История развития платформ для всенаправленного пешего передвижения в виртуальной реальности
На сегодняшний день можно выделить четыре основных направления развития платформ для всенаправленного пешего передвижения пользователя в виртуальной реальности (VR locomotion platforms). Большинство существующих решений берут своё начало в научных исследованиях специалистов VR Lab University of Tsukuba (Япония), оказавших ключевое влияние на развитие технологий виртуального передвижения.
Далее мы последовательно рассмотрим каждое направление развития всенаправленных VR-платформ, их текущее состояние, а также причины, по которым большинство подобных устройств до сих пор не обеспечивают комфортное, реалистичное и физиологически корректное передвижение пользователя в виртуальной реальности.
«В завершение страницы мы подготовили для вас подборку видеоматериалов с YouTube, демонстрирующих работу всех рассмотренных здесь устройств, представленных в той же последовательности, в которой они упоминаются в тексте.»
1. Всенаправленные беговые дорожки (Omni-Directional Treadmill)
К первому направлению относятся устройства, конструктивно напоминающие классические спортивные беговые дорожки, но обладающие дополнительными степенями свободы, позволяющими пользователю перемещаться не только вперёд и назад, но и в стороны. Рабочая поверхность таких платформ, как правило, разделена на сегменты или модули, способные изменять ориентацию, а вся система предназначена для динамического возврата пользователя в центральную область рабочей зоны.
Основы данного принципа были заложены в устройствах Torus Treadmill и Omni-Directional Treadmill (ODT), представленных в 1997 году.
Устройство Torus Treadmill было разработано в Университете города Цукуба (Япония), а ODT — американскими инженерами компании Virtual Space Devices. Подробное описание данной конструкции приведено в патенте США US5562572A «Omni-Directional Treadmill».
Torus Treadmill 1997
Virtual Space Devices 1997
Одной из наиболее масштабных попыток коммерческого развития этого направления стал европейский проект CyberWalk. Его современным развитием можно считать платформу INFINADECK, представляющую собой уменьшенную и технологически усовершенствованную версию подобных систем, ориентированную на профессиональное и индустриальное применение.
Ограничения и недостатки направления
К ключевым недостаткам всенаправленных беговых дорожек данного типа относятся:
- высокая конструктивная сложность и габаритные размеры;
- большое количество трущихся механических элементов;
- необходимость применения мощных приводов;
- высокий вес конструкции, энергопотребление и сложность обслуживания.
Попытки уменьшить размеры подобных устройств были реализованы в проектах Cybercarpet и StriderVR, однако они не устранили фундаментальные ограничения данного принципа. В обоих случаях используется классический механизм беговой дорожки, дополненный блоком шариков:
в Cybercarpet вращается сама беговая дорожка под блоком шариков;
в StriderVR вращается блок шариков, расположенный над беговой дорожкой.
Несмотря на различия в реализации, базовый принцип работы и связанные с ним ограничения остаются одинаковыми.
Disney Holotile
Отдельно в рамках направления всенаправленных беговых дорожек (Omni-Directional Treadmill) следует отметить разработку Disney Holotile. В данном устройстве опорная поверхность формируется из массива механизированных роликов с индивидуальным приводом, которые в реальном времени компенсируют перемещение пользователя и возвращают его в центральную область платформы.
Такой подход позволяет выполнять шаговые движения в любом направлении, оставаясь в пределах рабочей зоны. Концепция устройства подробно описана в патенте США US20180217662A1 (2017)
«Floor system providing omnidirectional movement of a person walking in a virtual reality environment».
Несмотря на технологическую сложность и оригинальность решения, данный подход сохраняет характерные для беговых дорожек ограничения, связанные с высокой механической сложностью, стоимостью и затруднённой реализацией естественных сценариев движения.
Ограничения реалистичности
Дополнительным существенным недостатком всех устройств данного направления является невозможность реализации подъёма и спуска по лестнице, а также сложных сценариев передвижения по пересечённой местности. Это существенно снижает уровень погружения и ограничивает применимость подобных платформ в реалистичных VR-сценариях.
Cybercarpet StriderVR
2. Платформы со скольжением и антифрикционным эффектом
Второе направление основано на использовании эффекта снижения трения.
