WDigest (wdigest) wrote,
WDigest
wdigest

Виртуальная реальность в образовании, науке, бизнесе

Интервью с ведущим российским разработчиком систем трехмерной визуализации и виртуального окружения, Директором Института Физико-Технической Информатики, доктором физико-математических наук Станиславом Владимировичем Клименко.

Станислав Владимирович, Вы по образованию физик. Почему Вы начали заниматься компьютерной графикой? Какими были первые шаги в этом направлении?

Да, по образованию я физик, закончил МФТИ. Специальность – экспериментальная ядерная физика. Дипломную работу делал в лаборатории ядерных проблем в Дубне, в группе известного физика Венедикта Петровича Джелепова, и там же проработал еще год, учась в аспирантуре. Занимались мы обработкой фотоснимков траекторий движения элементарных частиц в пузырьковой камере.

Обработка снимков с пузырьковых камер стимулировала развитие компьютерной и другой техники, позволяющей обрабатывать изображения – снимков были миллионы. В результате и мне пришлось осваивать вычислительную технику, поскольку – какой ты физик, если не можешь измерить результаты своего эксперимента? Измерение заключалось в том, что по снимкам мерялись координаты траекторий, а затем в результате достаточно большого объема вычислений реконструировалась трехмерная картина разлета частиц. Потом по этим траекториям определялись параметры полученных частиц. Начали мы считать на ЭВМ М20, потом на БЭСМ-6.

Затем в 1967 г. я переехал в Протвино, где был построен самый большой в мире (на то время) ускоритель, и продолжал заниматься теми же проблемами. В силу того что для обеспечения физических экспериментов требовались большие объемы вычислений, средства в вычислительную технику вкладывались очень серьезные (в 73 г., например, купили большую ЭВМ английской компании ICL стоимостью 15 млн. фунтов стерлингов), а программистов и учебников по программированию тогда не было, и мы, физики, учились программировать.

Вычислительный центр вообще был «болевой точкой» – ученых там, в общем, было немного, в основном работали эксплуатационщики. В результате меня убедили стать научным руководителем отдела ИТ. И я занялся развитием компьютерной науки для физики. Я до сих пор не считаю себя профессионалом в области Computer Science: я физик – пользователь компьютера. Так я и стараюсь учить студентов на кафедре Системной интеграции и менеджмента МФТИ, заведующим которой являюсь с 1997 г. – надо учиться использовать информационные технологии для решения своих задач. И если при этом можно подобрать подходящее решение из имеющихся стандартных — надо использовать его, если необходимо написать программы — надо их написать.

Таким образом, постепенно я полностью переключился на ИТ и перешел в отдел математики и вычислительной техники, где руководил Лабораторией Системного Анализа, отвечал за эксплуатацию операционных систем, за разработку прикладных задач. Работа у нас была не всегда ритмичная – появлялись «окна», когда мы были недозагружены, а ребята — системные программисты — специалисты очень высокого интеллектуального уровня, и я стал привлекать их для решения разного рода научных задач.

Одним из таких направлений стала компьютерная графика. Уже тогда мы поняли, что без такого инструмента невозможно эффективно представить результаты своей работы.

Человек более 80% информации получает через зрительные каналы и способен довольно быстро преобразовывать и понимать именно зрительную информацию. Если говорить на языке информационных технологий, у человека есть два процессора – логический, за работу которого отвечает левое полушарие, и графический – правое полушарие, отвечающее за творческие процессы, образное мышление, интуицию. Когда человек изучает графическую информацию, то происходит интенсивный информационный обмен между двумя полушариями – таким образом, достигается синергетический эффект. Это известно давно – недаром всегда в обсуждении люди стараются не просто говорить, но и рисовать, приводить некоторые образы. Мы можем, в том числе, представлять в виде графических образов традиционно абстрактные вещи – вспомните, к примеру, графические работы математика А.Т.Фоменко, который умеет представлять сложные математические понятия в виде образов.

Первые графические системы, которые были созданы в нашей лаборатории в Протвино, мы назвали «иллюстративной машинной графикой», т.е. их основной задачей было формирование иллюстраций к физическим статьям. А поскольку данные у нас всегда сложные и многомерные, естественно, возникла идея делать именно многомерные представления. Сначала это были трехмерные гистограммы, потом мы познакомились с техникой удаления невидимых линий, чтобы объемную сцену можно было изобразить более реалистично. Так постепенно мы пришли к тому, что называется «визуализация». Собственно пузырьковая камера была первым инструментом визуализации. Мы разработали также ряд мощных графических пакетов, в том числе «Атом» (основной разработчик – Кочин В.Н.), который использовался в ЦЕРНе для визуализации событий в экспериментальных физических установках: моделировались события, которые накладывались на графическую модель установки, чтобы можно было видеть (это же невидимые процессы) – какие частицы куда летят, корректировать конструкцию, определять точки размещения детекторов… Кроме того, хотел бы отметить еще ряд работ, выполненных в лаборатории: первое междугороднее TCP/IP соединение в России было установлено между нашей лабораторией и Курчатовским институтом (через Пущино), а также в нашей лаборатории была выполнена первая русификация Oracle .

