Отчет гнс омвт ифвэ, профессора Клименко С. В. за 2001 год
| Вид материала | Отчет |
- В. В. Клименко Клименко В. В. Оглавных климатических ритмах голоцена // Доклад, 412.85kb.
- Евгений Викторович Петров, 12.9kb.
- Отчет вто за 2002 год, 107.02kb.
- Атомная наука и промышленность, 1676.69kb.
- Отчет по теме самообразования за 2001-2002 учебный год учителя изобразительного искусства, 44.57kb.
- Ліна Костенко Біобібліографічний покажчик укладач А. І. Мартинюк відповідальна за випуск, 296.71kb.
- Отчёт о прибылях и убытках 6 За год, закончившийся 31 декабря 2002 года, 590.69kb.
- М. С. Каган. Перспективы развития гуманитарных наук в XXI веке // «Методология гуманитарного, 97.74kb.
- Всероссийская государственная налоговая академия, 482.96kb.
- Должностная инструкция профессора кафедры фио, 79.26kb.
3 Системы виртуальной реальности низкой стоимости
в медицине
Эта работа частично поддержана грантами РФФИ 00-07-90165 и 01-07-90327 и выполняется в рамках международного сотрудничества с Наньянгским Технологическим Университетом, Сингапур. Полученные за истекший год результаты были доложены на международной конференции VEonPC’2001 [] и в Китае [].
Виртуальные тренажеры хирургии являются в настоящее время одной из наиболее интересных областей исследований и разработок по применению компьютерной графики в медицине. В то время как коммерчески доступные системы виртуальной хирургии, как правило, требуют дорогостоящего оборудования и специального программного обеспечения, мы разработали виртуальный тренажер, работающий на персональных компьютерах с типовой конфигурацией. Разработанная система позволяет изучать методы ортопедической хирургии и выполнять планирование операций не расходуя дорогие пластиковые муляжи костей. Система моделирует хирургические методы, импланты и инструменты. Использование специализированных устройств виртуальной реальности, хотя и не обязательное для нашего проекта, увеличивает эффект «погружения». Кроме вышесказанного, система может быть использована также для моделирования операций при различных болезнях костей.
Целью выполнения проекта является разработка математических моделей, принципов построения и программного обеспечения доступных для широкого класса пользователей (дешевых) средств виртуальной хирургии для различных областей медицины. Разработанные модели и принципы лягут в основу семейства медицинских тренажеров. Так, например, разработан тренажер для ортопедической хирургии, который позволит как обучать студентов-медиков, так и производить планирование сложных операций даже на домашнем компьютере хирурга.
Проанализированы методы ортопедической хирургии и выделены типичные для них обобщенные методы, которые легли в основу разрабатываемой системы. Разработана библиотека геометрических моделей переломов бедренной кости. Большинство переломов случаются в «стандартных» местах костей, что описано в медицинских атласах. Например, для бедренной кости существуют 27 стандартных переломов, а для тазовой кости — 9. Это потребовало разработки геометрической базы данных стандартных переломов. Другая база данных была создана для хранения геометрических моделей инструментов и имплантов. Особое внимание уделено разработке иерархической модели переломов зафиксированных имплантами. Наконец, анализируя существующие методы хирургических операций, предложены обобщенные математические методы виртуальной хирургии, которые легли в основу системы. Для пользователя же системы на уровне интерфейса остались знакомые хирургические названия операций и методов.
Результат является значимым и приоритетным, что подтверждено международными публикациями.
Разработанная система является одной из первых систем виртуальной реальности на персональных компьютерах. Подобные работы также проводятся в Institute for Biomechanics, Switzerland.
Для разработки геометрических моделей имплантов использовались параметрические модели, позволяющие менять геометрические характеристики имплантов в зависимости от требований хирурга. При создании моделей костей использовались полигональные модели, полученные с помощью сканирования реальных костей и вспомогательные геометрические модели, позволяющие сохранять информацию о пространственных характеристиках костей. Аналогичный метод применялся при создании моделей инструментов. Оригинальным здесь является использование гибридных моделей. При моделировании хирургических операций мы использовали псевдо-физический подход к решению задачи контакта между объектами. Это позволило резко сократить время вычислений и разработать программное обеспечение, которое работает на персональных компьютерах. В качестве ядра графической системы использовалась система Renderware, которая обладает необходимыми для нас характеристиками быстродействия и иерархического моделирования объектов. При выборе программного обеспечения акцент делался на общедоступные или дешевые средства.
