Многоликая виртуальная реальность

Инженерные системы ВР

Инженерные системы ВР используются в основном в проектировании сложных систем, чаще всего в авиационной и автомобильной промышленности, то есть там, где выработка концепции, увязка компонентов и даже тестирование должны быть проведены задолго до этапа создания физического прототипа.

Виртуальные прототипы

Развитие направления, связанного с созданием виртуальных прототипов, позволяет решить множество практических задач.

Виртуальные прототипы (ВП) позволяют отказаться от натурных моделей и обеспечить связь между отдельными подразделениями корпорации, работающими над разными аспектами одной и той же задачи. Особенно актуальны подобные системы на стадии концептуального дизайна.

Интересен пример General Motors — первой компании, которая применила технологию CAVE (Cave Automatic Virtual Environment), создающую полную иллюзию виртуальной машины.

Другой пример — применение ВР на Chrysler, использующем технологии SGI, Fake Space и Ascension Technology. В частности, проектирование салона кабины автомобиля Dodge Durango производилось следующим образом — испытатель анализировал интерьер машины, реально имея лишь сидение, руль и педали. Все остальное он мог увидеть через подвижный бинокуляр, отслеживающий повороты его головы.

Следующий пример — лаборатория по имитации полетов компании Lockheed Fort Worth, где на базе тренажера производится отработка виртуальных полетов с целью изучения удобства взаимодействия с тем или иным оборудованием кабины пилота.

Виртуальная сборка

Виртуальная сборка позволяет проверить степень стыковки тысяч деталей сложнейшего изделия до начала этапа реальной сборки. Широко известен пример проектирования самолетов Boeing 747 и Learjet 45, когда проверка качества сборки всей системы осуществлялась в виртуальном пространстве.

Виртуальные испытания

Еще одно направление, связанное с использованием технологии ВР, позволяет заменить реальные испытания с разрушением на компьютерные.

По оценкам Ford Motor Company, только замена натурных испытаний реальных автомобилей численными экспериментами позволяет сэкономить миллионы долларов. Аналогичным образом компания BMW сообщает, что она экономит один миллион долларов всякий раз, когда удается отказаться от натуральных испытаний на разрушение, использовав вместо них численные эксперименты на суперкомпьютерах с применением программного пакета PAM-CRASH французской компании Engineering System International (ESI).

ВР и медицина

Диагностика

Создание виртуальной модели начинается с получения совокупности плоских снимков компьютерной томографии. На отдельно взятых снимках картина опухоли может быть недоступна. Другое дело, когда совокупность плоских изображений конвертируется в непрерывную трехмерную модель. Мощные вычислительные ресурсы компьютера представляют эту информацию в виде интерактивной модели с возможностью «пролета» над поверхностями того или иного канала и регистрацией возможных отклонений от нормы.

В частности, подобные системы были реализованы совместными усилиями SGI и Vital Images — компании из Миннесоты, занимающейся визуализацией в медицине.

Виртуальные анатомические атласы

На сегодняшний день уже существуют виртуальные анатомические атласы, такие, например, как в Национальной библиотеке медицины в США.

Эти системы представляют различные органы и системы среднестатистических мужчины и женщины. Компьютер может воссоздавать не только внешние, но и механические параметры органов. Принципиальное отличие виртуальной анатомии состоит в том, что наблюдатель может быть помещен в любую точку как вне, так и внутри организма, а также может «попутешествовать» вдоль тех или иных каналов и систем.

Планирование операции

Используя электромагнитные, пневматические и гидравлические системы, возможно моделирование виртуального скальпеля или другого инструмента в виртуальной перчатке.

Оказывается, что практиковаться на виртуальных трупах куда дешевле, чем на реальных, и более гуманно, чем на подопытных животных.

Многие сложные операции требуют тщательной отработки. Малоинвазивные операции, например эндоскопия в условиях моноскопии, когда отсутствует ощущение глубины обзора, а восприятие картины является инверсным (правое меняется на левое, и наоборот), требуют проведения сотен опытов, прежде чем хирург сможет научиться выполнять операцию без ошибок. Никто из живых пациентов не хочет быть первым — другое дело пациенты виртуальные.

