Приложения виртуальной реальности

Сергей Кузнецов

Обзор июльского, 2014 г. номера журнала Computer (IEEE Computer Society, V. 47, No 7, Июль 2014).

Авторская редакция.
Также обзор опубликован в журнале «Открытые системы»

Темой июльского номера являются новые приложения виртуальной реальности. Теме посвящены четыре крупные статьи. Мультимедийные материалы, прилагаемые к этим статьям, доступны по адресу www.computer.org/computer/july-2014-multimedia, Приглашенный редактор – Оливер Бимбер (Oliver Bimber, Johannes Kepler University, Linz, Austria). Его небольшая вступительная заметка называется «Виртуальные раздумья» («Thinking Virtual»).

Что мог бы чувствовать реальный человек, если бы, как в фильме «Аватар», его мозг контролировал абсолютно чуждое ему тело в совершенно чуждой ему местности? Возникло бы у него ощущение присутствия, или же он ощущал бы, что играет в компьютерную игру в некоторой искусственной среде? Современное состояние технологии виртуальной реальности (ВР) позволяют обманывать чувства не только людей, но и животных, и является настолько эффективной, что отсутствует потребность ожидать будущего в духе «Аватара», ощутить себя в чужом теле и месте можно прямо сейчас.

Помимо прочего, эксперименты с использованием ВР позволяют получить новые данные о зрении животных, технология ВР используется для лечения постравматических расстройств, для поддержки исследований в областях познавательной деятельности и поведения человека. То, что называлось «киберпространством» в фантастических произведениях 1980-х, сегодня является ценным инструментом для специалистов в области компьютерных наук, инженеров, психологов, биологов и т.д.

Первая статья тематической подборки представлена Мелом Стейлером и Марией Санчес-Вивес (Mel Slater, ICREA and University of Barcelona, Maria V. Sanchez-Vives, ICREA and IDIBAPS) и называется «Выход за пределы собственного ‘я’ в иммерсивной виртуальной реальности» («Transcending the Self in Immersive Virtual Reality»).

В статье демонстрируется, каким образом можно применить когнитивную нейробиологию (cognitive neuroscience) в иммерсивных виртуальных средах, чтобы заставить человеческий мозг изменить восприятие, психологические установки и поведение при переходе в тело виртуального персонажа. Такие иллюзии владения телом могут создать новые возможности терапевтического лечения, например, для облегчения болевых ощущений или снятия ощущения дискомфорта.

В статье «Экспозиционная терапия на основе использования виртуальной реальности для лечения посттравматических стрессовых расстройств, полученных при участии в боевых действиях» («Virtual Reality Exposure Therapy for Combat-Related PTSD») Альберт Риццо, Арно Хартхольт, Марио Гримани, Эндрю Лидс и Матт Ливер (Albert Rizzo, Arno Hartholt, Mario Grimani, Andrew Leeds, Matt Liewer, USC Institute for Creative Technologies) сообщают о начальных клинических испытаниях и предметных исследованиях, затрагивающих военнослужащих армии США, которые проходят действительную военную службу, а также ветеранов, с использованием сценариев, основанных на военных действиях в Афганистане и Ираке. Исследования направлены на обеспечение уникальных терапевтических потребностей военнослужащих обоих полов, включая военных врачей и санитаров, а также людей, получивших на войне сексуальную травму, которая привела к появлению посттравматического стрессового расстройства.

Рис. 1. Изображения, относящиеся к 4-м из 14-ти сценарных сред, обеспечиваемых в системе виртуальной реальности Bravemind для проведения длительной экспозиционной терапии пациентов с постравматическими стрессовыми расстройствами, полученными при участии в боевых действиях. На рис. 1 (a, b, с) показан взрыв автомобиля, начиненного взрывчаткой в иракском городе, днем (a), вечером в условиях песчаной бури (b), ночью в окулярах прибора ночного видения. рис. 1 (d) демонстрируется сценарий эвакуации раненого бойца с использованием вертолета. На рис. 1 (e) показан взрыв контрольно-пропускного пункта. Рис. 1 (f) демонстрирует взрыв самодельного взрывного устройства в афганской деревне.

Междисциплинарная группа авторов, включающая Джона Стоуверса, Антона Фурмана, Максималиана Хофбауера, Мартина Стрензера, Акселя Шмида, Майкла Дикинсона и Эндрю Строу (John R. Stowers, Vienna University of Technology and Research Institute of Molecular Pathology, Vienna Biocenter, Anton Fuhrmann, VRVis Zentrum für Virtual Reality und Visualisierung, Maximilian Hofbauer, Martin Streinzer, Axel Schmid, University of Vienna, Michael H. Dickinson, California Institute of Technology and University of Washington, Andrew D. Straw, Research Institute of Molecular Pathology, Vienna Biocenter), представила статью «Изучение зрения животных с использованием виртуальной реальности и генетики» («Reverse Engineering Animal Vision with Virtual Reality and Genetic»).

