VR – не только развлечения

Помните, когда-то в детстве, когда мы играли в любимую игрушку, нам хотя бы раз, да хотелось побывать внутри виртуального игрового мира и пройтись по уровню вместе с героем. И не говорите, что такого не было. Более 25 лет существует компьютерная графика, и бок о бок с ней идет развитие решений для виртуальной реальности. По своей сути, виртуальная реальность (далее, VR) это один из способов представления информации и вовлечения пользователя в игровой или созидательный процесс.

С помощью VR вы можете наблюдать виртуальный мир аналогично реальному окружению, за исключением того, что нет запахов или тактильных ощущений, но и это уже практически решено и не является большим препятствием. Надевая шлем VR, вы можете погрузиться в игру или трехмерную сцену профессионального приложения, где вы сможете выполнять навигацию и осуществлять манипуляции с объектами.

Немного кино для вызова информационного голода...



Утолить свой голод, вы можете под катом! :)

Области применения
Как показывает практика, области применения VR настолько широки, что краткое описание каждой из них может занять несколько страниц. Мы же сосредоточимся на некоторых из них.
Для многих VR ассоциируется в первую очередь с индустрией развлечений. Безусловно, компьютерные игры это огромная индустрия и драйвер для развития VR, но и индустрия кино не стоит на месте, уже сейчас доступны решения для создания VR видео, что позволяет создавать фильмы которые можно смотреть, надев шлем VR.
Как ни странно, профессиональных сфер применения VR гораздо больше. К ним относится и создание графического контента, научные исследования, разработка рабочих процессов (монтаж оборудования и ремонт техники), оценка практичности интерьеров и экстерьеров, демонстрации для заказчиков и потенциальных покупателей (архитектура, транспорт, автомобилестроение и не только). Симуляторы полетов и управления транспортными средствами, моделирование химических и физических процессов (знакомство с компьютерной моделью с помощью визуализации). И это далеко не полный список. Технологии виртуальности востребованы везде, где нужно "полное погружение" в иные миры. VR позволяет значительно расширить возможности промышленных дизайнеров и проектировщиков, позволяя производить более точную оценку и анализ своих разработок в приближенных к реальности условиям.
К числу компаний, которые активно используют VR для разработки продуктов и общения с заказчиками, относятся такие автомобильные гиганты, как Audi, Ford, BMW, Daimler. Архитектурные бюро AEcom, Gensler активно используют VR для того, чтобы заказчики проектов еще на ранних стадиях могли оценить эргономику и удобство создаваемых помещений.
VR уже давно не является игрушкой для подростков, это законченное и комплексное программно-аппаратное решение, а с появлением доступного по цене оборудования и решений на его основе, технологии VR могут быть применены в любой деятельности человека, выходя далеко за границы индустрии развлечений.
Программное обеспечение
Какое программное обеспечение поддерживает возможности VR? Ответ достаточно прост. Практически любое 3D приложение может работать с VR при определенной оптимизации и реализации функции VR в самом приложении или его графическом ядре.
Давайте разберемся, где же профессиональные пользователи могут использовать возможности VR с полной отдачей. Одними из наиболее активных пользователей возможностей VR являются специалисты таких индустрий, как автомобилестроение, судостроение, авиационная промышленность, проектирование и дизайн интерьеров, градостроительная инфраструктура, обучение и отработка действий. В этих областях востребовано «полное погружение в процесс» и виртуальная реальность позволяет смоделировать реальные условия, как на дороге или воздухе, так и в помещении. А благодаря применению возможностей таких движков, как Unreal Engine 4, Unity 5, CRYENGINE и Autodesk Stingray, дизайнеры могут создавать реалистичные трёхмерные модели как самих устройств и их кабин, так и окружающего их мира. А перемещение и взаимодействие с ними, могут осуществляться с помощью комплектов VR.