Протезирование

Технология помогает оценить и промоделировать на виртуальном прототипе человека, как изменится какая-либо из его функций, например походка, при изменении различных параметров протеза.

ВР и науки о земле

ВР и ГИС

Последние достижения в области трехмерной графики и общее повышение производительности компьютеров наконец позволили слить две наиболее впечатляющие информационные технологии современности: геоинформационные системы и системы виртуальной реальности.

Сущность заключается в построении перспективного изображения регулярной цифровой модели рельефа с возможностью перемещения над ней позиции наблюдателя в реальном времени. При этом можно как интерактивно управлять направлением перемещения, направлением взгляда и высотой, так и «пролетать» над местностью по заранее установленному маршруту. Подобные системы широко применяются как в военных, так и в гражданских приложениях.

ВР для геологоразведочного и нефтегазового комплекса

Мощные визуализационные комплексы используются для интерпретации сейсмических данных, описания и моделирования запасов природных ископаемых. Использование трехмерных моделей позволяет осуществлять качественное планирование мест бурения скважин.

Использование систем ВР в разведке и добыче нефти и газа позволяет нефтяным компаниям сократить риск и максимально увеличить возврат от инвестиций за счет более точной интерпретации структуры земной коры.

ВР и архитектура

Появление ВР в архитектуре явилось логическим результатом желания заказчика и разработчика увидеть будущее здание со всех сторон — не только снаружи, но и изнутри.

Со временем, впрочем, и этого оказалось недостаточно — на определенном этапе заказчику захотелось иметь возможность «пролететь» над будущей улицей или «проехать» на виртуальном автомобиле, чтобы оценить не только красоту фасадов, но и удобства движения в потоке автотранспорта.

Весьма интересен также пример использования виртуальной реальности для воссоздания архитектурных памятников старины. Причем в этой области виртуальные ансамбли прошлого служат не только прообразом и моделью для планирования строительных работ, но и приобретают самостоятельную ценность как инструмент, позволяющий уточнить и домыслить утраченные шедевры, а также как коммерческий продукт для демонстрации туристам ушедших памятников прошлого, деньги на реальную реставрацию которых будут найдены очень нескоро.

ВР и презентационные системы

Роль моделей на базе ВР растет в силу того, что последние предоставляют уникальный инструмент по демонстрации будущих проектов перед заказчиком или инвестором.

В этом смысле показателен пример строительства Конгресс-центра в Сан-Диего.

Сан-Диего оказался победителем среди городов, которые пытались стать центром проведения Национального Съезда Республиканцев. Конкуренты использовали разные средства для достижения цели: печать брошюр, проведение цветных слайд-презентаций. Однако победа оказалась за городом Сан-Диего, представители которого «поставили» на новые технологии SGI.

Им удалось показать конгресс-зал за два года до начала строительства. Вместо традиционных видеоматериалов с неизменным сценарием представители комиссии могли «пройтись» по виртуальному залу, посмотреть на сцену под любым углом зрения и проверить обзор с любого места.

Виртуальные заводы

Создание виртуальной модели архитектурно-производственной системы, такой как машиностроительный или химический завод, является следующей ступенью развития компьютерных технологий.

Задача по созданию ВР-завода представляет собой комбинацию технологий САМ/CAD/CAE со сложнейшими расчетами в области производственных процессов, определяющими сущность данного производства.

BP и анализ финансовых данных

Существенно отметить, что в виртуальных мирах могут исследоваться как объекты, имеющие реальные зрительные аналоги, — автомобиль, человеческий орган, так и объекты, которым как бы присвоены некоторые зрительные образы. Подобные образы могут быть присвоены любым совокупностям данных. Дело в том, что ориентироваться в объектах, имеющих зрительные образы, и структурировать их человеку гораздо удобнее.

Так, поддиректории и директории некой файловой структуры, представленные в виде полок и папок, расположенных в разных концах виртуальной комнаты, позволяют гораздо лучше запоминать, где лежит та или иная информация.

