Иллюзии Пространства: Создание Переходов в Виртуальной Реальности

Автор: Денис Аветисян

Новые методы рендеринга порталов позволяют расширить виртуальные миры и создавать ощущение бесшовных переходов между пространствами.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Тестовая сцена представлена без активированных порталов, что позволяет оценить базовое поведение системы в отсутствие дополнительных связей.

В статье рассматриваются методы оптимизации рендеринга порталов в VR с использованием стереоскопической визуализации, буфера трафарета и алгоритмов отсечения невидимых поверхностей.

Создание иллюзии неограниченного пространства в виртуальной реальности остается сложной задачей, требующей значительных вычислительных ресурсов. В данной работе, посвященной теме ‘Rendering Portals in Virtual Reality’, исследуется техника реализации проходимых порталов, позволяющая искусственно расширить виртуальное пространство. Предложенный подход направлен на обеспечение плавного и незаметного перехода через порталы, а также на оптимизацию производительности рендеринга. Возможно ли добиться оптимального баланса между визуальной достоверностью, плавностью перехода и минимальным влиянием на общую производительность VR-системы?

Преодолевая Границы Реальности: Концепция Невозможных Пространств

Традиционные системы виртуальной реальности, несмотря на впечатляющую способность погружать пользователя в цифровые миры, сталкиваются с фундаментальным ограничением — физическим пространством. Пользователь, находясь в виртуальной среде, фактически ограничен размерами комнаты или зоны, в которой он физически перемещается. Это накладывает существенные ограничения на масштаб и детализацию виртуального мира, снижая уровень погружения и реалистичности. Например, для исследования огромного виртуального замка или полёта над вымышленным городом требуется гораздо больше пространства, чем может предоставить типичная комната. В результате, виртуальные путешествия и взаимодействия часто оказываются искусственно сжатыми и неполноценными, что снижает эффект присутствия и ограничивает потенциал VR-технологий для образования, развлечений и профессиональных приложений.

Концепция “невозможных пространств” стремится преодолеть ограничения, накладываемые физическими границами в виртуальной реальности, предлагая пользователю возможность исследовать практически неограниченные миры. Вместо традиционного подхода, где виртуальное пространство ограничено доступной площадью, данная технология использует порталы — виртуальные переходы, соединяющие различные, отдалённые друг от друга области. Эти порталы позволяют пользователю мгновенно перемещаться на огромные расстояния, создавая иллюзию безграничного пространства и открывая возможности для исследования масштабных виртуальных миров, которые физически невозможно было бы создать в реальной среде. Такой подход не только расширяет возможности иммерсии, но и позволяет создавать уникальные игровые и образовательные опыты, где границы пространства становятся условными и поддаются полному контролю.

Для преодоления границ физического пространства в виртуальной реальности используются различные методы, позволяющие пользователю перемещаться за пределы реальных границ помещения. Ключевым является прием “пространственной деформации”, когда виртуальное пространство расширяется или искривляется, создавая иллюзию гораздо большей площади, чем доступно в реальности. Также применяются техники “телепортации” и “шагов”, позволяющие мгновенно перемещаться на большие расстояния, обходя необходимость физического передвижения. В сочетании с алгоритмами отслеживания движений и оптимизацией рендеринга, эти технологии создают ощущение свободы перемещения в неограниченном виртуальном мире, позволяя пользователю исследовать обширные пространства, не покидая пределов своей комнаты. Такой подход открывает новые возможности для игр, обучения и виртуальных путешествий, стирая границы между физическим и цифровым мирами.

Четыре комнаты, соединенные порталами (красным цветом), доступны для исследования, не покидая ограниченного реального пространства[5].

Оптимизация Рендеринга Порталов для Иммерсивной VR

Эффективная отрисовка порталов критически важна для поддержания высокой частоты кадров и плавного опыта в виртуальной реальности. Наивные подходы к рендерингу порталов быстро становятся вычислительно затратными, поскольку требуют отрисовки геометрии, которая может быть не видна пользователю. Каждый портал, по сути, является дополнительным этапом рендеринга, и увеличение их количества напрямую влияет на нагрузку графического процессора. Неоптимизированная отрисовка порталов может привести к значительному снижению частоты кадров, вызывая тошноту и дискомфорт у пользователя, что недопустимо для иммерсивных VR-приложений. Для достижения стабильной и комфортной работы необходимо применять специализированные техники оптимизации, направленные на минимизацию вычислительных затрат при рендеринге порталов.

Оптимизация рендеринга порталов использует такие методы, как отсечение невидимых полигонов (Back-Face Culling) и буфер трафарета (Stencil Buffer) для выборочной отрисовки только видимых частей виртуальной среды. Отсечение невидимых полигонов позволяет исключить из процесса рендеринга полигоны, обращенные от камеры, снижая нагрузку на графический процессор. Буфер трафарета, в свою очередь, позволяет точно контролировать, какие пиксели будут отрисованы через портал, предотвращая отрисовку объектов, которые должны быть скрыты, и обеспечивая корректное отображение через портальные поверхности. Комбинированное использование этих техник значительно повышает эффективность рендеринга сложных сцен с использованием порталов.

