Какие методы управления виртуальной реальностью ждут нас в будущем? Удобство — это субъективное ощущение или его можно предугадать? Ответы на эти вопросы можно получить уже сейчас, если взглянуть на задачу с точки зрения науки.
С самых древних времен для взаимодействия с окружающим миром человек использовал собственное тело. Однако все существенно усложнилось с появлением процессов, управлять которыми необходимо дистанционно. Между человеком и процессом встала машина, а вместе с этим возникли и новые органы управления — всевозможные манипуляторы, приводящие машину в действие. Так, садясь в автомобиль, вы управляете его движением не непосредственно, как если бы это были ваши собственные части тела, а с помощью руля и педалей. Однако если в автомобилях средства управления максимально унифицированы, то садясь, к примеру, в самолет, вы можете обнаружить в кабине штурвал, ручку управления или даже джойстик, которые довольно сильно различаются по своей конструкции и удобству использования. Максимально же остро проблема манипуляции встала с появлением виртуальной реальности. Так как внутриэкранное пространство предоставляет нам огромную свободу действий, то и манипуляторы, и интерфейсы для взаимодействия с ним могут быть самыми разнообразными. И, конечно, удобство этих устройств может кардинально различаться.
Что стоит по ту сторону машины
Чтобы понять, как работает тот или иной манипулятор и в чем заключаются его преимущества и недостатки, а заодно оценить перспективы самых современных технологий, необходимо взглянуть на обратную сторону этого взаимодействия, а именно человека. Ведь устройство человеческого организма, безусловно, накладывает ряд ограничений на его возможности.
Например, неудобное положение руки, форма кнопок и прочие элементы, требующие привлечения дополнительного внимания, вызывают у нас ощущение дискомфорта. Это первая из составляющих эргономики — удобство формы и положения устройства управления. В общем случае, чтобы получить близкую к идеальной форму манипулятора, необходимо сделать так, чтобы тело человека при взаимодействии с ним производило минимальные отклонения от состояния покоя. Аналогичным образом влияет на ощущение комфорта при использовании и сама форма элемента, за который приходится держаться: чем меньше он отклоняется от анатомической формы человека, тем удобнее будет устройство. В целом же, идеальный манипулятор — это тот, который человек не замечает вовсе, как если бы он был частью его тела.
Именно поэтому, например, для многих задач нам кажется удобным управление касанием сенсорного дисплея с высокой чувствительностью на современных мобильных устройствах (смартфонах и планшетах), ведь в таком случае взаимодействие происходит практически напрямую с виртуальными элементами. Некоторые, конечно, оспорят это утверждение, справедливо указав на то, что в различных ситуациях куда удобнее набирать цифры и текст на физической клавиатуре, нежели виртуальной. И это открывает еще одну большую проблему, связанную с ограничениями человеческого организма, — обратную связь.
Время отклика человека
Чтобы совершить такое простое действие, как перемещение руки в пространстве, мозгу нужно задействовать десятки разных мышц, часто соединенных между собой перекрестными связями нервных волокон. Эта задача сама по себе математически сложна. К тому же на нее накладываются физиологические процессы, такие как пульсация кровеносной системы, которые препятствуют однозначной трактовке управляющего сигнала. В отличие от робота, которому вы можете задать алгоритм «переместить манипулятор из точки X в точку Y», человек для выполнения подобной задачи пользуется каналами обратной связи. Если вы хотите дотронуться до точки на стене, то вы тянетесь к ней, позиционируя руку с помощью зрения, а факт касания фиксируете тактильными ощущениями.
В то же время, чтобы понять, что вы протянули руку в нужном направлении, нужна помощь глаз: информационный поток от сетчатки глаза поступает в мозг, где должны быть проведены сложнейшие вычисления по распознаванию образов, после чего будет сделан вывод о правильности или неправильности движения. И это при том, что «разрешение» глаза составляет примерно 140 мегапикселей при 30—60 условных кадрах в секунду. Такая задача вряд ли по силам даже самым современным компьютерам, и мозг также вынужден напрягаться для ее выполнения. А нервное напряжение провоцирует ощутимый дискомфорт. Отсюда следует и логичное развитие тач-интерфейсов — в будущем экраны смогут не только передавать зрительные образы, но и менять форму. Представьте себе, что на вашем смартфоне при переключении в режим набора номера на поверхности экрана формируются вполне осязаемые кнопки. И это не технологии далекого будущего — подобные экраны появятся уже в ближайшем десятилетии.