В 1987 г. национальным научным фондом США была сформирована Инициатива VISC (Visualization In Scientific Computing), ориентированная на создание систем визуализации для суперкомпьютеров. В то время в США было создано пять суперкомпьютерных центров, которые выдавали огромные массивы данных, и с этими цифрами что-то надо было делать. Человек воспринять такие объемы числовых данных просто не в состоянии, а, как известно, «цель расчетов – не числа, а понимание» (Ричард Хемминг).

Как от систем визуализации Вы пришли к системам виртуальной реальности?

Человек живет в трехмерном мире, и постепенно развитие систем визуализации пришло к тому, что разработчики начали создавать реалистично выглядящие объемные сцены, с объектами которых человек мог взаимодействовать. Т.е. создавалась некоторая виртуальная пространственная среда, в которую человек может «погрузиться». Это и есть виртуальная реальность.

Таким образом, если проследить цепочку, которая привела к созданию систем виртуальной реальности (ВР), то выглядит она так: суперкомпьютеры – визуализация – виртуальная реальность с возможностью манипуляции объектами трехмерной сцены.
В 1990 г. прошла первая конференция в Сан-Франциско по визуализации. Я в ней участвовал, познакомился со специалистами, и, в общем, эта область меня увлекла. В 1991 г. была проведена конференция Графикон и еще ряд конференций, в которых мы также участвовали. В результате я полностью переключился на эту тему. Один из первых наших больших проектов назывался «Визуализация сложных физических явлений и математических абстракций». В 1992 г. я познакомился с немецким физиком-теоретиком Вольфгангом Крюгером. В то время он уже занимался объемной визуализацией, и именно он построил первую в Европе установку виртуальной реальности.

Я видел первые установки виртуальной реальности в Америке, в военно-морской лаборатории Office of Naval Research. Потом – в Германии, в GMD. Уже тогда прогнозировали, что у технологий ВР большое будущее. Сейчас это индустрия с десятимиллиардным оборотом: 60% - это игры и развлечения, а остальное – оборона, наука, образование, производство, бизнес…

В 1994 г. мы создали Институт Физико-Технической Информатики, основным направлением деятельности которого стала разработка систем виртуального окружения для российской космической и атомной промышленности, науки и образования.

Насколько системы виртуальной реальности доступны и где они могут применяться?

Стремительное развитие возможностей современных компьютеров привело к прорыву во многих областях, в частности, в применении систем ВР. Если несколько лет назад стоимость одной системы была выше миллиона доларов, то сегодня в самой простой архитектуре для построения интерактивной системы виртуальной реальности может быть использован один high-end настольный компьютер с усиленной графической подсистемой, два видеопроектора, специальный экран и поляризационные очки для создания стереоскопического изображения. Таким образом, «ценовой порог» значительно снижен и системы виртуальной реальности становятся системами массового применения.

На мой взгляд, в ближайшем будущем наиболее интенсивно будут развиваться следующие направления приложений систем виртуальной реальности:

  • Развлечения (3D видео-фильмы, 3D аттракционы, 3D игры, 3D фото и т.д.)
  • Образовательные системы (системы виртуального повествования, системы ускоренного обучения и др.).
  • Научные приложения (индуцированная реальность, отображения научных данных, например, в нано-технологиях, в микро-мире, в физических процессах и т.д.).
  • Военные приложения (тренажеры, ситуационные комнаты, центры управления и др.).
  • Бизнес-приложения (VIP-демонстрации, выставочные технологии, отображение многомерной управленческой информации и др.).

ВР в науке и технике

Технологии виртуальной реальности применяются в тренажерах для летчиков, космонавтов, спасателей, врачей, водителей большегрузных автомашин и т.д. — в общем, в тех случаях, когда обучение и тренировки в реальной среде слишком дороги и опасны. Можно привести внушительный список профессий, в которых моделирование реальной пространственной картины в процессе обучения поможет сэкономить средства, ускорить обучение, сохранить ценное уникальное оборудование, повысить безопасность обучения.

Можно также упомянуть такие области применения систем ВР, как визуализация сложных инженерных сооружений (атомных электростанций, кораблей и подводных лодок и т.д.), моделирование чрезвычайных ситуаций и катастроф при устранении их последствий, визуализация в медицине, моделирование космических аппаратов и создание виртуальных лабораторий в космосе, конструирование и сборка сложных машин.

ВР в образовании

В образовании системы виртуальной реальности имеют очень серьезные перспективы, например, для создания виртуальных учебных пособих, лабораторных работы и пр.

Системы виртуальной реальности позволяют эффектно и наглядно объяснить и показать многие физические процессы — например, как работает трение. Можно, конечно, изучать «живой» процесс соскальзывания бруска по наклонной плоскости, но это сопряжено с рядом трудностей – изменение коэффициента трения разных поверхностей, массы бруска, угла наклона, а система ВР позволяет легко манипулировать виртуальными параметрами и наблюдать процесс при смене этих параметров.

