Осязаемая виртуальность: новая платформа для реалистичного взаимодействия с миром

Автор: Денис Аветисян

В статье представлена платформа для симуляции в реальном времени, позволяющая пользователям взаимодействовать с виртуальными жидкостями, деформируемыми и твердыми объектами с помощью тактильной обратной связи.

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"

Цикл обратной тактильной связи обеспечивает управление силой, воздействующей на объект, посредством корректировки усилия, создаваемого тактильным устройством, при этом изменение положения объекта в пространстве учитывается в каждой следующей итерации симуляции.

Разработанный фреймворк SPHaptics обеспечивает стабильное и отзывчивое тактильное взаимодействие, используя метод сглаженных частиц гидродинамики для моделирования мультифизических систем.

Обеспечение тактильной отдачи в виртуальных средах, особенно при взаимодействии с многофизическими системами, представляет собой сложную вычислительную задачу. В данной работе, ‘SPHaptics: A Real-Time Bidirectional Haptic Interaction Framework for Coupled Rigid-Soft Body and Lagrangian Fluid Simulation in Virtual Environments’, предложен унифицированный фреймворк, использующий метод сглаженных частиц (SPH) для обеспечения стабильного и отзывчивого тактильного взаимодействия с жидкостями, деформируемыми и жесткими телами в реальном времени. Разработанная система объединяет динамику различных сред в единую платформу, позволяя пользователям манипулировать объектами в жидкости и ощущать соответствующие силы сопротивления. Открывает ли это новые перспективы для создания иммерсивных обучающих приложений и реалистичных симуляторов в различных областях?

Иллюзия Реальности: Стремление к Унифицированной Модели

Традиционные методы симуляции, как правило, испытывают трудности при моделировании одновременного взаимодействия жидкостей, твёрдых и деформируемых тел. Это связано с тем, что каждый тип вещества требует отдельного подхода к расчётам и, как следствие, значительных вычислительных ресурсов. Например, симуляция реалистичного потока воды вокруг сложного объекта требует решения уравнений Навье-Стокса, в то время как моделирование деформации мягкого тела опирается на методы конечных элементов. Попытки объединить эти подходы часто приводят к компромиссам между точностью и производительностью, что отрицательно сказывается на качестве интерактивного опыта. Неспособность адекватно учесть все эти факторы приводит к неестественному поведению объектов в виртуальной среде, разрушая иллюзию присутствия и снижая степень погружения пользователя.

Для достижения подлинного эффекта погружения в виртуальную среду необходима унифицированная система, способная моделировать взаимодействие разнообразных физических явлений — жидкостей, твердых и деформируемых тел — в рамках единого подхода. Отсутствие такой интеграции приводит к разрывам в реалистичности, поскольку отдельные симуляции часто не согласованы между собой, нарушая правдоподобие взаимодействия объектов. Унификация позволяет не только повысить точность моделирования, но и значительно оптимизировать вычислительные ресурсы, избегая дублирования вычислений и обеспечивая плавное и естественное поведение виртуального мира. Такая система позволяет создавать более убедительные и захватывающие виртуальные опыты, открывая новые возможности для обучения, развлечений и научных исследований.

Современные методы моделирования физических процессов зачастую сталкиваются с необходимостью компромисса между точностью и производительностью. Стремление к фотореалистичной графике и сложным взаимодействиям в виртуальных средах требует значительных вычислительных ресурсов, что приводит к упрощению физических моделей или снижению частоты кадров. Как следствие, виртуальные взаимодействия могут казаться неестественными или недостаточно убедительными для пользователя. Например, реалистичная симуляция разрушения объектов или динамики жидкостей, требующая детального расчета каждого элемента, может значительно замедлить работу системы. Поэтому, разработчики постоянно ищут новые алгоритмы и аппаратные решения, позволяющие достичь оптимального баланса между визуальной достоверностью и скоростью работы, чтобы создать действительно иммерсивный опыт.