Результаты работы доступны на сайте du.sg/home/assourin/VirBones.phpl
4 VEonPC — разработка и создание системы виртуального
окружения на кластере персональных компьютеров
Эта работа3 выполняется в рамках международного сотрудничества с Фраунгоферовским институтом медиакоммуникаций (Санкт Августин, Германия). Полученные за истекший год результаты были доложены на презентациях в РФФИ, в МФТИ и в Протвино в период 18-20 декабря 2001 г.
Основными задачами этого года были: подготовка проекта, формирование кооперации участников и реализация демонстрационной версии установки виртуального окружения.
4.1 Введение
По мнению одного из выдающихся ученых в области информационных технологий — Фредерика Брукса — в настоящее время виртуальная реальность переместилась из лабораторий в сферу практических приложений, где ее используют в своей повседневной работе инженеры, ученые, медики, военные — не обязательно специалисты по машинной графике.
Главная цель данного проекта — приблизить технологию виртуального окружения к ее конечному потребителю в России путем создания вычислительно-демонстрационного центра коллективного пользования, построенного на доступных отечественному специалисту программно-аппаратных средствах.
В результате выполнения проекта можно будет проводить серьезные фундаментальные исследования и решать сложные практически важные задачи, возникающие в повседневной жизни, используя новейшую технологию человеко-машинного взаимодействия — виртуальное окружение — обеспечивающее, наряду с погружением пользователя в искусственный мир исследуемого явления, прямое взаимодействие с данными в пространстве модели.
Виртуальное окружение позволит перейти на качественно более высокий уровень обработки данных, моделирования и проектирования экспериментов, создания сложных машин и механизмов, промышленных объектов и процессов, а также существенно повысить эффективность обучения персонала, управляющего сложными машинами, механизмами и процессами.
Новое качество данного проекта — использование общедоступных высокопроизводительных персональных компьютеров и элементов виртуального окружения — позволит создать программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий решение задач, ранее доступных лишь сложным и дорогим комплексам.
Сфера приложений этих исследований включает как традиционные фундаментальные дисциплины: физика, математика, астрономия, медицина, — так и специальные прикладные науки: исследование космоса, аэрогидродинамика (расчеты динамики течения потоков), океанология и геофизика (инженерия землетрясений), металлообработка (авто- и авиа-индустрия), сопротивление материалов (моделирование эластичных объектов), исследование и конструирование оболочек (корпусов подводных лодок и ядерных реакторов), анализ столкновений и разрушений (моделирование аварий и катастроф), биомедицинская инженерия (протезирование и диагностика) и, наконец, применения в оборонных областях и при ликвидации чрезвычайных ситуаций.
Для реализации проекта предлагается создание международной коллаборации исследователей, что позволит объединить знания и опыт специалистов России, Западной Европы и Азии для решения как фундаментальных теоретических проблем, так и конкретных практических задач.
Учреждающие это международное объединение институты являются лидерами в тех областях, для которых важна высокотехнологичная визуализация. Ни один отдельный институт не в состоянии взять на себя обязательства по решению всей совокупности вопросов, рассматриваемых в данном предложении, и получить приемлемый для всех результат в обобщенном виде. В целом работы будут координироваться Институтом физико-технической информатики.
Предлагаемые нами исследования в России никогда ранее не проводились. Этот проект ставит своей целью разработку совершенно новых и общих методов визуализации в виртуальном окружении, использующих надежный математический фундамент и испытанные инженерные решения.
Исследовательские институты, вовлеченные в этот проект, берут на себя ответственность разработать новые способы решения задач на основе технологии виртуального окружения и предоставить инструментарий, который может легко быть интегрирован в существующие системы и технологии. Усилие каждого партнера этого сотрудничества направлено на решение отдельных проблем общего дела. Регулярные семинары и конференции будут способствовать распространению среди партнеров опыта и знаний (know-how), что усилит эффективность сотрудничества.