С помощью систем виртуальной реальности возможна реализация технологий и методов так называемого виртуального повествования. Например, виртуальный планетарий, в котором ученик сам «перемещается на звездолете» от планеты к планете и ему выдается текстовое, звуковое сопровождение и графическое изображение планет, к которым он подлетает. Таком образом, ученик, "управляя полетом" по своему усмотрению, сам становится участником рассказа – эти технологии и называются Virtual Storytelling или виртуальное повествование. Эти же технологии можно использовать и для обучения, например, техобслуживанию авиационной и другой сложной техники – обучаемый «подходит» к виртуальной модели и получает звуковую подсказку – что он должен открыть, открутить, смазать – т.е. он видит, слышит и может «пощупать» те или иные операции. Эффективность обучения при этом, конечно, значительно повышается.

ВР в бизнесе

Наиболее перспективные направления в области бизнес-приложений – это приложения, связанные с системами поддержки принятия решений, мозгового штурма. Бизнес-информация содержится в массивах многомерных данных. Когда информации много, анализировать эти данные в числовой форме практически невозможно. И даже, если представлять их в виде плоских графиков задача не облегчается.

Но если объединить несколько плоских слайдов презентации в одну трехмерную сцену, то понять поведение объекта изучения становится проще: выявляются связи, которые не видны на плоских картинах; человек «погружается» в ситуацию, может изучать ее как в деталях («приближая» сцену), так и оценивая объект в целом. Включается образное мышление, ускоряются процессы понимания и принятия решений.

Конечно, такую картину надо создать – этим и занимаются специалисты в области визуализации. Это искусство и наука одновременно. Сначала объектам и числам надо назначить графические аналоги, а потом уже собрать эти объекты в единую сцену. Это может быть многомерный граф со связями между объектами. Кроме того, есть уже определенные визуальные стереотипы восприятия информации, поэтому «имиджинг» делается под эти визуальные стереотипы и существующие графические аналоги.

Очень эффективно применение систем ВР в ГИСах или территориально-распределенных бизнес-структурах, когда большие объемы данных надо наложить на карту.

Материал подготовлен для корпоративной газеты Группы компаний "Систематика"



Системы виртуальной реальности — немного о технологиях



Один из основных элементов системы виртуальной реальности — система отображения. Известны следующие основные типы систем отображения для создания трехмерной виртуальной среды.

Настольные системы. Используются стандартные ЭЛТ-мониторы и стереоскопические дисплеи. Зритель не погружается в виртуальную реальность, а видит виртуальный мир через «окно» дисплея. Наверно, в этом случае вместо термина «виртуальная реальность» уместно использовать «3D-визуализация».

PowerWall. Многодисплейная система, на которой можно создавать изображения крупных виртуальных объектов в натуральную величину.

Шлемы виртуальной реальности (Head Mounted Display, HMD). Могут обеспечить полное погружение зрителя в виртуальную среду. Разделение картинок для правого и левого глаза в шлеме происходит с помощью оптических систем, встроенных в шлем. Чтобы получить качественную картинку в шлеме, разрешение экранов должно быть достаточно высоким, и такой шлем стоит дорого (к примеру, шлем с максимальным разрешением 1280x1024 пикселей стоит несколько тысяч долларов). Есть и более дешевые варианты, но у бюджетных моделей качество картинки оставляет желать лучшего, а при работе они могут вызывать дискомфорт у пользователя.

Проекционные системы. При определенных условиях дают эффект очень близкий к полному погружению в виртуальную среду.

  • CAVE-системы (Cave Automatic Virtual Environment). В них виртуальное окружение проецируется на стены-экраны специально оборудованного помещения, образуя при этом замкнутое пространство (по-английски cave – пещера). Проекция ведется на стены комнаты – 4 или 6 стен. Система дает наиболее полный эффект присутствия в виртуальном мире, который может усиливаться звуковым сопровождением, движением воздуха, а также механизмами, имитирующими движение «кабины», в которой находится зритель (если речь идет о тренажере или аттракционе).
  • Система i-CONE. Цилиндрическая проекционная система. Разработана Фраунгоферовским институтом медиакоммуникаций в 2001-2003 г.г.
  • Responsive Workbench. Система из двух плоскостей (рабочего стола и передней стены), на которых формируется стереоскопическое изображение виртуального объекта.
  • Системы отображения на сферических поверхностях, проецирующие «картинку» на внутреннюю поверхность шаровидной «кабины», в которой находится пользователь.

Интерактивная система виртуальной реальности, в которой для создания стереоскопического изображения используются сдвоенные видеопроекторы, специальный экран и поляризационные очки:



Более подробно с технологиями виртуальной реальности можно познакомиться в номере 15 журнала ComputerBild за 2007 г.



  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments