NASA использует виртуальную реальность для тренировки астронавтов

Виртуальная реальность: Парадигма перетягивания каната, соединяющая технологические механизмы с человеческим сознанием

Введение и концептуальные рамки

Виртуальная реальность (VR) представляет собой совокупность интерактивных технологических сред, которые отрывают пользователя от физической среды и помещают его в искусственно созданное, поддерживаемое компьютером мир. Когда-то этот концепт казался частью лишь жанра фэнтези или далёкого будущего, но сегодня он проник практически во все сферы общества — от образования и журналистики до военного моделирования и клинической терапии. Основная цель виртуальной реальности заключается в вызове у пользователя психологического состояния, называемого , которое означает, что разум воспринимает искусственную среду как «реальную» и ведёт себя так, будто он независим от физического окружения.

Процесс определяет согласованность сигналов, которые пользователь подаёт в зрительную, слуховую и осязательную системы. Если согласованность между предъявляемым изображением и восприятием тела нарушается, ощущение перемещения исчезает, и пользователь может испытать «тошноту от виртуальной реальности (VR sickness)». Поэтому успех виртуальной реальности основан не только на качестве оборудования, но и на глубоком понимании того, как именно обманывается человеческое восприятие.

Основные механизмы виртуальной реальности

Надёжность виртуального опыта основана на одновременной работе множества когнитивных и технологических механизмов. Эти системы строят иллюзию «правдоподобия» (plausibility), имитируя естественные сигналы, которые мозг использует для восприятия мира.

Стереоскопическое зрение и восприятие глубины

Стереоскопическое зрение — это способность воспринимать окружающий мир в трёхмерном объёме, то есть видеть глубину и расстояние до объектов. Эта способность основана на том, что каждый из наших глаз получает немного разное изображение одного и того же объекта, поскольку они расположены на определённом расстоянии друг от друга. Мозг объединяет эти два изображения в одно, что и создаёт ощущение глубины и объёма.

Именно благодаря стереоскопическому зрению мы можем точно оценивать расстояние до предметов, ловить движущиеся объекты, ориентироваться в пространстве и выполнять множество повседневных задач, требующих точного восприятия пространства.

Однако не все люди в полной мере обладают этой способностью. У некоторых людей наблюдается нарушение бинокулярного зрения, когда мозг не может правильно объединить изображения от обоих глаз. Это может приводить к снижению или отсутствию восприятия глубины.

Существует несколько способов проверить своё стереоскопическое зрение. Например, можно использовать специальные тестовые таблицы или стереоскопы. Также в домашних условиях можно провести простой тест: закрыть один глаз и попытаться оценить расстояние до предмета, а затем повторить то же самое другим глазом. Если оценка значительно отличается, это может указывать на проблемы со зрением.

Для поддержания здоровья глаз рекомендуется регулярно проходить осмотры у офтальмолога, правильно распределять зловую нагрузку и давать глазам отдыхать, особенно при работе за компьютером или чтении.

Таким образом, стереоскопическое зрение играет важную роль в повседневной жизни человека, позволяя воспринимать окружающий мир в полном объёме и точно ориентироваться в пространстве.

Человеческий мозг рассматривает объект двумя глазами с разных углов; между изображениями, проецируемыми на каждый глаз, возникают небольшие различия (). Мозг объединяет эти два изображения, создавая ощущение глубины. Шлемы виральной реальности воссоздают тот же эффект искусственно, проецируя для каждого глаза отдельное изображение. Эта технология называется и требует использования независимого экрана для каждого глаза.

Однако здесь возникает важное противоречие: когда глаза фокусируются на объекте на экране (аккомодация), они одновременно пытаются выровнять два изображения (конвергенция), однако в реальном мире, где эти два процесса естественно согласованы, глазные мышцы блокируются на разных расстояниях. Поскольку виртуальный экран всегда находится на фиксированном расстоянии, а перемещаемые объекты движутся в зависимости от глубины, этот конфликт, называемый , может вызывать зрительное утомление и головную боль. Это одна из самых активных областей исследований в области современного виртуальной реальности.

Отслеживание головы и отслеживание движений

Чтобы изображение оставалось живым, оно должно мгновенно обновляться в зависимости от движений головы пользователя. Приборы, называемые , благодаря расположенным внутри акселерометру (), гироскопу и датчикам магнитного поля отслеживают повороты головы пользователя с точностью до миллисекунд. Эти данные обрабатываются, и сцена мгновенно перерисовывается заново, что обеспечивает естественное изменение перспективы при осмотре окружающего пространства.

