isicad: Что такое дополненная реальность и как её можно использовать инженерам-разработчикам и проектировщикам?

Оригинал: Jeffrey Heimgartner, What Is Augmented Reality and How Can Engineers and Designers Use It?

Перевод Ольги Лукашенко

Термин «виртуальная реальность» уже достаточно прочно вошел в обиход. Если вы когда-либо смотрели телесериал или кино Star Trek («Звездный путь»), то, наверное, помните «голодек» на звездолете. «Голодек», или симулятор голографических образов, голографическая приставка – это пустая комната, в которой есть «голо-модулятор» и где можно получать голографические проекции, с помощью которых создается любая форма среды по желанию пользователя. Такие среды могут быть задействованы для чего угодно: развлечения, отдыха в знакомых местах, спортивных занятий в интерактивном режиме, отработки навыков, учебно-тренировочных имитаций, для исследовательских целей и т.д., и т.п. Для пользователя такая среда может казаться реальной, но, естественно, это не так. Она целиком и полностью имитация, «виртуальная реальность».

«Голодек» пока еще только научная фантастика, но виртуальная реальность уже находит применение во многих отраслях. Игровая индустрия – один из примеров. Через виртуальную реальность игроки могут почувствовать себя в трехмерной среде и взаимодействовать с такой средой и другими игроками в ходе игры. Виртуальная реальность, несомненно, полезна в бесчисленном множестве различных отраслей, но как насчет возможного объединения некоторых виртуальных реальностей с реальными жизненными ситуациями? Своего рода улучшенная реальность, в которой пользователь может видеть и ощущать реальный мир вокруг себя, но только дополненный сгенерированными компьютером изображениями и объектами в комбинации с реально имеющими место объектами: дополненная реальность (augmented reality) (ДР).

Хотя термин ДР пока еще не так известен, распространенность концепта стремительно растет. ДР практикуется довольно давно и уже востребована во многих отраслях. В предлагаемой публикации из двух частей мне хотелось бы бросить взгляд на историю развития ДР и рассмотреть текущие и возможные применения ДР в САПР, а в следующей статье подробно остановиться на перспективах использования в информационных моделях зданий (BIM).

Краткая история ДР

Прежде всего, позвольте коротко обрисовать историю развития ДР. Истоки ведут в далекие 1950-ые и 1960-ые годы к Мортону Хейлигу (Morton Heilig), которого сегодня называют «отцом виртуальной реальности». Мортон Хейлиг был философом, создателем фильмов и изобретателем, применившим свой кинематографический опыт в проектировании, в результате чего в 1962 г. ему удалось запатентовать стимулятор под названием «Сенсорама». В данном устройстве различные изображения, звуки, дуновения ветра, запахи и вибрации создавали у пользователя ощущение езды на мотоцикле по улицам Бруклина. Пусть «Сенсорама» была очень большой и громоздкой, но созданный Мортоном стимулятор опередил свое время. К сожалению Мортон не смог добиться достаточной финансовой поддержки для новых разработок в данном направлении.

Стимулятор «Сенсорама». (Фото с www.mortonheilig.com.)

Одной из важных вех в истории ДР стало появление первого головного ДР дисплея. В 1968 г. доцент Гарвардского университета Айвен Сазерденд (isicad.ru: Ivan Sutherland обоснованно считается пионером компьютерной графики и изобретателем первого САПР) вместе со своим студентом Бобом Спруллом изобрел устройство, который сам Сазерленд называл «максимальный дисплей». Система отображала упрощенную каркасную модель комнаты через укрепленные на голове очки, и перспектива с точки зрения пользователя изнутри данного помещения менялась с помощью слежения за зрительным восприятием и положением головы пользователя. Хотя сам пользовательский интерфейс можно было укрепить на голове, система в целом была столь большой и тяжелой, что ее никак нельзя было разместить на человеке и пришлось подвесить прямо над ним на потолке. Неудивительно, что устройство получило название «Дамоклова меча».

