Федеральное агентство по образованию РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Уральский государственный университет им. А.М.Горького
Математико-механический факультет
Кафедра информатики и процессов управления
“Сравнительный анализ трехмерных методик в человеко-компьютерных интерфейсах”
| "Допущен к защите" ___________________ "__"____________2008 г. | Квалификационная работа на степень бакалавра наук по направлению "Математика, прикладная математика" студента гр. Мт - 405 Щербинина А.А. Научный руководитель Авербух В.Л. доцент КИПУ, к.т.н. |
Екатеринбург
2008
РЕФЕРАТ
Щербинин А.А. Сравнительный анализ трехмерных методик в человеко-компьютерных интерфейсах, бакалаврская работа
Ключевые слова: ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ, СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ, ИЗМЕРЕНИЕ, ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ, ТЕСТЫ.
Цель работы - разработка программного обеспечения, моделирующего психологический тест в рамках среды виртуальной реальности. В разработке используются среда Visual Studio 2003 и библиотека OpenGL, с помощью последней осуществлялется взаимодействие с аппаратными средствами, обеспечивающими работу в средах виртуальной реальности. Создано приложение, позволяющее проводить исследования и получать количественные показатели по эффективности использования трехмерных методик в человеко-компьютерных интерфейсах, в том числе работающих в средах виртуальной реальности.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………4
ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ……………………………………………….6
ПРИМЕНЕНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ НАУЧНОЙ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ………………………....………..11
КУБИКИ КОСА…………………………………………………………....…....14
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ……………………………...……………………….16
РЕАЛИЗАЦИЯ…………………………………………………………..………17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….24
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….25
ВВЕДЕНИЕ
Одной из задач компьютерной визуализации как самостоятельной дисциплины является поиск, выбор и проектирование методик человеко-машинного интерфейса и визуализации. Проблема эффективности интерпретации очень важна для проектировщика систем визуализации, также как и вся проблематика, порождаемая ролью пользователя, и как потребителя результатов процесса моделирования, и как участника этого процесса.
При проектировании систем на базе сред виртуальной реальности, обслуживающих сложные научные и информационные приложения, вопрос иногда состоит в том, способен ли человек, находящийся в состоянии погружения в виртуальную реальность адекватно принимать решения. Под адекватностью в данном случае понимается способность осуществлять это хотя бы так же, как при использовании «обычной» трехмерной графики или при работе с изображениями на бумаге или реальными объектами.
Оценки качества человеко-компьютерного интерфейса и визуализации очень важны при проектировании и разработке визуальных интерактивных систем. В современной практике в этой связи в основном используются методики «юзабилити». (От англо-американского термина usability, его еще можно перевести как оценка пригодности к использованию, оценка качества). Однако зачастую применение методов юзабилити не дает объективной оценки и не позволяет провести адекватный анализ качества интерфейса и визуализации, особенно в случае сред виртуальной реальности, когда опыт использования и решения задач ограничен и специфичен (игры, “3D-кино”, развлечения).
Поэтому стоит проблема разработки методов оценки, базирующихся на фундаментальных положениях психологии и ее отраслей – психофизиологии и когнитивной психологии. Для этих дисциплин характерны экспериментальные методики изучения познавательных и интеллектуальных способностей и их связи с восприятием и вниманием. Также в рамках этих дисциплин имеются экспериментальные методики оценки интеллекта.
Очевидно, что необходимо построить эксперимент, в котором будет проверяться, хуже или лучше человек совершает интеллектуальные операции в виртуальной среде.
Таким образом, эксперимент должен состоять в том, что испытуемый выполняет тот или иной интеллектуальный тест с реальными объектами, с трехмерными объектами, реализованными с применением средств «традиционной» трехмерной графики и с помощью средств виртуальной реальности.
Так как наша основная задача заключается в оценке качества визуального интерфейса и визуализации, то закономерно, что такой тест должен быть связан со зрительным восприятием. Коллеги – психологи в качестве такого теста выбрали тест «кубики Коса». Нашей задачей является создание программного обеспечения для проведения тестирования.
Ниже в квалификационной работе описывается использование сред виртуальной реальности в различных приложениях. Затем описана сама задача построения теста «Кубики Коса», реализация соответствующей системы и проблемы, при этом возникающие. В заключении описываются перспективы нашего исследования.
ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ
Важным этапом развития аппаратных и программных средств визуализации следует считать появление технологии «виртуальной реальности».
Термин «виртуальная реальность» был предложен в 1989 году Дж. Ланьером для описания систем на базе тренажеров и симуляторов, созданных для летчиков и космонавтов. (Правда, Ай. Сазерлэнд использовал его еще в 1965 году для описания иллюзии, созданной ЭВМ.) Сначала термин «виртуальная реальность» использовался исключительно для описания соответствующей аппаратуры (шлемов со встроенными экранами, перчаток, манипуляторов и пр.) но вскоре он перешел и на программное обеспечение. Появление этих систем в конце 80-ых годов вызвало настоящий ажиотаж. По сообщениям СМИ в США выстраивались тысячные очереди, чтобы приобщиться к новым ощущениям. Однако вскоре ажиотаж спал, и системы стали использоваться не в шоу-бизнесе, а при разработке систем визуализации различного назначения.
«Виртуальную реальность» можно описать как ментальный опыт, который заставляет пользователя поверить, что «он там», что он находится в виртуальном мире. Взаимодействуя с виртуальной средой, пользователь теперь не просто наблюдатель того, что происходит на экране, он чувствует то, что погружается в этот мир и принимает участие в его жизни. Это происходит, несмотря на тот факт, что в действительности и пространство этого мира и его объекты существуют в памяти ЭВМ и мозгу пользователя. Таким образом, важную роль в системах виртуальной реальности играет пользователь, «погруженный» в эту реальность. Пользователь осуществляет управление выводом информации, а также может участвовать в адаптивном управлении работой некоторой прикладной программы. Суть виртуальной реальности состоит в содержащейся в ней зависимости между участником и виртуальной средой, где непосредственный опыт среды погружения и организует взаимодействие. Виртуальная реальность может рассматриваться как результат эволюции таких средств коммуникации как телевидение, ЭВМ и телефон. Основной характеристикой этой эволюции является полное погружение каналов человеческого восприятия в живой и глобальный опыт взаимодействия.
Определим виртуальную реальность в терминах опыта человека как реальную или моделируемую среду, в которой человек, ее воспринимающий получает впечатление «телеприсутствия». При этом телеприсутствие может определяться как опыт присутствия в некотором окружении посредством коммуникативной среды.
Вывод изображение осуществляется с учетом требований фотореалистичности. В литературе отмечается, что естественное, построенное на интуиции управление является сутью погруженности в системах виртуальной реальности. Если управление сложно или приводит к ошибкам, то иллюзия погруженности очень быстро исчезает.
Среды виртуальной реальности реализуются на базе:
а) рабочей станции, снабженной монитором,
б) шлема или очков со встроенным экраном и ручного манипулятора с большим количеством степеней свободы;
в) «театра виртуальной реальности», где сцена первоначально представляет собой куб размером с комнату, с стенами, а также потолком и полом, на которые проецируется видеоизображение с высокой разрешающей способностью (Еще одно часто используемое название – CAVE).
При использовании рабочей станции получается «недорогая» виртуальная реальность с низкой степенью погруженности в нее пользователя, которую можно использовать для демонстрации достаточно простых отображений данных. Для достижения стереоэффекта рекомендуется применение специальных очков.
Использование шлема или очков или с встроенным экраном, обеспечивает высокую степень погруженности пользователя за счет заполнения всего поля зрения синтезированными системой образами, а также за счет использования специальных аппаратных средств, повышающих ощущение погруженности. Средства слежения за движениями головы и глаз и ручные манипуляторы обеспечивают ввод необходимых данных для генерации сцен в соответствии с движениями пользователя. Возможно также использование средств озвучивания (сонификации данных), создающих иллюзию того, что звук исходит из конкретного места в виртуальном окружении (стереоэффект). Кроме этого возможно использование простых средств распознавания и генерации речи, обеспечивающие манипуляции с мышью по устным командам пользователя и устное же подтверждение системой его действий.
При использовании театра виртуальной реальности не надо применять обременяющий пользователя шлем. Для наблюдения за качественным стереоизображением и управлением его выводом достаточно специальных очков со средствами слежения за движениями головы и глаз, а также трехмерной мыши. Может (или даже должна) поддерживаться возможность сонификации данных и средств, обеспечивающих звуковые стереоэффекты и распознавание речевого ввода.