Будут созданы новые учебные курсы компьютерной графики, научной визуализации и виртуальной реальности, что позволит шагнуть результатам исследований в периферийные лаборатории, используя технологии дистанционного обучения в различных городах России. Это обеспечит возможность коммуникации между различными исследовательскими группами и непосредственную передачу новых знаний в науку и опыта в инженерные приложения.
Круг только первичных пользователей создаваемой системы включает физиков, математиков, механиков, медиков, конструкторов и технологов, операторов атомных электростанций и других сложных объектов, а также аспирантов и студентов. Далее он, несомненно, будет значительно расширен.
4.2 Актуальность проекта
Текущий момент характеризуется катастрофическим ростом информации, которое необходимо обрабатывать для поддержания прогресса в развитии современной цивилизации. Объем данных растет быстрее, чем производительность компьютеров, которая, следуя закону Мура, удваивается каждые полтора года. Но ведь данные, помимо порождения компьютерами, извлекаются непосредственно из самой природы с помощью всевозможных детекторов и сенсоров, быстродействие которых также следует экспоненциальному росту.
Важнейшей вехой на пути преодоления «кризиса данных» стал отчет Национального научного фонда США «Визуализация в научных вычислениях» (1987 г.), подчеркнувший важность интерактивной визуализации больших массивов данных и обративший внимание научной общественности на знаменитый афоризм Хемминга: «Целью вычислений являются не числа, а понимание (постижение, проникновение в суть, интуиция, insight)». В результате было сформировано новое научное направление «Научная визуализация», развивающее методы и средства понимания решаемых проблем за счет привлечения к анализу данных способности человека видеть и понимать изображения.
В процессе развития визуализации как научной дисциплины и технологии анализа данных было осознано, что человек лучше всего понимает и проникает в суть исследуемого явления, когда он может «погрузиться в мир исследуемого явления», то есть в пространство модели, и когда его <<погружение» усиливается возможностью непосредственно манипулировать данными в пространстве модели. Так сформировалась технология виртуального окружения (часто называемая виртуальной реальностью), определяемая как «интерактивная графика в реальном времени с трехмерными моделями, когда комбинируется специализированная технология отображения, погружающая пользователя в мир модели, с прямым манипулированием объектами в пространстве модели».
Следующей важной вехой в осознании важности развития систем анализа больших массивов данных, визуализации и виртуального окружения явилось стратегическое решение администрации Президента Клинтона о прекращении испытаний ядерного оружия. По этому решению от 25 сентября 1995 года Министерству энергетики США, ответственному за разработку и производство ядерного оружия, предписывалось разработать систему компьютерного моделирования полномасштабных испытаний и по мере готовности такой системы полностью отказаться от ядерных испытаний. За этим решением последовал запуск Министерством энергетики инициативы (так они называют широкомасштабные национальные программы), получившей название ASCI — Accelerated Strategic Computing Initiative. Важное место в этой программе отведено научной визуализации и виртуальному окружению.
Основные задачи и требования к этим технологиям сформулированы в документе DVC — Data and Visualization Corridor, выпуску которого предшествовали 3 рабочих совещания 1998 года, где была собрана элита специалистов по обработке данных и визуализации. В этом документе подчеркивается, что слово «коридор» обозначает конкретную направленность развития обработки и данных и визуализации для задач полномасштабного моделирования ядерных испытаний.
Создание действующих систем виртуального окружения рассматривается как комплексная проблема, поэтапное решение которой будет оказывать самое серьезное воздействие на науку, промышленность, образование и социальную сферу. По своей сложности и долгосрочным последствиям она сопоставима с ядерной и космической проблемами.
По оценке профессора Брукса в настоящее время в мире действует более сотни полномасштабных установок виртуального окружения, которые реально приносят ощутимую пользу в своих областях применения. Наиболее серьезные результаты получены на авиационных и автомобильных тренажерах, в системах подготовки экипажей торговых судов и военных кораблей, в задачах проектирования автомобилей, при тренировках космонавтов работе в условиях невесомости, при исследованиях и разработке нанотехнологий, при лечении артефактов у ветеранов войны во Вьетнаме и др.
