивания особенно эффективно у жертв ожогов, снижая их зависимость от обезболивающих препаратов в больницах по всему миру.

Производство и инженерия

Пространственные вычисления повышают эффективность и производительность в производстве и инженерии. AR-приложения направляют рабочих через сложные задачи сборки, в то время как MR позволяет дизайнерам сотрудничать над 3D-моделями в общем физическом пространстве. Цифровые двойники, виртуальные копии физических активов, все чаще используются для мониторинга и оптимизации промышленных процессов. Например, Rolls-Royce использует цифровых двойников для мониторинга производительности своих реактивных двигателей в режиме реального времени, что позволяет им предсказывать и предотвращать сбои.

Розничная торговля и электронная коммерция

Пространственные вычисления преобразуют розничную торговлю и электронную коммерцию, предоставляя клиентам более увлекательный и персонализированный опыт покупок. AR-приложения позволяют клиентам виртуально примерять одежду, размещать мебель в своих домах и визуализировать продукты в своей реальной среде. Это может увеличить продажи, уменьшить количество возвратов и повысить удовлетворенность клиентов. Многие интернет-магазины теперь предлагают инструменты AR, чтобы позволить потребителям по всему миру визуализировать продукты в своих домах.

Недвижимость

Пространственные вычисления позволяют потенциальным покупателям виртуально осматривать объекты недвижимости из любой точки мира. Это особенно полезно для международных покупателей или тех, кто не может лично посетить недвижимость. Приложения AR также могут использоваться для визуализации ремонта и улучшений существующих объектов.

Проблемы и возможности

Хотя пространственные вычисления обладают огромным потенциалом, необходимо решить несколько проблем, чтобы в полной мере реализовать их преимущества. К ним относятся:

• Технические ограничения: Текущие гарнитуры AR и VR могут быть громоздкими, дорогими и иметь ограниченное время работы от батареи.
• Создание контента: Создание высококачественного 3D-контента может быть трудоемким и дорогостоящим.
• Пользовательский опыт: Разработка интуитивно понятных и привлекательных пространственных интерфейсов может быть сложной задачей.
• Конфиденциальность и безопасность: Защита данных пользователей и обеспечение безопасности пространственных сред имеет решающее значение.
• Этическое соображение: Решение этических последствий пространственных вычислений, таких как потенциальная зависимость и социальная изоляция.

Несмотря на эти проблемы, возможности для пространственных вычислений огромны. По мере развития технологий мы можем ожидать появления еще более инновационных и преобразующих приложений пространственных вычислений в ближайшие годы.

Будущее пространственных вычислений

Будущее пространственных вычислений радужное, с потенциалом революционизировать то, как мы взаимодействуем с технологиями и окружающим миром. Некоторые ключевые тенденции, за которыми стоит наблюдать, включают:

• Достижения в аппаратном обеспечении: Более легкие, мощные и доступные гарнитуры AR и VR.
• Улучшенное программное обеспечение и алгоритмы: Более сложные технологии компьютерного зрения, пространственного аудио и тактильной обратной связи.
• Расцвет метавселенной: Разработка общих виртуальных миров, в которых пользователи могут взаимодействовать друг с другом и цифровым контентом.
• Расширение внедрения на предприятиях: Более широкое использование пространственных вычислений в производстве, инженерии, здравоохранении и других отраслях.
• Демократизация создания контента: Более простые в использовании инструменты для создания 3D-контента и пространственного опыта.

Пространственные вычисления — это не просто технологическая тенденция; это сдвиг парадигмы, который коренным образом изменит то, как мы живем, работаем и играем. По мере того, как мы движемся к более иммерсивному и взаимосвязанному миру, пространственные вычисления будут играть все более важную роль в формировании нашего будущего.

Заключение

Пространственные вычисления преобразуют наше взаимодействие с цифровым миром, переходя от традиционных 2D-интерфейсов к иммерсивным 3D-средам. Понимая и взаимодействуя с физическим миром в трех измерениях, пространственные вычисления открывают широкий спектр возможностей для инноваций и трансформаций в различных отраслях и в нашей повседневной жизни. Хотя проблемы остаются, будущее пространственных вычислений радужно, обещая более захватывающий, интуитивный и взаимосвязанный мир для всех.