Влияние технологии рендеринга на развитие VR-тренажёров

Автор: Лукин А.С., Велюжинец Е.С., Веремеенко И.А., Шпилькина Т.А.

Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal

Рубрика: Технические науки

Статья в выпуске: 9-3 (96), 2024 года.

Бесплатный доступ

В исследовании рассматриваются актуальные проблемы, связанные с использованием современных технологий рендеринга в реальном времени, их воздействием на развитие VR-тренажёров и применением в областях и сферах экономики, таких как педагогическая практика, промышленность, медицина и др. Результаты исследования позволили сделать вывод, что развитие этих технологий не только повысило качество визуальной составляющей VR-тренажеров, но и расширило границы возможного в дизайне, позволяя создавать все более сложные и интерактивно обучающие пространства. В статье также исследуются ключевые технологии рендеринга, используемые в современных VR-тренажёрах и видеоиграх, и их влияние на развитие обучающих игр в педагогике, как для детей дошкольного возраста, студентов средне-специального и высшего образования, так и в процессе обучения новых сотрудников на производственных предприятиях. Как показало исследование, применение таких тренажёров в промышленности имеет определенные сложности и проблемы, которые и предстоит решить в ближайшем будущем.

Еще

Рендеринг, vr-тренажёры, видеоигры, шейдеры, графические технологии, трансформация, педагогическая сфера, промышленность, медицина, инновации, экономика

Короткий адрес: https://sciup.org/170207538

IDR: 170207538   |   DOI: 10.24412/2500-1000-2024-9-3-94-100

Текст научной статьи Влияние технологии рендеринга на развитие VR-тренажёров

Технологии рендеринга в реальном времени позволяют отображать сложные сцены и динамические эффекты с высокой степенью детализации и реализма, что ранее было недостижимо. Развитие этих технологий не только повысило качество визуальной составляющей VR-тренажеров, но и расширило границы возможного в дизайне, позволяя создавать все более сложные и интерактивно обучающие простран- ства. Начиная от простой растеризации и доходя до сложных техник, таких как трассировка лучей в реальном времени, разработчики ПО теперь могут воссоздать виртуальное пространство с невероятным уровнем реализма, при этом, сохраняя высокую производительность и доступность для широкой аудитории [7].

Современные VR-тренажёры – это высокотехнологичные продукты, на переднем крае которых находится рендеринг в реальном времени. Этот процесс включает в себя конвертацию трехмерных графических данных в двумерные изображения, которые затем отображаются на экране [5].

Эффективность рендеринга влияет не только на качество визуальных эффектов, но и на общую производительность игры, что критически важно для создания захватывающего игрового опыта. Растеризация и трассировка лучей показана на рисунке 1.

Растеризация преобразует 3D-модели в 2D пиксели, в то время как трассировка лучей имитирует путь света для создания реалистичных изображений. Растеризация быстра и подходит для обучающих VR- тренажёров, но менее точна в освещении, в отличие от трассировки лучей, которая более реалистична, но требует больше вычислительных ресурсов.

Рис. 1. Растеризация и трассировка лучей [1]

Слева растеризация показана как процесс, где лучи света проецируются прямолинейно из одной точки, пересекая сцену и отображаясь на экране, что представляет объекты как плоские изображения. Справа трассировка лучей иллюстрирована множеством лучей, исходящих от глаза наблюдателя, которые отражаются и преломляются объектами в сцене, создавая более реалистичное изображение с учетом световых взаимодействий. Оба метода направлены к экрану, на котором формируются итоговые изображения.

С целью визуализации используются шейдеры. Это небольшие программы, созданные на специальном языке программирования, который используется для описания визуальных эффектов в компьютерной графике. Они позволяют создавать и выводить на экран компьютера красивые, реалистичные и динамичные изображения, анимации и эффекты [1].

Вершинные и пиксельные шейдеры определяют положение вершин и окончательный цвет пикселей, соответственно, позволяя создавать сложные эффекты и детализированные сцены в играх без потери производительности.

Для лучшего понимания различных типов шейдеров и их возможностей, обобщим их в виде таблицы 1. Как можно видеть, каждый тип шейдера играет свою роль в графическом пайплайн, и способен выполнять различные задачи. « Пайплайн (от англ. pipeline – трубопровод) – это последовательность действий или процессов, которые выполняются для достижения заданной цели [1].

Таблица 1. Возможности шейдеров

Тип Шейдера

Описание

Возможности

Примеры применения

1. Вершинный (Vertex Shader)

Обрабатывает вершины модели, выполняя трансформации и другие вычисления на вершинах.

Трансформация координат, освещение по вершинам, анимация скина.

Изгиб травы под действием ветра, анимация лицевой мимики персонажей.

2. Пиксельный (Pixel/Fragment Shader)

Определяет цвета и другие характеристики пикселей на основе фрагментов.

Текстурирование, тени, отражения, постпроцессинг.

Реалистичные блики на воде, гладкие тени в играх.

3. Геометрический (Geometry Shader)

Принимает примитивы, такие как точки, линии и треугольники, и может выводить другие примитивы.

Добавление деталей, тесселяция, управление сложностью объектов.

Генерация травинок на поле, детализация поверхности воды.

4. Тесселяционный (Tessellation Shader)

Управляет детализацией геометрии модели в реальном времени.

Увеличение геометрической детализации, сглаживание поверхностей.

Детализированные ландшафты, реалистичная кожа персонажей.

5. Вычислительный (Compute Shader)

Используется для общих вычислений, не связанных непосредственно с рендерингом.

Физические расчёты, процедурная генерация, обработка данных.

Симуляция ткани, процедурная генерация уровней.

Вершинные шейдеры, например, могут манипулировать геометрией сцены, позволяя создавать динамические эффекты, такие как ветер или волны. Пиксельные шейдеры, с другой стороны, используются для создания детализированных и реалистичных текстурных и осветительных эффектов.

Вычислительные шейдеры используют GPU для задач за пределами графики, как физические симуляции и машинное обучение, расширяя возможности рендеринга и создания реалистичных виртуальных миров, чему способствует GPGPU. GPU – это специализированный процессор, который работает исключительно с графикой [1].

Рассмотрим архитектуру графического процессора и вычислительных шейдеров, которая приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Архитектура графического процессора и вычислительных шейдеров [6, 7]

Схема демонстрирует взаимодействие центрального процессора (CPU) с графическим процессором (GPU) для обработки данных. CPU посылает задачи на GPU, который состоит из блоков SIMD, объединенных в стриминговые мультипроцессоры. Каждый мультипроцессор включает в себя стриминговые ядра, детализированные как стриминговые процессоры с отдельными исполнительными элементами (PE), способными параллельно обрабатывать множество потоков данных [1].

В последнее время индустрия видеоигр и VR-тренажёров стала свидетелем значительных технологических прорывов, особенно в области рендеринга. Эти инновации не только переопределяют визуальные стандарты игр и игровых тренажёров, но и оказывают глубокое влияние на их разработку, игровую механику и взаимодействие с участниками.

Улучшение визуального качества VR-тренажёров, благодаря технологиям трассировки лучей и DLSS, играет важную роль в создании погружающей атмосферы в процессе обучения, делая виртуальное пространство более реалистичными и вовлекающими. Это особенно важно для тех направлений использования игр, где ключевое значение имеют атмосфера и детализация пространства [6].

Однако существуют технические вызовы, такие как необходимость баланса между качеством графики и производительностью, для обеспечения доступности игр и игровых тренажёров на различных платформах. «Cyberpunk 2077» служит примером использования современных технологий для создания убедительных виртуальных сред. Для расширения возможностей визуального качества и его доступности необходимы дальнейшая оптимизация и развитие аппаратного обеспечения [1].

Повышение визуального качества и сложности в новых поколениях видеоигр и VR-тренажёров ставит перед аппаратным обеспечением вызовы, связанные с производительностью и доступностью, особенно для технологий трассировки лучей и DLSS, требующих высокопроизводительных GPU. Производительность ограничена требованиями к вычислительным мощностям, что заставляет пользователей обновлять оборудование для игр с максимальными настройками графики, увеличивая затраты. Доступность становится проблемой из-за разрыва между технологическими возможностями и доступностью оборудования, исключая пользователей с устаревшими системами из погружения в новинки [6, 7].

Оптимизация и масштабируемость игр через прогрессивное улучшение, облачные технологии и AI-оптимизацию представляют собой стратегии решения этих проблем. Будущее индустрии зависит от способности разрабатывать и делать доступными новые технологии для всех пользователей, поддерживая баланс между инновациями и потребностями игроков [1].

Современные технологии рендеринга расширяют творческие возможности в разработке игровых тренажёров , позволяя создавать проекты с неосуществимыми ранее визуальными и игровыми элементами. Эти инновации вдохновляют на эксперименты с жанрами и механиками, приводя к появлению новых типов игровых опытов, делая возможным более глубокое погружение и эмоциональное воздействие.

Инди-разработчики, используя доступные современные инструменты, могут конкурировать с крупными студиями в визуальном качестве, демократизируя игровую разработку. Технологические инновации, такие как AI и облачные технологии, открывают путь к созданию динамически меняющихся игровых миров, предлагая игрокам уникальный опыт при каждом прохождении. Несмотря на вызовы адаптации к новым технологиям, перспективы этих инноваций обещают ещё более впечатляющие и погружающие в виртуальную реальность в будущем [6].

Прогресс в области графических технологий неизменно ведет к развитию игровой индустрии, предоставляя игрокам и разработчикам новые возможности для исследования и творчества. Игровые тренажёры имеют применение в различных сферах и областях (рис. 3).

Рис. 3. Игровые тренажёры и их применение в различных сферах и областях

Очень удобно применять игровые тренажёры для с ОВЗ (ограниченными возможностями здоровья. Для этого педагоги-логопеды используют компьютерные программы. Они подбираются индивидуально от имеющихся ресурсов: от времени занятий удобного для ребенка (некоторые дети активны в первую половину дня, другие лучше усваивают материал во второй половине дня); от необходимого (специального) оборудования; от программного обеспечения; от квалификации специалиста [4].

Если говорить о применении игровых тренажёров в промышленности, то как отмечают специалисты, процесс обучения новичка занимает от полугода и более, отвлечь опытного рабочего на столь долгий срок практически невозможно. Тренировки на тренажерах, разработанных к настоящему времени в России, в основном предполагают, что человек уже обучен и ему нужно просто отработать действия. Сложность состоит в том, что промышленности нужен тренажер, который будет учить, а не только помогать закреплять знания [11]. Процесс постоянного обучения и развития помогает приспосабливаться к новым требованиям и непрерывно повышать уровень компетенций [2].

Тем, кто занимается разработкой игровых тренажёров, есть над чем работать в ближайшее время.

Задача, поставленная руководством страны до 2030 года, состоит в быстром развитии производства и технологий, по- вышении производительности труда, а это предполагает процесс оптимально короткого периода обучения молодежи и тех, кто желает пройти переподготовку или получить новую профессию. Нужны новые методики, позволяющие получать новые компетенции за небольшой отрезок времени. И в этом, в том числе могут помочь VR-тренажёры, и это укладывается в концепцию технологической трансформации, предполагающей такое преобразование в национальной экономике, которое позволяет внедрить в ведущие отрасли новые современные технологии с опорой на опыт предыдущих поколений и на этой основе создать новые конкурентоспособные товары, как для национальной экономики, так и для экспорта [9]. Важно, что развитие цифровых навыков и выстраивание диалога между государством, бизнесом, научным сообществом и гражданами позволит стимулировать внедрение инноваций [8].

Таким образом, подводя итоги данного исследования, очевидно, что инновации в технологиях рендеринга, и связанные с ними разработки, продолжают трансформировать индустрию видеоигр и VR-тренажёров, открывая новые горизонты для разработчиков и участников. От трассировки лучей и ИИ-ускоренного улучшения изображений до облачного гейминга и экологически ответственных практик, эти технологии вносят значительный вклад в эволюцию игрового дизайна, повышение доступности и устойчивого развития отрасли.

Список литературы Влияние технологии рендеринга на развитие VR-тренажёров

  • Боресков, А.В. Основы компьютерной графики: учебник и практикум для вузов / А.В. Боресков, Е.В. Шикин. - М.: Изд-во Юрайт, 2024. - 219 с.
  • Маковецкий М.Ю., Борисов И.А. и другие. Новые подходы к управлению проектами в условиях структурных изменений в экономике // Экономика и бизнес: теория и практика. - 2023. - № 12-1 (106). - С. 124-128
  • Талых, А.А. Методическое сопровождение развиващей игры-тренажёра вида «канте-ле-сортер» для дошкольников / А.А. Талых, А.А. Волошина, К.Д. Кемпи // Проблемы современного педагогического образования. - 2023. - № 80-1. - С. 300-302.
  • Танцюра С.Ю. Киберсоциализация и интеграция детей с ОВЗ в социальное пространство: инновационная практика и перспективные модели// Отечественный журнал социальной работы. - 2018. - № 3(74). - С. 163-174.
  • Фарр М., Джейкоб В., Хамфрис Г. Рендеринг на основе законов физики / пер. с англ. И.Л. Люско. - М.: ДМК Пресс, 2023. - 1076 с.
  • Цителова А.Д., Дзюба А.Д. Виртуальная трехмерная реконструкция с последующим созданием игровой локации в среде виртуальной реальности // Мультимедиа: современные тенденции: Материалы VIII Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 28-29 октября 2022 года / Ред-сост. О.Ф. Никандрова, О.В. Петрухина. -Санкт-Петербург: ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургская государственная художественно-промышленная академия имени А.Л. Штиглица», 2022. - С. 85-94.
  • Шакшак, О.М. Разработка многофункционального VR приложения на базе BIM модели / О.М. Шакшак; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. - Санкт-Петербург, 2020. - 74 с.
  • Шпилькина Т.А., Ковалев А.И. Региональные проблемы российского предпринимательства // Двадцать пятые апрельские экономические чтения: Материалы международной научно-практич. конференции, Омск, 11 апреля 2019 года / Под ред. В.А. Ковалева и А.И. Ковалева. - Омск: Финансовый университет при Правительстве РФ, Омский филиал, 2019. - С. 117-121.
  • Шпилькина Т.А. Технологическая трансформация в экономике и ее влияние на развитие современного предпринимательства // Экономика и бизнес: теория и практика. -2024. - № 7 (113). - С. 229-233.
  • Российский производитель медицинского оборудования для реабилитации. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ormed.ru/pressa/igry-na-sluzhbe-zdorovya-kak-igrovye-tekhnologii-menyayut-meditsinskuyu-reabilitatsiyu/.
  • Чего ждут промышленники от VR-тренажёров. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.sibur.digital/72-chego-zhdut-promyshlenniki-ot-vr-trenazherov.
Еще
Статья научная