Рис. 1. Пример визуализации VR изображения в Autodesk InfraWorks 360. Изображение предоставлено Autodesk.
Инженеры и проектировщики получили возможности для работы с VR в таких приложениях, как Autodesk VRED 2017 и TechViz XL. Пакет Autodesk VRED предоставляет достаточно интересные возможности для совместной работы нескольких пользователей прямо в виртуальной реальности. Это удобно когда необходимо смоделировать поведение технического и обслуживающего персонала, например, в автосервисе или авиационном ангаре, а так же пройтись внутри будущего сооружения или машины (например, в грузовике или экскаваторе).

Рис. 2. Пример применения шлема HTC Vive совместно с Autodesk VRED 2017. Пользователь находится в виртуальном пространстве интерьера автомобиля.
В этих задачах применения виртуальной реальности подразумевается использование высококачественной и точной визуализации сложных моделей, требовательных к производительности компьютерной системы для снижения асинхронной одновременной визуализации двух кадров. Для этого, рекомендуется применять профессиональные GPU с достаточным объемом памяти и поддержкой VR.
Решение TechViz XL предоставляет возможность выводить в VR ваше основное программное обеспечение, такое как PTC Creo или SolidWorks и работать с ним c применением VR шлема. В свою очередь, это позволяет использовать родное приложение без сложных преобразований данных и опираться на инструментарий, доступный в параметрическом и графическом ядрах САПР.
Такая система разработки интерактивных приложений как Unity, предоставляет пользователю гибкие возможности для разработки приложений с поддержкой VR и шлемов HTC Vive. Это позволит создавать виртуальные миры и работать с поддержкой всех ключевых возможностей Unity. Отмечу, что мы говорим о профессиональном применении Unity для создания интерактивных приложений используемых для презентаций и исследований.

Рис. 3. Пример VR приложения разработанного с помощью Unity для демонстрации интерьера.
Если художники являются настоящими энтузиастами технологий, они также могут использовать VR для работы с такими приложениями, как Autodesk Maya и Side FX Houdini в которых доступны инструменты для работы с VR как в виде внутренних инструментов, так и виде отдельных модулей расширения. А отдельного внимания заслуживает не такое далекое будущее, - визуализация VR образов с применением полноценной трассировки лучей в режиме реального времени. Ведущие разработчики систем визуализации, такие как PIXAR, NVIDIA и Chaos Group предлагают своим клиентам возможности визуализации VR изображений, где художники могут выполнять фотореалистичную визуализацию.