Однопроходный инстансный рендеринг (Single-Pass Instanced Rendering) оптимизирует процесс рендеринга для стереоскопического VR, позволяя отрисовывать изображения для обоих глаз за один проход. Это значительно снижает накладные расходы, связанные с повторной отрисовкой сцены для каждого глаза отдельно, что критически важно для поддержания высокой частоты кадров и снижения задержки. Вместо последовательной отрисовки левого и правого глаза, данные для обоих изображений обрабатываются параллельно, эффективно удваивая производительность рендеринга и минимизируя влияние на время работы GPU.

Оптимизация рендеринга порталов напрямую влияет на время обработки кадров GPU, что критически важно для обеспечения плавного пользовательского опыта в VR. Первоначальное тестирование показало частоту кадров 44.7 fps без использования порталов. Однако, добавление всего одной пары порталов привело к снижению частоты кадров до 27.9 fps, что составляет снижение на 37%. Данный результат подчеркивает необходимость дальнейшей оптимизации используемых методов рендеринга порталов для поддержания приемлемого уровня производительности и избежания снижения плавности визуализации в VR-приложениях.

Использование инстансированного однопроходного рендеринга позволяет обработать всю геометрию сцены единожды, значительно снижая вычислительную нагрузку [11].

Навигация в Невозможном: Локомоция в Расширенной VR

Традиционные методы перемещения в VR, такие как Head-Directed Locomotion (перемещение, основанное на направлении взгляда пользователя) и Point & Teleport (указание точки и мгновенное перемещение в нее), являются основными способами навигации в виртуальной среде. Head-Directed Locomotion позволяет пользователю двигаться в направлении взгляда, обеспечивая интуитивное управление. Point & Teleport, в свою очередь, позволяет пользователю выбирать местоположение в виртуальном пространстве и мгновенно перемещаться туда, что особенно полезно для преодоления больших расстояний или избежания препятствий. Оба метода широко используются в VR-приложениях для обеспечения свободы передвижения и взаимодействия с виртуальным окружением.

Методы перемещения, такие как прямое управление движением и телепортация, являются критически важными для обеспечения взаимодействия пользователя в расширенных виртуальных пространствах, создаваемых с помощью проходимых порталов. Использование порталов позволяет значительно увеличить воспринимаемую область исследования, однако без эффективных систем перемещения пользователь был бы ограничен в возможности полноценного исследования и взаимодействия с объектами в этих расширенных областях. Эти методы позволяют пользователю перемещаться между различными областями, соединенными порталами, и поддерживать ощущение присутствия и вовлеченности в виртуальную среду, несмотря на физические ограничения реального пространства.

Надёжное отслеживание перемещений в реальном пространстве (Room-Scale Tracking) является критически важным для обеспечения точного соответствия между физическими движениями пользователя и его виртуальным воплощением. Это достигается за счёт использования различных технологий, таких как внешние базовые станции, отслеживание по изображениям или инерциальные датчики, которые позволяют с высокой точностью определять позицию и ориентацию пользователя в трёхмерном пространстве. Точное отображение движений в виртуальной среде значительно повышает ощущение присутствия (presence) и уменьшает вероятность возникновения дискомфорта или укачивания, что особенно важно при использовании расширенных виртуальных сред и систем с высокой степенью свободы перемещения.

Технологии перемещения в виртуальной реальности, такие как Head-Directed Locomotion и Point & Teleport, не ограничиваются стереоскопическими VR-приложениями. Они также успешно применяются в моноскопических окружениях, где отсутствует стереоскопическое зрение. Это позволяет создавать интерактивные виртуальные пространства, доступные для пользователей, использующих, например, мобильные устройства или веб-браузеры, без необходимости использования VR-гарнитур. Эффективность этих методов в моноскопических приложениях достигается за счет использования альтернативных визуальных подсказок и интерфейсов, компенсирующих отсутствие стереоскопической глубины восприятия.

При расположении камеры правого глаза внутри портальной стены, но до пересечения плоскости портала центром головы, без дополнительных действий пользователь не увидит следующую комнату, а только содержимое или пространство за портальной стеной.

Будущее Иммерсивных Переживаний: За Пределами Текущих Границ

Сочетание проходимых порталов и оптимизированных методов рендеринга открывает путь к созданию огромных, взаимосвязанных виртуальных миров. Данная технология позволяет пользователям беспрепятственно перемещаться между различными виртуальными пространствами, стирая границы между отдельными локациями и создавая ощущение единого, бесшовного мира. Это не просто расширение существующих виртуальных сред, а принципиально новый подход к их организации, где масштабы и сложность ограничиваются лишь вычислительными мощностями и творческим потенциалом разработчиков. Подобные системы позволяют создавать виртуальные вселенные, исследование которых не ограничено физическим пространством, и предоставляют пользователям невиданную ранее свободу передвижения и взаимодействия с цифровым окружением.