4.3 Значимость и цели
Постоянно растущая сложность физических явлений, изучаемых в научных и инженерных дисциплинах, требует разработки новых подходов и мощной техники для обработки и анализа сложных данных. Постоянно растущая сложность создаваемых машин и механизмов, зданий и сооружений, транспортных систем и технологических процессов, также требуют новых подходов при проектировании и создании прототипов. Постоянно растущая сложность управляемых человеком машин и механизмов, объектов и процессов требуют новых методов и средств для обучения персонала.
Целью данного проекта является создание специализированного вычислительно-демонстрационного центра коллективного пользования, использующего технологии виртуального окружения. Создание такого центра на базе ИФТИ-ЦУП-МФТИ-ИФВЭ позволит проводить серьезные фундаментальные исследования сложных физических явлений, математических абстракций и моделей, используя новейшую технологию человеко-машинного взаимодействия — виртуальное окружение — обеспечивающее, наряду с погружением пользователя в искусственный мир исследуемого явления, еще и прямое взаимодействие с данными в пространстве модели. Виртуальное окружение позволит перейти на качественно более высокий уровень обработки данных, моделирования и проектирования эксперимента. Использование общедоступных высокопроизводительных персональных компьютеров и элементов виртуального окружения позволит создать систему, с помощью которой можно будет решать задачи, ранее доступные лишь сложным и дорогим комплексам.
Перечень практических задач, которые можно будет решать на созданном программно-аппаратном комплексе, достаточно широк и не ограничен приведенным списком:
=-2pt
• визуализация сложных инженерных сооружений и физических установок (атомные электростанции, корабли и подводные лодки, ядерные реакторы, ускорители и экспериментальные установки физики высоких энергий)
• моделирование чрезвычайных ситуаций и катастроф с учетом конкретного рельефа местности и имеющихся зданий и сооружений (ситуационное моделирование)
• визуализация моделей космических аппаратов и создание виртуальных лабораторий в космосе
• визуализация критичных транспортных и дорожных сооружений (газо- и нефтепроводы, тоннели и мосты, кабельные системы и инженерные коммуникации)
• визуализация в системах конструирования (CAD) и быстрого макетирования (rapid prototyping)
• визуализация в автомобильной промышленности (обтекание, окраска, интерьер, динамика разрушения при столкновении и пр.)
• визуализация в авиационной промышленности
• конструирование молекул в физ-химии и фармацевтике
• планирование и отработка технологии сборки сложных конструкций и строительства сложных сооружений
• создание тренажеров управления военных и гражданских движущихся средств
• моделирование поля боя и планирование боевых операций
• визуализация в медицине и создание медицинских тренажеров
• синтетическое искусство, телевидение и кино
• создание виртуальных музеев, планетариев и лекционных залов
• реконструкция в археологии и виртуальный туризм (путешествия по древним и современным городам).
4.4 Обзор текущего состояния
Обработка больших массивов данных и визуализация нестационарных многомерных данных, как они определены в стратегической инициативе ASCI в более общем виде — «визуализация информации» — совершенно новая область в научной визуализации. До последнего времени было предложено лишь несколько технических приемов визуализации для специальных приложений. Общие концепции, применимые для использования в технологии виртуального окружения к самым различным (в том числе и не числовым) приложениям, а также полный математический анализ существующих методов до сих пор не разработан.
Современные вычислительные системы позволяют моделировать сложные явления природы и решать задачи, недоступные прямой экспериментальной проверке. Суперкомпьютеры (наиболее мощные на текущий момент машины) и кластерные вычислительные системы позволяют достаточно полно и точно моделировать различные экзотические эксперименты и экстремальные ситуации, рожденные богатым воображением исследователей. Однако, огромные объемы данных, получаемые при моделировании сложных явлений, невозможно проанализировать, не прибегая к предварительному исследованию с помощью активного взаимодействия человека с компьютером. Поэтому, как было отмечено выше, в последнее десятилетие сформировалось новая дисциплина — визуализация в научных исследованиях, имеющая своей целью использовать мощную человеческую способность видеть и понимать визуальные изображения для интерпретации больших объемов информации.