Подобные подходы дают качественный скачок, когда объемы информации становятся настолько большими, что никакая текстовая и графическая информация не может помочь аналитику ориентироваться в море данных. Такими объемами информации, например, приходится оперировать брокерам на бирже, оценивая состояние курса акций сразу в нескольких регионах. Другое дело, когда аналитик может представить море информации в виде реального моря, где высота волн, например, характеризует уровень колебания акций, наличие пены — присутствие мафиозных денег, прозрачность воды — степень риска и т.д. Взлетев над подобным морем и окинув взглядом это море информации с высоты птичьего полета, можно направиться в то место, где для данного случая наиболее благоприятные обстоятельства, и уже потом получить точные финансовые данные по конкретному сегменту рынка.

Важно отметить, что задачу поиска данного решения невозможно сформулировать до момента принятия решения.

BP и математика

Говорить о многочисленных применениях BP в математике пока не приходится, однако уже сегодня существуют системы, позволяющие человеку решать уравнения буквально одновременно вместе с компьютером. Ученый в виртуальном шлеме, осуществляя навигацию в мире визуальных образов, помогает компьютеру выбрать ту область параметров решения системы уравнений, где, например, итерационный процесс идет наиболее быстро, а расчетная схема наиболее устойчива.

ВР и молекулярная биология

Появление компьютеров, способных создавать виртуальные аналоги молекулярных моделей, поистине произвело революцию в биохимии и фармацевтике.

ВР позволяет человеку попадать в совершенно новые миры, как бы изменяя размеры собственного тела в десятки тысяч раз. Именно так происходит, когда человек переносится в микромир, населенный атомами и молекулами.

Получив в свое распоряжение трехмерную компьютерную модель тех или иных молекул и имея возможность управлять их движением, экспериментатор добивается совмещения моделей (когда «выпуклости» одной точно соответствуют «впадинам» другой); в это время и происходит так называемая стыковка, которая имитирует реальные процессы при взаимодействии реальных биологических молекул. «Присутствуя» при этих процессах, ученые могут понять, как реальные молекулы связываются между собой посредством соединения определенных рецепторных участков, и объяснить, например, как вирус проникает в клетку. Это позволяет, в свою очередь, попытаться синтезировать вещества, блокирующие активность вируса.

Принципиально посадка самолета на полосу аэродрома ничем не отличается от «посадки» на рецептор фермента.

Учитывая, что многие компьютерные технологии «перекочевывают» из военных приложений в гражданские, можно понять, откуда берется подобное сравнение.

В частности, одно из направлений поиска вакцины против вируса СПИДа — это проведение экспериментов с трехмерной компьютерной моделью этой молекулы.

ВР и Интернет

Появление нового стандарта — VRML (Virtual Reality Modeling Languages) — сделало возможным осуществлять описание трехмерных миров и эффективно передавать их по Сети. Не так давно пользователи сети Интернет получили возможность «погулять» по поверхности Марса, осуществляя навигацию в виртуальном пространстве, переданном с далекой планеты.

ВР и общество

В самом начале статьи мы отметили, что в отечественной прессе было несколько публикаций о появлении новой угрозы человечеству со стороны виртуального мира. Мы преднамеренно перенесли свои комментарии к этому тезису в конец статьи, так чтобы читатель (тот, который прочтет статью до этого абзаца) мог сформировать свое собственное мнение. Добавим к этому, что технический прогресс невозможно остановить и, как было отмечено, «ученые все равно изобретут все то, что они в состоянии изобрести». И как на смену немому кино пришло звуковое, так теперь, со звуком Dolby Surround, оно в скором времени неминуемо станет трехмерным и интерактивным. Во-первых, каждая новая технология (атомная энергетика, генная инженерия и многое другое) хранит в себе скрытую опасность, до тех пор пока человечество не научится управлять и контролировать эту новую технологию. Вопрос также и в том, что каждое изобретение можно использовать либо во вред, либо во благо. Если ВР позволяет принимать стратегические решения, предотвращающие стихийные бедствия, создавать обучающие системы типа виртуальных планетариев, — это, без сомнения, прогрессивные и нужные применения. Если человечество видит в этом очередной наркотик, то известно, что любое лекарство в малых дозах приносит пользу, а при передозировке калечит. Нам остается только надеяться, что человечеству хватит ума использовать новую технологию во благо, а не во вред.

КомпьютерПресс 8'2000