Рис. 4. Пример визуализации сцены из анимационного фильма в режиме VR помощью V-Ray RT GPU.
С выходом новой архитектуры графических процессоров NVIDIA Pascal такая возможность становится ближе для разработчиков приложений на основе SDK NVIDIA iRay и NVIDIA OptiX. Высокое качество изображения и применение реалистичных эффектов, таких как объемный свет и мягкие тени, предоставят возможность архитекторам и дизайнерам «погружаться» прямиком в новый мир. Но какое необходимо оборудование для реализации высококачественного VR и во сколько оценивается современное решение для работы с VR? Мы рассмотрим эти вопросы в следующих разделах.
Выбор оборудования
Если вам необходимо осуществить внедрение программного обеспечения с поддержкой функций VR, необходимо позаботиться о соответствующем оборудовании. Поскольку VR крайне требователен к производительности системы, в первую очередь нужно позаботиться о высокопроизводительной графике. Для профессиональной работы с VR вам потребуется графический процессор профессиональной линейки NVIDIA Quadro уровня Quadro M5000 и выше, поддерживающий технологии NVIDIA VRWorks. Идеальным решением станут графические процессоры Quadro, построенные на архитектуре Pascal. Полный список моделей, поддерживающих VR для профессиональных задач, включает:
GPU для рабочих станций линейки Quadro: M5000, M6000, M6000 24Gb, P5000, P6000.
GPU для мобильных рабочих станций линейки Quadro: M5500.
Именно эти GPU обеспечивают необходимую частоту кадров в приложении - 90 Гц на каждый глаз. Если вы обратитесь в компанию FORSITE, вы можете провести бесплатный Test Drive GPU для работы с виртуальной реальностью и опробовать их возможности на своих проектах.
Для разработки и работы программного обеспечения с поддержкой VR рекомендуется использовать CPU Intel Core i7, Intel Xeon E5 V4 и выше, а так же достаточный объем оперативной памяти (не менее 32 Гб), что необходимо для оптимальной производительности. Но на практике, все зависит от сложности визуализируемой модели, и чем выше производительность оборудования, тем больше возможностей вы получаете для достижения высокой скорости визуализации.
Большую выгоду в производительности и качестве визуализации можно получить благодаря применению возможностей реализованных в профессиональных графических ускорителях Quadro, официальным производителем и поставщиком которых на российский рынок является компания PNY Technologies, и доступного для них программного обеспечения от NVIDIA. Возможности коррекции изображения и сохранение пропорций в режиме реального времени, реализованные в Quadro, позволяют избежать дискомфорта в процессе быстрой и требовательной к высокой производительности синхронизации двух одновременно визуализируемых кадров. Помимо этого, такие возможности как синхронизация множества видео-потоков и синхронизация нескольких GPU позволяют выводить изображение на множество дисплеев, которыми и являются VR шлемы.
В качестве устройств отображения VR и управления пространством вы можете использовать комплекты HTC Vive (http://www.vive.com/ru/) которые мы посоветуем как доступное и лёгкое в обращении решение с функциональными контроллерами и возможностями. Отметим, что комплекты Vive на данный момент единственные VR решения, продаются в России официально.
Для помощи адаптации к VR для корпоративных клиентов, предлагается Vive Business Edition (http://www.vive.com/uk/enterprise/), включающая необходимые инструменты для развертывания решений VR в большом масштабе. Данная редакция включает коммерческую лицензию для бизнеса, расширенные кабели длинной до 10 метров, прямую поддержку, услуги по быстрому развертыванию, установке и обновлению и интеграцию Vive Business Edition в IT инфраструктуру и сеть.
Компания HTC предоставляет сервис по установке и обновлению, ставший доступным напрямую с портала htcvive.com ранее в Октябре. Компаниям предлагается выбор из трех режимов установки для программного обеспечения SteamVR: локальная установка без подключения к сети Интернет, самостоятельное/ручное обновление или автоматическое обновление ПО. Обновление пакетов программного обеспечения выполняется напрямую с сервера компании HTC без подключения к серверам Steam, что удовлетворяет типичным правилам и требованиям IT безопасности.

Рис. 5. Расширение TPCAST для шлема  HTC Vive позволит убрать кабели.
Независимые разработчики расширений для HTC Vive уже в ближайшее время выпустят на рынок решений VR расширение для шлема Vive позволяющее передавать изображение без применения кабелей. Расширение для шлема TPCAST позволяет выполнять беспроводную передачу изображения, без значительной потери в качестве. Это дает большую свободу в работе с виртуальной реальностью и для взаимодействия пользователей с виртуальными объектами.
Стоимость внедрения и владения VR
Для совместной работы в VR над большими проектами часто создаются специальные помещения, именуемые CAVEs (от слова cave – пещера (пер. с англ.)). Таким решениям требуется большая площадь, тщательно проработанное освещение, несколько проекторов и рабочие станции. Стоимость таких решений может достигать 10 или 11 миллионов рублей. Согласитесь, не каждый университет, разработчик и проектное бюро могут позволить себе такой комплекс. Притом же, управление и обслуживание системы могут быть достаточно дороги и потребовать определенного времени на ожидание доставки замены вышедших из строя компонентов.