Объединение достижений в визуализации с прогрессом в области человеко-машинного интерфейса привели к появлению систем виртуальной реальности (или виртуального окружения), которые могут существенно повысить эффективность визуального анализа данных за счет погружения исследователя в искусственный мир анализируемой модели, создавая ему убедительную иллюзию реальности и предоставляя ему естественный интуитивный интерфейс для манипулирования данными. Исследования и разработка таких систем относится к фундаментальным научным проблемам.
Быстрое развитие архитектуры персональных компьютеров позволяет на сегодняшний день создавать вычислительные комплексы для моделирования и визуализации большой производительности, используя технику распределенных систем и параллельных вычислений. Преимущество таких комплексов заключается в их относительно невысокой стоимости, что обеспечивает им перспективу широкого распространения.
Разработкой методов визуализации, в том числе и с применением технологии виртуального окружения занимаются во многих лабораториях мира по обе стороны Атлантики. Значительные достижения получены как в США (HACA, Военно-морская исследовательская лаборатория, Ливерморская национальная лаборатория, все Национальные суперкомпьютерные центры), так и в Европе (Фраунгоферовский институт машинной графики в Дармштадте и Национальный исследовательский центр по информационным технологиям в Сант Августине — Германия; ИНРИА — Франция; Женевский университет и Лозаннская высшая политехническая школа — Швейцария; Резерфордовская лаборатория и Университет Манчестера — Великобритания) и многих других.
Аналогов создаваемой системе в предлагаемой ценовой категории пока не имеется, хотя известно, что аналогичные проекты готовятся в Германии, Нидерландах и Чехии.
Участники данного проекта имеют хороший опыт реализации систем научной визуализации и виртуального окружения в рамках международного сотрудничества с Фраунгоферовским институтом медиакоммуникаций (Fraunhofer Institut Medienkommunikation — FhG IMK — бывший Национальный исследовательский центр по информационным технологиям, Сант Августин, Германия). Многие наработки, выполненные нашими сотрудниками в Германии на дорогих установках, будут перенесены в среду создаваемой системы.
4.5 Общая характеристика создаваемой системы
Для виртуального окружения принципиальными являются четыре технологические подсистемы:
=-2pt
• стереоскопическая проекционная подсистема визуального отображения сцены (модели) на экран(ы), которая собственно и создает иллюзию погружения в 3-х мерную виртуальную среду, блокируя при этом восприятие пользователем реального мира
• подсистема графического преобразования описания модели в визуальное представление (рендеринг — rendering), генерируемое с частотой не менее 20 кадров в секунду и привязанное к точке зрения пользователя (наблюдателя)
• подсистема локализации и слежения (трекинг — tracking) за положением и ориентацией головы (точнее, глаз) пользователя
• подсистема управления базой данных модели виртуальной сцены (геометрия сцены, включая источники освещения, текстуры для реалистичного представления поверхности объектов и др.)
Еще четыре подсистемы являются достаточно важными, хотя и не такими критичными, как вышеупомянутые:
=-2pt
• подсистема синтеза звуковых эффектов, чувствительная к положению и ориентации пользователя
• подсистема генерации силовых и тактильных ощущений, создающая иллюзию прикосновения к виртуальным объектам
• устройства ввода для построения пользовательского интерфейса прямого манипулирования данными (указки, панели управления, кинетические сенсоры и др.)
• методика взаимодействия, которая подменяет пользователю его реальные взаимодействия с объектами и персонами в реальном мире.
В данном пилотном проекте мы остановились на реализации следующих основных компонентов технологии виртуального окружения:
=-2pt
• стереоскопическая проекционная подсистема для визуального отображения 3-х мерных сцен (3D), построенная на современных проекторах средней стоимости
• мощный графический вычислитель, построенный на кластере персональных компьютеров, действующий под управлением ОС Linux и включающий графическую подсистему для рендеринга с лучшими на текущий момент видео-картами
• подсистема локализации и слежения (трекинг), разрабатываемая в на принципах детектирования ультразвуковых шумоподобных сигналов
• инфракрасные устройства ввода и управления
• программный инструментарий Аванго для описания и представления виртуальных объектов и сцен.
4.5.1 Проекционная подсистема
Проекционная подсистема включает проекторы, экраны и очки для восприятия стереоскопического изображения. На каждый стерео-канал устанавливаются два LCD (или DLP) проектора с разрешением 1024х768 точек. Яркость проекторов 2000 ANSI Lum и более, контрастность 400:1. Проекторы собираются в виде единой проекционной стерео-системы с ортогональной поляризацией по каждому оптическому каналу внутри системы. В случае прямой проекции используется специальный экран (silver screen) сохраняющий поляризацию отраженного света. Используются специальные очки, оснащенные поляризационными фильтрами с углами поляризации для каждого глаза, соответствующими углам поляризации каналов проекционной стерео-системы. На экран одновременно проецируются два изображения для левого и правого глаза. За счет ортогональной поляризации фильтров каждый глаз видит только предназначенное для него изображение.
Для реализации активного стерео используется DLP проектор VREX 4200. Изображения для левого и правого глаза проецируются на экран поочередно. Синхронно с проецированием работают очки для активного стерео (на основе жидких кристаллов), поочередно затемняя стекла для левого и правого глаза. Синхронизация осуществляется с помощью инфракрасного излучателя, установленного около экрана. Особых требований к материалу экрана нет.
4.5.2 Компьютерная система
Выбор компьютерной системы является наиболее важным, так как эта часть проекта наиболее дорогостоящая и от нее сильно зависят функциональные возможности создаваемой установки в целом. Поэтому в рамках проекта предполагается тестирование различных конфигураций оборудования. Для этого предполагается на начальном этапе создать базовую установку, на которой будет тестироваться различное оборудование. Эта стратегия позволит уже на первом этапе иметь действующую установку, а на последующих этапах модернизировать существующее оборудование с учетом новых типов графического и другого оборудования, которое появится на рынке.
Базовая установка будет включать 4 мощные графические станции HP X4000 в конфигурации: 2CPU Pentium 4 Xeon 2GHz, 2GB RAM, видео-карта ATI FireGL4. Данная модель высокопроизводительных рабочих станций HP специально предназначена для применения в системах обработки трехмерной графики, она обладает высокой стабильностью и надежностью.
Рендеринг с помощью профессиональной видео-карты ATI FireGL4 обеспечивает отображение 29 миллионов треугольников в секунду, поддерживает отображения текстур и устраняет «лестничные артефакты» по всему экрану 3D сцены. Основным достоинством этой видео-карты является способность генерации стерео сигнала и поддержка двух видео-выходов, что позволит реализовать в базовой конфигурации две принципиально разные системы виртуального окружения с пассивным и активным стерео.
Для организации взаимодействия демонстрационных приложений, которое необходимо для синхронизации 3D сцен между отдельными рабочими станциями, предполагается создание 100MBit сегмента Ethernet сети, закрытой от внешнего вмешательства файрволом. Поэтому компьютерная система должна включать 100MBit свитч и отдельный компьютер, который будет выполнять роль маршрутизатора в Интернет, файрвола, файл сервера, а также информационного web узла, на котором будет размещена информация о проекте и о состоянии его реализации.
Предполагаемая конфигурация этого маршрутизатора-файлсервера: 1CPU Pentium 4 1.8GHz, 1GB RAM, 4x36GB SCSI HDD, 100MB IDE HDD, 2x3COM 100MBit netcard.
Рабочие станции HP X4000 поставляются с установленной системой RedHat Linux 7.1, которая является системой с открытым исходным кодом. Использование систем с открытым исходным кодом позволяет обеспечить хорошую гибкость и расширяемость программной системы, а также уменьшить затраты на программное обеспечение. Кроме того такие системы обладают высокой надежностью и стабильностью, а также имеют высокопрофессиональную поддержку сообщества Linux.