В продвинутых системах для отслеживания всего тела используется . Существует два основных подхода: отслеживание положения внутри пространства, создаваемого внешними датчиками (базовыми станциями), и отслеживание движений с помощью внутренних инерциальных измерительных модулей (). В некоторых продвинутых средах для достижения полного погружения применяется использование , которые физически перемещают пользователя.

Тактильная обратная связь и хаптические системы

За пределами визуального и звукового ввода осязание играет критическую роль в процессе перетаскивания. углубляет восприятие объектов за счёт передачи давления, вибрации или сопротивления. В таких системах, как разрабатываемые NASA, эта область приобретает особую значимость, поскольку способность ощущать, как ведут себя тела в космосе, является основой успешного выполнения реальных задач (см. соответствующий раздел ниже).

Область обзора и частота обновления

Поле зрения (FOV)частота обновления

Виртуальная лаборатория NASA: технологии выживания в космосе

Комплексная лаборатория виртуальной реальности NASA демонстрирует, как эта технология играет жизненно важную роль в одном из самых критических и рискованных направлений её применения—в обучении астронавтов , то есть проведению внекорабельной деятельности. Во время выхода в открытый космос астронавм покидает пределы капсулы и выполняет такие задачи, как замена неисправного модуля, и этот процесс сопряжён с смертельно опасными рисками.

История моделирования представления о пространстве-времени

Раньше, чтобы узнать, что же ждёт астронавта в открытом космосе, достаточно было лишь однажды испытать это на практике. Чтобы снизить риск происшествий, в середине 1980-х годов исследователи NASA обратились к виртуальным методам моделирования пребывания в невесомости, и сегодня передовые возможности лаборатории, которые она предоставляет, — это плоды этих работ. Сегодня почти все астронавты, работающие на МКС, заранее знают, чего ожидать, когда покидают капсулу.

Опыт работы в лаборатории очень богат: он представляет собой представление Международной космической станции (ISS); головной (headset), перчатки, обеспечивающие тактильную обратную связь, и комбинация трекеров движения создают ощущение нахождения за пределами станции. Каждая часть конструкции смоделирована с максимальной детализацией — вплоть до самых маленьких кабелей и компонентов. Астронавты, надев это оборудование, совершают виртуальные космические выходы, хватают объекты и исследуют станцию в деталях, что позволяет им не потеряться во время реальной миссии.

Робот Charlotte: проблема тактильного восприятия в микромире

Наибольшим ограничением предыдущих систем виртуальной реальности было отсутствие возможности ощущать объекты, и эту проблему решает . Этот робот представляет собой сеть, управляемую центральным компьютером, и с помощью продвинутых физических расчётов определяет, как объект будет вести себя в условиях микрогравитации — учитывая все соответствующие характеристики, такие как масса и момент инерции, что обеспечивает реалистичное движение объекта. Симулируемый объект размещается в центре робота, и при этом нет необходимости в полномасштабной модели.

Симуляция SAFER: Обучение действиям в чрезвычайных ситуациях

Последним элементом в лаборатории является виртуальная версия устройства . Эта система моделирует ситуацию, когда астронавт отрывается от страховочного пояса во время выхода в открытое пространство и уносится в свободное пространство; в подобном случае астронавт возвращается на станцию с помощью азотной силовой установки системы SAFER. Виртуальный опыт охватывает как активацию этого устройства, так и навигацию при возвращении на МКС и представляет собой усовершенствованный полётный симулятор.

HoloLens и проекты дополненной реальности

Одним из других заметных достижений в рамках программы обучения астронавтов является проект — инициатива в области дополненной реальности (augmented reality, AR), реализуемая совместно с Microsoft. Первый в мире подключённый к сети голографический компьютер позволяет пользователю видеть и взаимодействовать с голографическими изображениями высокого разрешения, одновременно слыша объёмный звук. Sidekick упрощает связь между астронавтами и командой на земле, обеспечивает наложение инструкций на голографическую технологию, проведение очных совещаний, взаимодействие с коллегами на расстоянии и управление запасами.

Похожим образом работает , который связывает учёных с марсианской средой, используя возможности дополненной реальности HoloLens; при этом используются изображения марсианского ровера Curiosity. Поскольку астронавты NASA ещё не смогли физически высадиться на Марс, OnSight виртуально переносит исследователей туда и даёт им возможность управлять функциями исследования планеты — среда Марса для изучающих его геологию может стать потенциальным преимуществом.