Рис. 6. Пример CAVE системы в УГАТУ (г.Уфа).
Современное программное обеспечение для VR зачастую позволяет обойтись без создания дорогостоящих CAVE-пространств и обеспечивает коллективное погружение в VR на программном уровне. Выигрыш будет очевиден. По нашим оценкам, шлем и рабочая станция (например, модель 240 VR PRO (http://forsite-company.ru/configurator/70481/) от компании FORSITE на базе двух GPU NVIDIA Quadro в исполнении PNY Technologies), позволяют комфортно работать с виртуальным пространством. А замена компонентов компьютерной системы будет значительно дешевле, чем покупка нового комплекса или рабочей станции.
Разработка приложений для VR с NVIDIA VRWorks
Для разработчиков VR-приложений будет полезен набор инструментов VRWorks (https://developer.nvidia.com/vrworks) от NVIDIA.С выходом архитектуры NVIDIA Maxwell стала возможной поддержка одновременной визуализации двух кадров и их синхронизации, без дополнительных ухищрений. Все необходимые инструменты предоставляются в инструментарии для разработчиков и поддерживаются архитектурой GPU. Набор VRWorks и предоставляет большое количество инструментов и возможностей для разработки комплексных приложений, оптимизированных для работы с VR.

Рис. 7. NVIDIA VRWorks. Основные компоненты.
VRWorks является набором API, библиотек и движков, позволяющих разработчикам приложений и VR-очков использовать богатые возможности, реализованные в них. VRWorks предоставляет новый уровень взаимодействия с помощью реалистичных образов, звука, откликов и смоделированного окружения виртуальной реальности. Ключевые компоненты VRWorks адоптированы для интеграции с ведущими в индустрии графическими движками, таких как Unreal Engine 4 и Unity 5 предоставляя разработчикам простой путь к расширенным возможностям за счет SDK в разрабатываемых ими играх и приложениях. Разработчики могут использовать SDK позволяющий ускорить захват 360° видео и обрабатывать его, тем самым улучшая создаваемые окружения, такие как CAVES, Immersive Displays & Cluster Solutions.

Демонстрация работы NVIDIA VRWorks Audio на основе технологии NVIDIA OptiX.
Разработчики профессиональных приложений (САПР, анимации и визуализации) нацеленные на применение профессиональных GPU NVIDIA Quadro, могут быть также заинтересованы в применении специфичных для ускорителей данной линейки функций.

Демонстрация возможностей NVIDIA VRWorks и архитектуры NVIDIA Pascal для работы с VR.
GPU линейки Quadro также поставляются с доступом к NVIDIA VRWorks SDK, который использует SMP для увеличения производительности технологий Single Pass Stereo и Lens Matched Shading, чтобы значительно повысить производительность графики для VR, для создания более богатых, более захватывающих окружений.
Другие связанные с VR возможности, эксклюзивные для GPU линейки Quadro включают такие технологии, как GPUDirect for Video, Warp & Blend и GPU Synchronization.
Мечты стали реальностью, технологии, которые когда-то были доступны единицам, сейчас приходят в жизнь простого проектировщика, инженера, дизайнера. Настало то время, когда мы можем пересмотреть процессы работы и взаимодействия между людьми, и взаимодействовать на новом уровне/в новом окружении. Технологически нам требуется гораздо меньше компонентов для создания высококачественно VR окружения, а оборудование может быть быстро приобретено и установлено на рабочем месте пользователя. А объединение множества пользователей из различных уголков света в едином окружении, позволит лучше взаимодействовать между собой большим коллективам. Тем самым увеличив скорость разработки, согласования и выпуска нового продукта на рынок.
Благодарности
Я выражаю большую благодарность своим партнерам и друзьям из компании FORSITE за предоставленное для исследования и написания статьи оборудование, а также консультации по аппаратным решениям. Также выражаю благодарность компании NVIDIA за оказанную помощью в подготовке материалов статьи и техническую поддержку.
Так же, выражаем благодарность официальному производителю и поставщику профессиональных видеокарт NVIDIA Quadro в России компании PNY Technologies.