«Дамоклов меч» Айвена Сазерленда (Фото от www.mashable.com.)

Хотя мы сейчас и говорим о тех первых опытах в данной области как о ДР, термин «дополненная реальность» появился только в 1990 г. с легкой руки исследователя корпорации «Boeing» Тома Коделла (Tom Caudell). Коделл работал над альтернативой большим и громоздким платам, использовавшимся в качестве наглядного пособия для рабочих, устанавливающих бортовые кабельные системы. Вместо построения платы, которой установщики затем должны были руководствоваться по каждому самолету и процессу, Коделл с еще одним коллегой предложили использовать крепящееся на голове устройство для проецирования схем кабельных систем или инструкций на специальную панель многократного применения. На такие ДР-дисплеи можно было легко вносить оперативные изменения с помощью компьютера в отличие от необходимости вручную переконфигурировать или вновь строить плату.

Десятилетием позже, в 1998 г. состоялась одна из первых главных демонстраций возможностей ДР. Было создано приложение для телевизионной трансляции матчей по американскому футболу. Линия первой попытки («дауна») накладывалась на реальное изображение футбольного поля для просмотра телезрителями. Потом данная технология стала применяться в прогнозах погоды, когда синтезированные с помощью компьютера изображения накладываются на реальные изображения и карты объектов реального мира. И тут уже началось бурное развитие ДР-разработок. В 2000 г. сотрудник лаборатории носимой электроники в университете Южной Австралии Брюс Х. Томас предложил первый мобильный ДР-проект для игры на открытом воздухе - ARQuake. А примерно с 2008 г. ДР используется в приложениях для смартфонов, например, картах. Затем в 2013 г. появился Google Glass – головной оптический дисплей, похожий на очки. И наконец, в прошлом году Microsoft вышел на рынок с HoloLens —ДР-гарнитурой, совмещающей компьютерные изображения (голограммы) с реальным миром вокруг нас.

Потенциал получения дохода от такой продукции растет так же быстро, как и количество разработок в данной области (если не быстрее). Ожидаемый доход от ДР-продуктов в 2016 г. составит 1 миллиард долларов, и прогнозируется, что к 2020 г. достигнет уже 120 миллиардов долларов. Дополненная реальность получает широкое распространение, и ДР-приложения применяются во множестве отраслей. Вот только несколько примеров:

Археология: демонстрация, как древние руины выглядели столетия назад;
Искусство: дать возможность инвалидам создавать произведения искусства, отслеживая движения глаз и транслируя их в рисунок на экране;
Торговля: показ множественных вариантов персонализации или дополнительной информации об изделии;
Образование: наложение текста, графики, видео и аудио в среду реального времени студента;
Индустрия моды: посмотреть, как разный макияж или прически смотрятся на конкретном человеке;
Игровой бизнес: пользователи могут ощущать и взаимодействовать в процессе игры в реальных условиях;
Медицина: демонстрация внутренних органов пациентов, изображение которых накладывается на кожу с помощью виртуальных рентгеновских лучей;
Военное назначение: ДР-очки в режиме реального времени показывают людей и различные объекты, обозначая их специальными информативными индикаторами, и предупреждают солдат о возможной опасности;
Определение местоположения: названия дорог или улиц, прочая существенная информация накладываются на реальные карты, или дисплей на ветровом стекле показывает такого рода данные, как направление движения к конечному пункту, погода, условия местности, состояние дороги, информация о трафике и предупреждения о потенциальных рисках;
Спорт: показ линии первой попытки («дауна») в американском футболе, отслеживание гольфового шарика после удара или шайбы в хоккейной игре;
Телевидение: визуализация и изображение погодных условий.

Таким образом, понятно, что у ДР богатая история, большой потенциал дохода, и эта технология востребована практически во всех отраслях. Но каков эффект для архитектурных решений BIM и САПР-разработок для производства, какие перспективы дополненной реальности в этих отраслях? Давайте сначала проанализируем ситуацию в производстве и САПР.

Производство и САПР

Одно из основных преимуществ, которые ДР привносит в САПР – это способность продемонстрировать проект, существующий исключительно в установленном на вашем компьютере программном обеспечении САПР, в том виде, как он должен будут выглядеть в реальности. Представьте себе, как оператор оборудования или кто-то из монтажного цеха использует планшет, чтобы наложить пошаговые технологические инструкции или видеть конечный продукт сборки, которым можно руководствоваться в процессе монтажа. В последние несколько лет все это стало возможным при наличии соответствующих САПР-программ, трехмерных данных, генерируемых посредством таких программ, смартфона или планшета с фотовидеокамерой и компьютера необходимой мощности. С помощью данной технологии в реальном окружении используется целевой объект для поддержания дополненных трехмерных данных в нужном месте реального мира. Такой объект, как правило, имеет форму печатаемого QR-кода. Объект синхронизирует расположение цифровых трехмерных данных с обозреваемым вами реальным миром, благодаря чему вы может обойти вокруг данного объекта, посмотреть вверх или вниз на объект так, как если бы реально там находились.

Работа с объектом: ARapp, eDrawings от SOLIDWORKS. (Фото предоставлено SOLIDWORKS.)

Головные дисплеи (HMD)

Недавние достижения в развитии технологии добавили новую опцию просмотра в ДР на смартфоне или планшете: больше и выше. Головные дисплеи (HMD) можно модифицировать с помощью очков, которые видят насквозь или проецируют изображения поверх того, что вы видите в реальности. Несколько самых ярких примеров HMD:

HoloLens от Microsoft: голографический компьютер обеспечивает взаимодействие с использованием голограмм высокой четкости в вашей реальности;
Oculus Rift: ультрасовременные дисплеи и оптика гарантируют невероятную точность визуальной имитации и широкое поле обзора с полным эффектом присутствия. В техническом плане это элемент виртуальной реальности, но может модифицироваться для ДР;
ODG R-7 Smartglasses: усовершенствованная платформа для получения ощущений с помощью головных дисплеев ДР.

ODG R-7 Smartglasses. (Фото предоставлено ODG.)

Все данные варианты средств имеют применение в САПР, обеспечивая пользователям возможность просмотра трехмерных данных в том виде, как они выглядели бы в реальности. Для большинства компаний или индивидуумов, работающих в этой сфере, цифровые данные уже есть или легко могут быть созданы в форме трехмерных моделей в САПР-программах.

Как указано выше, одно из основных преимуществ, которые ДР привносит в САПР, это визуализация: возможность видеть готовый проект в реальной среде, даже если он еще не реализован. Кроме визуализации ДР также полезна в практических технологических процессах, например, при проверках контроля качества, техобслуживании и обучении. За реальными примерами, чем такого рода приложения могут быть полезны при проектировании, мы обратились к Декстеру Лилли, исполнительному вице-президенту и директору по производству Index AR Solutions. Он объяснил, что «в третьем проекте компании, полностью проведенным нашими сотрудниками – структурно-сложном изделии, потребовавшим почти 1000 сварок, было достигнуто 35% сокращение как по времени исполнения, так и по затратам с полным сохранением качества. Выполняя недавно сложное инспектирование, мы добились 90% сокращения издержек и сроков. Фактически, мы выяснили, что функция инспектирования прекрасно подходит для дополнения при наличии трехмерной проектируемой модели», добавил г-н Лилли.

Итак, какие же поставщики САПР-программ и другие игроки отрасли выиграют и внедрят ДР?

SOLIDWORKS

У SOLIDWORKS есть ДР-инструментарий как в стандартной, так и в профессиональной версии eDrawings для iPad и iPhone. Проект можно рассмотреть как в реальности, в полном масштабе и в предполагаемой среде. Таким образом, заказчики или другие члены рабочей группы смогут в точности увидеть, как будет выглядеть конечный результат. Можно даже загрузить полную продуктовую линейку в eDrawings и использовать ДР в сочетании с различными конфигурациями, чтобы показать потенциальному заказчику разные варианты изделия. Версии eDrawings Standard и eDrawings Professional доступны для загрузки в магазине приложений.

Autodesk

В какой-то момент у Autodesk был AR плагин для Autodesk Showcase; впоследствии, однако, этот пилотный проект Autodesk Labs был закрыт. Но в 2015 г. было заявлено о планах добиться сопоставимости трехмерных моделей Autodesk с HoloLens от Microsoft. В соответствующем пресс-релизе указывалось, что цифровые модели, работающие на таких программах, как Autodesk Maya или Fusion 360, можно будет просматривать в смешанно-реальной среде с помощью HoloLens.

PTC

PTC вышла на рынок ДР, приобретя ДР-платформу Vuforia. Джей Райт, генеральный менеджер по Vuforia и старший вице-президент PTC, заявляет: «Что касается Vuforia, наша цель – обеспечить ДР-опыт по всем направлениям и добиться фундаментальных изменений в плане того, как придется работать в будущем». Платформа Vuforia поддерживает Android и iOS смартфоны и планшеты, равно как и цифровую очковую оптику.

PTC: Vuforia для использования ДР. (Фото предоставлено PTC.)

Augment

У некоторых сторонних разработчиков также есть ДР-программы и приложения для загрузки. Augment – одна из таких компаний, с готовыми приложениями для Android и iOS платформ. Продукция Augment позиционируется как удобное для пользователя готовое решение, куда можно передавать трехмерные модели, а если у вас собственных трехмерных моделей нет, то их сотрудники создадут их для вас, или вы можете изучить набор уже готовых трехмерных моделей Augment.

Приложение Augment. (Фото предоставлено Augment.)

Выводы

ДР можно использовать практически на любой стадии проектирования и производства, от разработки идеи и планирования, когда осуществляется анализ и оценка концепта и возможных альтернатив с учетом того, как они будут выглядеть в реальности, до стадии производства, где этапы технологического процесса, примеры монтажа и данные контроля качества можно наложить на фактическую рабочую среду. ДР обеспечивает подробную информацию по процедурам технической поддержки, совмещая их напрямую с необходимыми компонентами или оборудованием. ДР может даже пригодиться в маркетинге изделия или проекта, так как можно показать различные варианты конфигурации и понять, как изделие будет выглядеть у заказчика.

ДР-технологии наиболее эффективны в работе инженеров-проектировщиков именно на стадии проектирования изделия. ДР позволяет разрабатывать изделие непосредственно в той среде, где оно в конечном итоге окажется, принимая при этом во внимание возможные пространственные или другие ограничения. ДР усиливает эстетический аспект работы проектировщика: теперь можно гарантировать, что на готовый продукт действительно будут приятно смотреть после его установки. Или, например, требуется, спроектировать дополнительный элемент или оборудование, но у вас нет чертежей или моделей изделия. С ДР вы приобретаете возможность проектировать непосредственно на изделии, с учетом его размеров, формы и характеристик.

Вне зависимости от направленности проекта и этапа его разработки или реализации, технологии дополненной реальности заслуживают внимательного к себе отношения, и их нужно стараться задействовать. ДР поможет более эффективно интерпретировать трехмерные данные и понять, как они соотносятся с реальной средой. Обмен данными по проекту с другим сотрудниками или потенциальным заказчикам также можно улучшить благодаря ДР, что означает большую точность проектирования, сокращение сроков от разработки до выпуска и рост объемов продаж. Мое мнение: только сплошной выигрыш.

Ссылки

Jeffrey Heimgartner