Необходимость в принципиально новом подходе к моделированию виртуальных сред обусловлена стремлением к достижению беспрецедентного реализма и эффективности. Существующие методы, как правило, требуют значительных вычислительных ресурсов и зачастую не способны достоверно воспроизвести сложное взаимодействие различных физических объектов — жидкостей, твердых тел и деформируемых материалов. Разработка унифицированной системы, способной обрабатывать все эти явления в рамках единого фреймворка, позволит существенно упростить процесс моделирования, снизить требования к аппаратным ресурсам и, как следствие, открыть новые возможности для создания интерактивных и правдоподобных виртуальных миров. Такая система позволит пользователям взаимодействовать с виртуальной реальностью так, словно она неотличима от реальной, что особенно важно для широкого спектра применений — от компьютерных игр и развлечений до инженерного проектирования и научных исследований.

Демонстрация фреймворка симуляции выполнена на ноутбуке с мобильным GPU RTX 3080, шлемом виртуальной реальности HTC Vive Pro 2 и тактильным устройством 3D Systems Touch.

Метод Сглаженных Частиц: Основа Симуляции

Гидродинамика сглаженных частиц (SPH) представляет собой бессеточный, лагранжев подход к моделированию жидкостей и деформируемых твердых тел. В отличие от традиционных методов, основанных на сетках, SPH представляет вещество в виде набора частиц, что позволяет эффективно обрабатывать сложные геометрические формы и значительные деформации без проблем, связанных с искажением сетки. Лагранжева природа SPH означает, что расчеты выполняются, отслеживая движение отдельных частиц, что упрощает моделирование больших деформаций и топологических изменений. Этот метод особенно полезен в сценариях, где традиционные методы на основе сеток сталкиваются с трудностями, таких как моделирование взрывов, разрушение материалов и взаимодействие сложных объектов. Отсутствие сетки также снижает накладные расходы на предварительную обработку и упрощает адаптацию к изменяющимся условиям симуляции.

В основе движка лежит надежная реализация метода SPH, оптимизированная за счет использования пространственного хеширования. Данная техника позволяет значительно ускорить поиск ближайших соседей для каждой частицы, что критически важно для производительности симуляции. Вместо полного перебора всех частиц, пространственное хеширование разбивает пространство симуляции на ячейки, позволяя идентифицировать потенциальных соседей только в пределах нескольких ближайших ячеек. Это снижает вычислительную сложность поиска соседей с $O(N^2)$ до $O(N)$, где $N$ — количество частиц, что обеспечивает существенный прирост производительности, особенно при моделировании систем с большим количеством частиц.

В основе метода SPH лежит функция ядра (Kernel Function), определяющая взаимодействие между частицами и обеспечивающая точное приближение уравнений континуума. Эта функция, математически представляющая собой взвешенное среднее свойств соседних частиц, определяет вклад каждой частицы в расчет свойств в конкретной точке пространства. Выбор конкретной функции ядра, такой как Gaussian, Cubic Spline или Wendland C², влияет на точность, гладкость и вычислительную сложность симуляции. В частности, функция ядра используется для вычисления плотности, давления и других физических величин в каждой точке, обеспечивая непрерывное представление жидкости или деформируемого тела из дискретных частиц. Эффективность и точность симуляции напрямую зависят от корректного выбора и реализации функции ядра, учитывающего радиус сглаживания (smoothing length) и пространственное распределение частиц.

Для обновления положений и скоростей частиц в симуляции используется схема неявной Эйлеровской интеграции. В отличие от явных схем, неявная Эйлеровская интеграция вычисляет новое состояние частицы, учитывая её будущее положение, что значительно повышает устойчивость симуляции, особенно при использовании больших шагов по времени. Это достигается решением системы уравнений, связывающих текущие и будущие значения, что требует итеративных методов, но обеспечивает более точное моделирование динамики жидкости или деформируемого тела. Формально, обновление координат $x_i^{n+1}$ и скоростей $v_i^{n+1}$ происходит на основе неявной схемы, где все величины на шаге $n+1$ вычисляются совместно.