Возможность преодоления ограничений физического пространства открывает принципиально новые горизонты для различных областей деятельности. В игростроении это позволяет создавать бесшовные, огромные миры, где игроки могут свободно перемещаться между локациями, не сталкиваясь с загрузками и ограничениями. В сфере образования подобные технологии способны обеспечить иммерсивные учебные среды, позволяя студентам исследовать исторические места, анатомические структуры или даже космос, как если бы они находились там лично. Особое значение имеет потенциал для совместной работы, где дизайнеры, инженеры и архитекторы, находящиеся в разных частях света, могут взаимодействовать в едином виртуальном пространстве, совместно проектируя и оценивая сложные объекты и системы, что значительно повышает эффективность и креативность процесса.

Постоянное совершенствование методов рендеринга и способов перемещения в виртуальной реальности играет ключевую роль в углублении эффекта погружения и повышении удобства использования таких систем. Исследования направлены на оптимизацию алгоритмов визуализации, позволяющих создавать более детализированные и реалистичные виртуальные окружения без значительного снижения производительности. Параллельно разрабатываются новые способы локомоции — перемещения пользователя в виртуальном пространстве — призванные минимизировать укачивание и обеспечить интуитивное управление. Улучшения в этих областях не только расширяют возможности для развлечений и игр, но и открывают перспективы для применения виртуальной реальности в образовании, медицине и профессиональной подготовке, где реалистичное и комфортное взаимодействие с виртуальным миром является критически важным.

В рамках исследования производительности технологий создания иммерсивных сред, видеокарта Nvidia GeForce GTX 1070 была использована в качестве эталонного оборудования для оценки эффективности разработанных методов. Эксперименты показали снижение частоты кадров на 37% при использовании всего одной пары виртуальных порталов, что подчеркивает необходимость оптимизации алгоритмов рендеринга и поиска новых подходов к повышению производительности. Данный результат демонстрирует потенциал для дальнейших исследований и разработки более мощного оборудования, способного поддерживать сложные виртуальные окружения и обеспечивать бесшовный пользовательский опыт в будущих иммерсивных приложениях. Полученные данные служат важным ориентиром для разработчиков и производителей, стремящихся к созданию по-настоящему реалистичных и масштабных виртуальных миров.

Использование маскирования областей рендеринга для пар камер позволяет сократить вычислительную нагрузку втрое, что демонстрируется на примере пользователя, находящегося в зеленой комнате и наблюдающего порталы в желтую и пурпурную комнаты.

Исследование методов создания порталов в виртуальной реальности демонстрирует стремление к расширению границ возможного в цифровых пространствах. Подобно тому, как сложная система, лишенная четкой структуры, оказывается хрупкой, так и виртуальная среда, перегруженная излишними деталями и неоптимизированным рендерингом, теряет свою убедительность. Авторы справедливо отмечают важность оптимизации производительности и использования таких инструментов, как stencil buffer, для достижения плавных переходов. Как однажды заметил Пол Эрдёш: «Математика — это искусство видеть невидимое». В данном контексте, создание иллюзии непрерывности пространства через порталы требует не только технических навыков, но и математической элегантности, позволяющей обмануть восприятие пользователя и создать эффект присутствия в искусственно расширенном мире.

Куда Ведет Портал?

Представленные исследования, безусловно, открывают возможности для искусственного расширения виртуальных пространств, однако следует признать, что элегантность подобного решения кроется не в усложнении, а в ясности границ. Попытки создания “невозможных” пространств неизбежно сталкиваются с ограничениями восприятия и вычислительной мощности. Вопрос не в том, чтобы создать иллюзию бесконечности, а в том, чтобы мастерски управлять восприятием конечности.

Оптимизация производительности, особенно в контексте стереоскопического рендеринга, остается критически важной задачей. Простое увеличение масштаба виртуального мира без учета принципов эффективной отрисовки приводит лишь к увеличению вычислительной нагрузки. Следующим шагом видится разработка адаптивных алгоритмов, способных динамически упрощать геометрию и текстуры в зависимости от расстояния до наблюдателя и направления его взгляда — живой организм, реагирующий на внешние раздражители.

Необходимо также учитывать, что визуальная иллюзия портала — лишь часть более сложной системы. Звуковое сопровождение, тактильная обратная связь и даже вестибулярные ощущения должны быть скоординированы для создания действительно убедительного эффекта присутствия. В конечном счете, успех подобных технологий зависит не от технических ухищрений, а от понимания того, как работает человеческое восприятие — структура, определяющая поведение.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.20722.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-29 14:21