В таких системах применяются:
- ролики на подошве обуви пользователя;
- ролики или шаровые элементы на платформе;
- специальные антифрикционные покрытия.
Данное направление берёт своё начало с экспериментального проекта Virtual Perambulator, представленного в 1995 году на конференции SIGGRAPH исследователями из University of Tsukuba. Это один из ранних VR-интерфейсов локомоции, предназначенных для имитации ходьбы пользователя. В конструкции устройства применялась гладкая пластиковая поверхность и скользкая обувь, позволяющая ногам свободно проскальзывать при выполнении шаговых движений.
Следующим этапом развития этого направления стала платформа
Omni-direction Ball-bearing Disc Platform (OBDP) (1999 год), в которой применялось множество шаровых роликов, размещённых непосредственно на опорной поверхности.
Современные аналоги
Современные коммерческие устройства данного типа (Virtuix Omni, , Wizdish ROVR, WalkMouse, Cyberith Virtualizer, Kat Walk и др.) принципиально мало отличаются от своих ранних прототипов. Улучшения в основном касаются систем страховки и безопасности, но не повышают реалистичность ходьбы.
Основная проблема заключается в самом принципе скольжения: пользователь вынужден «ездить» ногами по поверхности, что субъективно напоминает ходьбу по льду и не соответствует естественной биомеханике человека.
Virtual Peranbulator
OBDP
3. Обувь с электроприводом (Powered Shoes)
Третье направление основано на использовании роликов с электроприводом, закреплённых непосредственно на обуви пользователя. Первым таким устройством стали Powered Shoes, разработанные в VR Lab University of Tsukuba.
Современные аналоги, включая проект Freeaim VR Shoes, принципиально не ушли далеко от исходной концепции и по-прежнему страдают от ряда объективных проблем:
- удары элементов обуви друг о друга при ходьбе;
- высокий уровень шума;
- значительные ударные нагрузки на суставы;
- невозможность реализовать подъём по лестнице и движение по пересечённой местности.
Размещение подъёмных механизмов непосредственно на ногах пользователя делает такие системы громоздкими и снижает их практическую применимость.
Powered Shoes
Freeaim VR Shoes
4. Платформы с независимыми площадками для ног
Четвёртое направление включает устройства с отдельными платформами для каждой стопы. Большинство подобных решений существовало в виде научных публикаций и прототипов.
Одна из первых разработок данного типа была описана в работе «A foot following locomotion device with force feedback capabilities». Конструкция представляет собой платформу с двумя подвижными рычагами и четырьмя степенями свободы; вследствие значительных эксплуатационных нагрузок устройство требует применения мощных приводов, что является его ключевым недостатком.
К этому же направлению относятся устройства Gait Master:
- Gait Master 1 — две подвижные платформы на телескопических механизмах;
- Gait Master 2 и Gait Master 5 — описанные в научных публикациях VR Lab University of Tsukuba. Вторая и пятая версии разрабатывались для применения в медицинской реабилитации.
Устройства вне классификации
Отдельно следует упомянуть CirculaFloor и VirtuSphere, которые не относятся ни к одному из перечисленных направлений.
CirculaFloor — система из нескольких роботизированных платформ, которые поочерёдно подставляются под ноги пользователя.
VirtuSphere — прозрачная вращающаяся сфера диаметром около 2 метров, внутри которой находится пользователь.
Принцип работы VirtuSphere был впервые описан в патенте RU2109336C1 (1995)
«Способ погружения пользователя в виртуальную реальность и устройство для его реализации».
Вывод
Изучив и протестировав существующие устройства для всенаправленного пешего передвижения в VR, мы пришли к выводу, что ни одно из доступных решений не обеспечивает одновременно высокий уровень реалистичности, комфорта и безопасности.
Мы уверены, что устройство Radix Omnidirectional Treadmill, принципиально отличающееся от существующих аналогов, способно вывести технологии VR-локомоции на новый уровень. Заложенная в нём концепция позволяет существенно упростить конструкцию, снизить стоимость промышленного производства и сделать реалистичное виртуальное передвижение доступным более широкой аудитории.