Что вы знаете о высшей математике?
Возвращаясь к объему вычислений, требуемому для выполнения той или иной задачи, мы обнаруживаем еще одно из ограничений нашего организма, которое необходимо учитывать при выборе манипулятора: нагрузка нервной системы при управлении виртуальной средой должна быть минимальной. Так, наш с вами мозг, даже не зная ничего о высшей математике, все же вынужден в повседневной жизни ею пользоваться. Хотя происходит это на подсознательном уровне, но нагрузка весьма ощутима. Чтобы проиллюстрировать это, вспомним о давнем споре геймеров консолей и ПК: что удобнее — клавиатура с мышью или геймпад?
Представьте себе управление с помощью стиков геймпада в играх от первого лица. Отклоняя стик, мы управляем скоростью поворота камеры, а нам требуется произвести угловое перемещение. В математике скорость является производной функции перемещения. То есть, чтобы повернуть камеру в нужном направлении, мозг человека должен произвести интегрирование функции скорости. При этом, как известно, возникает неизвестный член, которым выступает калибровка чувствительности стика. Так как калибровка у разных игр разная, да к тому же может быть нелинейной, для ее учета мозг вынужден пользоваться сразу двумя каналами обратной связи — тактильным и зрительным. И тут уж неудивительно, что подобная задача оказывается достаточно трудной, особенно неподготовленному пользователю. Если же управлять направлением взгляда с помощью мыши, то никаких дополнительных вычислений не требуется, так как и на экране, и в жизни мы управляем одинаковой величиной — перемещением.
В то же время, если игровой процесс требует от нас управления скоростью (например, в гоночных симуляторах), использовать мышь практически невозможно, так как нам бы пришлось постоянно двигать манипулятор с нужной скоростью. В таком случае в играх на ПК все сводится к банальному нажатию кнопки и передачи управления процессом компьютеру. Без этой помощи педаль газа при нажатии на кнопку переходила бы в крайнее положение, и управлять машиной было бы задачей сродни укрощению быка на родео. Обе этих ситуации также не учитывают окружения, в котором находится пользователь. Управлять с клавиатуры и мыши, может быть, и удобно, но только если вы сидите за столом перед монитором. Тут и речи не идет о диване и телевизоре, не говоря уже о том, чтобы играть лежа. И тут проявляется еще один из факторов, который влияет на удобство управления, — напряжение.
Расслабьтесь и получайте удовольствие
На первый взгляд, фактор напряжения — один из самых простых и понятных. Если рычаг, который мы должны отклонять при управлении машиной, требует приложения больших усилий, нам становится неудобно. Однако это не единственная нагрузка, которой мы подвергаемся в повседневной жизни.
Вспомните хотя бы о гравитации. Нам кажется, что мы привыкли существовать в поле естественного притяжения Земли, и у нас в организме даже есть целая группа мышц, предназначенных для фонового парирования данной нагрузки. Однако этот фактор способен повлиять на удобство манипулирования. Например, при управлении с помощью жестов, набравшем популярность в уходящем поколении консолей, необходимо постоянно держать руки на весу. В отличие от привычной всем компьютерной мыши, перемещая курсор которой по экрану, мы напрягаем руку только в момент движения, такие контроллеры, как Wii Mote, PS Move или Kinect, требуют от нас непрерывного напряжения. Даже когда элемент на экране не нужно перемещать, руки продолжают бороться с гравитацией и курсор будет дрожать на экране вместе с вашими руками. В случае же с привычной классической мышью гравитация совместно с силой трения позволяют надежно фиксировать указатель в нужной позиции.
(с) Сергей Яковлев