В единой SPH-симуляции жесткая сфера и мягкая тканевая плоскость представлены как частицы, при этом частицы жидкости окрашены в соответствии с давлением.

От Частиц к Восприятию: Визуализация Симуляции

Для визуализации объёма жидкости на основе данных частиц используется генерация изоповерхности — метод, позволяющий извлечь визуально согласованное поверхностное представление. Этот процесс подразумевает построение поверхности, определяемой набором точек с одинаковым значением некоторой функции (например, плотности). В контексте моделирования жидкости, функция определяет распределение частиц в пространстве, а изоповерхность отображает границу между областью с высокой концентрацией частиц и областью с низкой концентрацией, создавая визуализацию формы и структуры жидкости. Использование изоповерхности позволяет преобразовать дискретные данные частиц в непрерывное, легко интерпретируемое изображение.

Для эффективной генерации изоповерхности используется алгоритм Marching Cubes, который позволяет распараллелить вычисления на графическом процессоре (GPU). Данный алгоритм делит объем данных на кубические ячейки и определяет, какие ячейки пересекаются заданной изоповерхностью, формируя полигональную сетку. Распараллеливание вычислений на GPU значительно увеличивает скорость обработки, позволяя в реальном времени визуализировать большие объемы данных и обеспечивать высокую производительность рендеринга. Эффективность Marching Cubes обусловлена его способностью обрабатывать каждый куб независимо, что идеально подходит для параллельной архитектуры GPU.

Преобразование дискретных данных частиц в непрерывную поверхность осуществляется посредством интерполяции значений между частицами. Этот процесс позволяет создать визуально связное представление жидкости, где плотность и другие характеристики плавно меняются в пространстве. Вместо отдельных точек, наблюдатель видит сплошную поверхность, отражающую поведение симулируемой жидкости. Использование алгоритмов интерполяции, таких как трилинейная интерполяция или более сложные методы, обеспечивает реалистичное отображение формы и динамики жидкости, создавая иллюзию непрерывного потока и взаимодействия.

Визуализация результатов симуляции позволяет пользователям интуитивно понимать и взаимодействовать с виртуальной средой. Преобразование данных о частицах в непрерывное визуальное представление обеспечивает наглядное отображение сложных динамических процессов, что упрощает анализ и интерпретацию результатов моделирования. Возможность визуального взаимодействия, например, изменение параметров симуляции в реальном времени и наблюдение за соответствующими изменениями в визуализации, значительно повышает эффективность работы с данными и способствует более глубокому пониманию моделируемых явлений. Такой подход критически важен для применения симуляций в областях, требующих не только точных расчетов, но и удобного пользовательского интерфейса.

Параллельная реализация алгоритма marching cubes на GPU позволяет генерировать изоповерхности в реальном времени.

Погружение в Реальность: Оживляя Симуляцию

Разработанная платформа выходит за рамки простого визуального отображения, интегрируя тактильную обратную связь, что позволяет пользователям не только видеть, но и физически ощущать симулируемую среду. Данный подход существенно повышает степень погружения, поскольку взаимодействие с виртуальным миром становится мультисенсорным. Вместо того чтобы ограничиваться визуальными подсказками, система передает ощущения прикосновения, давления и текстуры, создавая более реалистичный и интуитивно понятный опыт. Это достигается за счет использования специализированных устройств, способных генерировать силы и вибрации, соответствующие действиям пользователя в симуляции, что открывает новые возможности для обучения, тренировок и развлечений.

В основе реалистичного тактильного взаимодействия лежит точный расчет сил, действующих на все объекты в симуляции. Данная система, получившая название Force Integration, определяет векторные величины, возникающие при столкновениях, гравитации и других физических процессах. Каждый объект, от мельчайшей частицы до сложного механизма, подвергается тщательному анализу с учетом его массы, скорости и взаимодействия с окружающей средой. Полученные данные о силах служат фундаментом для создания правдоподобных ощущений прикосновения, позволяя пользователю чувствовать сопротивление, вес и текстуру виртуальных объектов. Этот подход обеспечивает не просто визуальную иллюзию, а полноценный тактильный опыт, значительно повышая степень погружения в симулированную реальность.