Авторы демонстрируют, каким образом технология виртуальной реальности совместно с достижениями молекулярной генетики и технологией записи сигналов мозга может быть использована для выявления принципов работы нейронных цепей у животных и их воздействия на визуализацию информации. Представлены результаты нескольких экспериментов, в которых ВР применялась для отслеживания характера полета дрозофил и поведения пауков-скакунов.

В заключительной статье тематической подборки «Иммерсивное трехмерное дистанционное присутствие» («Immersive 3D Telepresence»), написанной Генри Фуксом, Андреем Стейтом и Джином-Чарльзом Базеном (Henry Fuchs, Andrei State, University of North Carolina at Chapel Hill, Jean-Charles Bazin, ETH Zürich), описывается, каким образом технология виртуальной реальности может революционизировать будущее информационных взаимодействий. Существующие технологии проведения телеконференций не обеспечивают участникам полного ощущения присутствия при удаленном взаимодействии. Голографические изображения (как в «Звездных войнах») все еще относятся к области научной фантастики. В статье описываются возможности достижения мечты об удаленном взаимодействии с использованием голографических изображений, которые дает имеющаяся технология ВР, а также проблемы, препятствующие прогрессу в этом направлении.

Рис. 2. Иллюстрация концепции квартиры удаленного присутствия. Показаны три географически разнесенные комнаты, соединенные к виртуальную квартиру и разделенные прозрачными стенами.

Вне тематической подборки опубликованы три крупные статьи. Авторами статьи «Сокращение времени запуска ОС Android» («Shortening the Boot Time of Android OS ») являются Ксиа Ян, Нан Сан и Джим Алвес-Фосс (Xia Yang, Nan Sang, University of Electronic Science and Technology of China, Jim Alves-Foss, University of Idaho).

Исследования авторов статьи показали, что наибольшая часть времени запуска ОС Android тратится на инициализацию пользовательского адресного пространства. Поэтому любой метод сокращения времени запуска должен, прежде всего, уменьшать это время инициализации. Авторы разработали метод U-Boot Fast-Boot, который улучшает метод приостановки-возобновления работы системы за счет отсутствия потребности в запуске ядра Linux. При выключении питания устройства с Android ОС сначала приостанавливает работу системы, а затем делает копию ее состояния, включающую копии регистров процессора, основной памяти и состояния устройств. После сохранения этой информации на диске или в флэш-памяти на устройстве полностью отключается питание. При включения питания устройства из внешней памяти загружается сохраненный образ системы, и она возобновляет свою работу без потребности выполнений всей процедуры запуска.

Статья «Измерение среднего отклонения объема энергопотребления смартфона от времени жизни аккумулятора» («Measuring Variance between Smartphone Energy Consumption and Battery Life») представлена Минъен Ким, Ян Геун Ким, Сун Вн Чан и Чеол Геун Ким (Minyong Kim, Young Geun Kim, Sung Woo Chung, Korea University, Cheol Hong Kim, Chonnam National University).

В существующих методах энергосбережения в основном игнорируются электрохимические характеристики ионно-литиевых и полимерно-литиевых аккумуляторов, обуславливающие общую картину их использования. При разрядке аккумулятора часть сохраняемой в нем энергии становится недоступной, и объем этой недоступной энергии возрастает по мере возрастания потребности системы в энергопитании. По этой причине именно характер использования аккумуляторов, а не объем энергопотребления следует использовать как критерий качества любого метода энергосбережения. Авторы статьи разработали метод для устранения разрыва между потреблением запаса аккумулятора и общим энергопотреблением. Этот метод был использован для оценки эффективности схем электропитания смартфонов, основанных на динамическом масштабировании напряжения и частоты (dynamic voltage frequency scaling, DVFS).

Последнюю крупную статью номера под названием «Мониторинг буферов быстрого преобразования алресов для выявления атак типа внедрения кода» («Monitoring Translation Lookahead Buffers to Detect Code Injection Attacks») написали Йонгжан Ан, Йонгсук Ли, Джин-Йонг Чой, Гиунфо Ли и Донкиун Ан (Youngjung Ahn, Yongsuk Lee, Jin-Young Choi, Gyungho Lee, Korea University, Dongkyun Ahn, Intel).

Хотя злоумышленники продолжают изобретать все новые методы внедрения кода, средства противодействия базируются на защите одного объекта – счетчика команд – способами, прозрачными для системного программного обеспечения. Однако не любой внедряемый код является зловредным, и поэтому в каждой схеме предотвращения атак должна иметься возможность различения вредоносного внедренного кода и законного кода, генерируемого на стадии выполнения программ. В современных системах этот подход часто используется для повышения уровней расширяемости и гибкости программного обеспечения. Чтобы обеспечить возможность такого различения, авторы разработали схему TLB-Mon, которая отслеживает промахи в буфере быстрого преобразования адресов (translation lookahead buffer, TLB) для выявления внедренного кода и выяснения того, активизируется ли допустимый или вредоносный код.