Робот телеприсутствия DORA дает невероятное ощущение реальности

Роботы дистанционного присутствия (или телеприсутствия), как следует из названия, действуют за вас удаленно, позволяя Вам передвигаться, видеть и слышать через робота-суррогата. Космические агентства, ученые и военные разработали высококачественные системы телеприсутствия, которые предлагают эффект погружения, но эти устройства могут стоить миллионы долларов. Роботы телеприсутствия в потребительском секторе стоят гораздо меньше, но не позволяют ощутить полное погружение, так как мы наблюдаем видеопоток, транслируемый с камеры робота на компьютерном мониторе.

Команда робототехников из университета Пенсильвании используя доступные сенсоры и актуаторы, а также технологию создания виртуальной реальности Oculus Rift, создали платформу, которая предоставляет возможности систем телеприсутствия high-end класса по разумной цене. DORA (Dexterous Observational Roving Automaton — дословно переводится как проворный подвижный автомат для наблюдений) пытается привнести эффект полного погружения в роботов, управляемых дистанционно, при помощи точного отслеживания движений вашей головы по всем шести степеням свободы, а затем дублируя эти движения на реальном роботе, перемещающимся в реальном мире. Целью исследователей является создание настолько сильного эффекта присутствия, что вы бы даже забыли где на самом деле находитесь.

При использовании систем виртуальной реальности, таких как Oculus Rift, вы наблюдаете виртуальный мир, который создается для вас компьютером. Датчики отслеживают движение вашей головы в режиме близком к реальному времени и программное обеспечение обновляет изображение перед глазами с частотой кадров, которую мы не можем уловить. Когда это работает, то становится совсем нетрудно убедить самого себя, что находишься внутри симуляции или игры.

Однако, если все части системы не работают вместе безупречно, то легко понять, что что-то не так. В лучшем случае, это нарушает эффект погружения. В худшем случае, нарушается эффект погружения, и вы почувствуете усталость. Проблема здесь в том, что наши глаза, мозг, внутреннее ухо и все другие данные нам природой сенсоры, которые мы используем для восприятия мира задают невероятно высокие стандарты для ощущения реализма, и они очень хорошо дают нам знать, когда что-то не совсем естественно.

Это причина того, почему реализовать телеприсутствие с эффектом погружения так трудно: все должно быть близким к совершенству. Достаточно не сложно создать робота телеприсутствия, учитывая перемещение и  наклон головы, который бы мог передавать видео и имитировать ваши базовые движения, но наш уровень искушенности не дает обмануть собственный мозг и осуществить погружение в другую реальность. Для полного  погружения, нужно что-то гораздо более сложное, и это именно то, чего пытается достичь DORA.

DORA основывается на фундаментальном инстинктивном человеческом опыте, который переносится, прежде всего, стимулированием зрения и слуха, и взаимодействием с другими людьми. В частности, это относится к смыслу и тонкостям этого взаимодействия. По сути, платформа DORA исследует вопрос о том, что значит находиться в пространстве, и, как присутствие одного человека влияет на людей и пространство вокруг него или нее.

Давайте посмотрим, как работает DORA. Гарнитура Oculus отслеживает и ориентацию, используя инерциальную навигационную систему (ИНС) и положение, используя слежение за инфракрасным маяком. Позиционные данные передаются по беспроводной сети в микроконтроллеры Arduino и Intel Edisson, расположенные в роботе, который реагирует на уклон, крен, рыскание и координаты x, y и z.

Каждая камера DORA транслирует обратно поток видео разрешением 976×582 пикселей с частотой 30 кадров в секунду, что немного ниже, чем может обработать Oculus Rift, как по разрешению, так и по частоте. Это, главным образом, связано с ограничением бюджета, так как это все-таки прототип, и, если заменить камеры, система в целом не будет испытывать никаких проблем с ними.

В системах с эффектом погружения, как эта, одной из самых больших проблем является задержка. Когда вы двигаете головой, вы ожидаете, что то, что вы видите своими глазами изменится. Если задержка будет слишком большой, то это приведет к тому, что вы, как минимум, почувствуете себя не комфортно.

В системах виртуальной реальности, аналогичных Oculus, сенсоры регистрируют поворот головы и отправляют эту информацию на компьютер, который должен вычислить, насколько и как изменилась ваша область зрения и затем пересчитывает следующий кадр анимации, который и отображается на экране гарнитуры. Oculus цитирует ранние исследования в области виртуальной реальности (VR), предполагая, что 60 миллисекунд являются «верхним допустимым пределом для систем VR... [но] большинство людей считает, что если задержка менее 20 мс, то она не ощущается».

Основной проблемой DORA является то, что она имеет дело не только с беспроводным каналом передачи данных, а и с ограничениями, накладываемыми движением механических частей. Создатели DORA говорят, что обычно задержка составляла порядка 70 миллисекунд. Это пока достаточно много, но не столь уж и плохо, и здесь возможна дополнительная оптимизация.

В настоящий момент DORA управляется по радиоканалу на расстоянии до 7 километров при прямой видимости. Для этого DORA была разработана, но в дальнейшем возможно перейти на использование Wi-Fi или 4G. Конечно, это внесет дополнительную задержку, но команда DORA ожидает, что беспроводная инфраструктура улучшится в ближайшие годы и пройдет совсем немного времени, пока DORA сможет управляться практически из любой точки.

Создатели DORA, команда из университета Пенсильвании, John C. Nappo, Daleroy Sibanda, Emre Tanirgan и Peter A. Zachares во главе с профессором робототехники Vijay Kumar говорят, что проводили испытания с 50 добробовольцами и только трое собощили, что их несколько укачивало, в типичной при использовании Oculus Rift степени.

Вот как описывает свой опыт погружения в другую реальность Emre Tanigran:

Вы чувствуете, как вы перемещаетесь где-то в реальном мире, а не в моделируемой среде. Вы действительно можете видеть людей, взаимодействующих с вами, как если бы вы были на самом деле там, и трудно воссоздать тот же опыт в виртуальной среде сейчас. Можно утверждать, что компьютерная графика реального времени, используемая для виртуальной реальности скоро достигнет уровня реалистичности нашего мира, но еще одним ключевым отличием является тот факт, что все как в жизни. В системе подобной этой присутствует непредсказуемость, такая же та, с которой мы сталкиваемся в реальном мире, когда идем и не знаем, что может произойти.

Нам сказали, что есть потенциал для краудфандинговой кампании и коммерческого запуска продукта, но  команда разработчиков пока не имеет никаких конкретных планов на этот счет. Первоначальные рынки, скорее всего, включают относительно контролируемые, полуструктурированные среды, такие как музеи. Далее следуют приложения для специалистов аварийно-спасательных служб,  и в конечном итоге ДОРА станет доступна для потребителя, чтобы поработать с ней, и это, конечно, то, в чем мы наиболее заинтересованы.

Компании, занимающиеся задачами удаленного присутствия, такие как Suitable Technologies уже тестируют удаленное присутствие, такое как посещение музеев для людей с ограниченными возможностями. С DORA, вы могли бы иметь подобное, чувствуя, как будто вы действительно были там, вместо того, чтобы просто смотреть на движущейся картинке внутри коробки. Это, возможно, пока не сможет заменить реальный мир, но это очень близко, и система, подобная DORA является способом сделать это.

Источник: IEEE Spectrum