Для создания тактильного взаимодействия с симуляцией используется специальное устройство — тактильный интерфейс. Оно преобразует расчетные силы, воздействующие на объекты в виртуальном мире, в физические ощущения, передаваемые пользователю. Данное устройство позволяет ощутить сопротивление при прикосновении к виртуальным объектам, их текстуру и вес, значительно усиливая эффект погружения. Благодаря такому взаимодействию, пользователь не просто видит симуляцию, но и «чувствует» её, что делает опыт более реалистичным и интуитивно понятным. Использование тактильных интерфейсов открывает новые возможности в различных областях, от обучения и тренировок до развлечений и научных исследований, позволяя создавать более эффективные и запоминающиеся симуляции.

Данная платформа обеспечивает полностью захватывающий опыт взаимодействия, объединяя визуальную симуляцию с тактильными ощущениями. Благодаря интеграции с гарнитурой виртуальной реальности и высокоточной системой передачи обратной связи, пользователь получает возможность не только видеть, но и физически ощущать смоделированный мир. Особого внимания заслуживает производительность системы: она способна в реальном времени моделировать до 50 000 частиц с частотой около 60 кадров в секунду даже на потребительском ноутбуке, открывая широкие возможности для интерактивных приложений и исследований в различных областях — от обучения и проектирования до развлечений и телеприсутствия.

В ходе взаимодействия с водой и тканью, тактильное устройство манипулирует шарами из дерева, пластика и металла с разной плотностью (0.1, 0.3 и 1.0 соответственно), демонстрируя влияние плотности на поведение объектов.

Представленная работа демонстрирует стремление к ясности в сложном пространстве симуляций. Разработчики создали основу для взаимодействия с виртуальными средами, где жидкости и твердые тела существуют одновременно. Этот подход, основанный на методе Smoothed Particle Hydrodynamics, позволяет достичь стабильности и отзывчивости в режиме реального времени. Как заметил Брайан Керниган: «Простота — это высшая степень совершенства». Стремление к минимализму в дизайне симуляции, где каждая сложность требует алиби, позволяет создать инструмент, который не только функционален, но и интуитивно понятен. Основная концепция — установление стабильного взаимодействия между различными физическими моделями — достигается не за счет усложнения, а за счет элегантности реализации.

Что дальше?

Представленная работа, несмотря на свою техническую сложность, лишь слегка приоткрывает завесу над истинной проблемой — не в увеличении количества симулируемых частиц, а в радикальном упрощении необходимого. Стремление к фотореализму в виртуальной реальности часто оборачивается самообманом, создавая иллюзию прогресса, в то время как фундаментальные ограничения восприятия остаются неизменными. Будущие исследования должны быть направлены не на воспроизведение, а на суггестию тактильных ощущений, используя минимальный набор данных для создания убедительного опыта.

Очевидным узким местом остается проблема стабильности при взаимодействии жидкостей с деформируемыми телами. Увеличение вычислительной мощности — лишь временное решение, отвлекающее от необходимости разработки принципиально новых алгоритмов, способных предсказывать и предотвращать нефизичные взаимодействия. Возможно, стоит обратить внимание на методы, заимствованные из области машинного обучения, позволяющие «угадывать» поведение системы, а не точно ее моделировать.

В конечном счете, ценность подобных разработок не измеряется количеством симулируемых частиц или скоростью вычислений. Истинный успех придет, когда виртуальное прикосновение станет неотличимо от реального, не благодаря сложности симуляции, а благодаря изящности обмана восприятия. И это потребует не только технических инноваций, но и глубокого понимания того, как мы ощущаем мир вокруг себя.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.15908.pdf

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

Смотрите также:

2025-11-21 09:32