Отраслевые и клинические аспекты

Виртуальная реальность вышла за пределы индустрии развлечений и разработала научно обоснованные приложения во многих сферах человеческой жизни. Эти области применения наглядно демонстрируют не только визуальное, но и когнитивное, и физиологическое воздействие данной технологии.

Медицина, реабилитация и психотерапия

В клинической сфере виртуальная реальность является мощным инструментом. Как показывает случай (фантомные боли / синдром фантомной конечности), ВР помогает пациентам ощущать отсутствующую или болезненную конечность так, будто она всё ещё присутствует, что способствует неврологической реабилитации. При лечении посттравматического стрессового расстройства (ПТСР) терапевты создают контролируемые виртуальные среды, в которых пациент под их руководством безопасно сталкивается с причиной травмы; такой подход повышает эффективность терапии воздействием. Кроме того, широкое распространение получило использование ВР для тренировки хирургами сложных операций в режиме моделирования, а также для отвлечения пациентов от боли через погружение в отвлекающие виртуальные миры.

Процесс обучения и обучения

В образовании ВР обеспечивает материализацию абстрактных понятий — учащиеся могут «погрузиться» внутрь клетки, стать свидетелями исторических событий или безопасно повторять опасные химические опыты. Такие приложения, как Uimersiv, делают этот подход доступным бесплатно, способствуя демократизации образования, поскольку учащиеся усваивают абстрактный материал более прочно через интерактивный опыт.

Обучение по технике безопасности и действиям в чрезвычайных ситуациях

Как видно на примере NASA, виртуальная реальность становится незаменимой для персонала, работающего в опасных условиях (военный персонал, пожарные, работники энергетических станций), позволяя им отрабатывать критические ситуации без риска. Такие тренировки позволяют безопасно моделировать сценарии, которые слишком дороги или смертельно опасны для проведения в реальной жизни, что способствует снижению числа происшествий—та же логика лежит в основе подхода NASA по визуализации рисков пространственной ориентации.

Научные результаты

Виртуальная реальность — это продукт переосмысления человеческого восприятия инженерами; она возникает в результате слаженной работы таких механизмов, как эффект присутствия, стереоскопия, отслеживание движений и тактильная обратная связь. Лаборатория NASA представляет собой один из самых передовых примеров этой технологии, символизируя научный успех в снижении рисков выживания в космосе: здесь объединяются тактильные ощущения с помощью робота Charlotte, обучение действиям в чрезвычайных ситуациях с помощью симуляции SAFER и дополненная реальность в рамках проектов на базе HoloLens. Применение этой технологии в медицине, образовании и промышленной безопасности наглядно демонстрирует многогранный ее wpływ на человеческую жизнь. Предполагается, что по мере развития технологий будут преодолены такие технические ограничения, как VAC, а виртуальные впечатления станут все более убедительными; однако фундаментальный успех всегда будет основываться на понимании того, как мозг конструирует представление о мире.

Академическая оценка и список литературы

Виртуальная реальность является междисциплинарной областью: оптика связывает нейронауку, психологию, когнитивную науку и информатику. Краткое изложение основных концепций, вынесенных на первый план в тексте, следующее:

• Перетаскивание (Присутствие):
• Конфликт конвергенции и аккомодации (VAC):
• Тактильная обратная связь:
• Дополненная реальность (AR):

Список литературы:

1. Лаборатория иммерсивной визуализации NASA / VR-лаборатория — применение виртуальной реальности в обучении по астронавтике (архивный исходный текст).
2. Project Sidekick — проект в области связи на основе дополненной реальности, реализованный совместно с Microsoft и работающий на базе HoloLens; демонстрации 2015 года.
3. Проект OnSight — доступ к марсианской среде с помощью снимков марсианского ровера «Любопытство» (NASA).
4. Uimersiv — бесплатная платформа виртуальной реальности для образования (Rift, Gear VR, Daydream, Cardboard).

Примечание: Приведённые выше источники основаны на технической информации, полученной из предоставленного архивного текста; рекомендуется ознакомиться с официальными публикациями для подтверждения актуальной ситуации, такой как проекты NASA и совместная работа с Microsoft.

Примечание об источнике: Данное исследование было составлено и актуализировано в формате академического технического обзора на основе архивной документации с https://unimersiv.com/how-nasa-is-using-virtual-and-augmented-reality-to-train-astronauts-37/.