4.5.3 Трекинг
Система локализации и слежения включает в себя набор ультразвуковых передатчиков, приемников и блока обработки сигналов. Передатчики крепятся на стерео-очках и устройствах управления и взаимодействия с VE. Приемники, в зависимости от конфигурации VE, крепятся в пространстве около экрана. (плоский экран, конический экран с несколькими проекционными стерео-системами, комната со стерео-стенами). Передатчики излучают ультразвуковой шумоподобный сигнал. После приема сигналы с приемников поступают на DSP процессор, который вычисляет разности прихода сигнала с одного передатчика на приемники (для каждого передатчика). По полученным данным вычисляются координаты передатчиков. Минимальное количество приемников, необходимое для восстановления координат источника сигнала, равно четырем. Система не требует синхронизирующего сигнала. Вычисленные координаты пользователя используются графической подсистемой для представления сцены с точки зрения пользователя. Предлагаемая система локализации и слежения обеспечивает точность локализации не хуже 5мм в пространстве с частотой опроса датчиков не менее 100 герц.
4.5.4 Программная подсистема
Программным инструментарием для создания распределенных интерактивных VE приложений предполагается пакет Аванго. Аванго — разработанная во Фраунгоферовском институте медиакоммуникаций среда программирования предназначена для формирования распределенных, интерактивных приложений в виртуальном окружении. Аванго использует язык программирования C++ для определения двух категорий объектов — узлы и датчики. Узлы составляют объектно-ориентированный граф сцены, который осуществляет представление и отображение сложной геометрии. Датчики обеспечивают связь с реальным миром и используются, чтобы вводить данные с внешних устройств в приложение. Все объекты Аванго — полевые контейнеры, представляющие информацию о состоянии объекта как совокупность полей. Объекты Аванго поддерживают универсальный потоковый интерфейс, который позволяет записывать в поток объекты и информацию об их состоянии, и впоследствии реконструировать эти данные из потока. Аванго определяет связи между полями, формируя граф потоков данных, который является концептуально ортогональным к графу сцены и служит для ввода в сцену реальных данных, необходимых для моделирования интерактивного поведения.
4.6 План реализации проекта
Работа проводится в три этапа.
Этап 1. Разработка концепции, анализ применения средств визуализации, определение круга задач, для решения которых установка будет применяться на первом этапе, закупка и частичная установка оборудования, разработка инструментальных средств визуализации. Создание простых демонстрационных моделей виртуальной реальности — виртуальный планетарий, виртуальный музей, виртуальная космическая станция «Мир» и др.
Этап 2. Формирование полномасштабной системы виртуального окружения и проведение исследований его применения для всего спектра рассматриваемых задач.
Этап 3. Сдача системы в опытную эксплуатацию. Разработка новых перспективных систем научной визуализации в виртуальном окружении.
К концу первого года выполнения проекта должна быть выработана концепция применения технологии виртуального окружения в реалистичной конфигурации программно-аппаратных средств для визуализации определенного круга задач. Будет произведена частичная закупка и установка оборудования, будут выполнены работы по переносу инструментальных программных средств визуализации из среды SGI IRIX в среду Linux. Будет подготовлены простые демонстрационные модели виртуальной реальности — виртуальный планетарий, виртуальный музей, виртуальная космическая станция «Мир» и др. Будет создана базовая установка VE с одним экраном проекционной системы и одним кластером персональных компьютеров. Важным результатом первого года должно быть тестирование оборудования и проверка различных схем реализации стереоэффекта — пассивной и активной.
4.6.1 Организация контроля качества
Разработанные модули будут проверяться не только различными партнерами, включенными в данный проект, но и соответствующими институтами, использующими программное обеспечение для визуализации. Кандидатами для этих целей будут Государственные научные центры (например, ГНЦ ИФВЭ, ГНЦ «Курчатовский институт» и др.), промышленные предприятия (например, производители автомобилей и самолетов) и «коллегии экспертов» из каждого института, участвующего в проекте.
4.6.2 Адаптация
Каждый партнер в этом исследовательском проекте несет ответственность за проектирование, адаптацию и начальное тестирование своих технических и программных модулей. Ведущие исследователи ответственны за широкую постановку задачи и должны осуществлять руководство молодыми специалистами, аспирантами и дипломниками.
Состояние исследований и возникшие проблемы будут обсуждаться на рабочих семинарах, которые будут проводиться на регулярной основе поочередно в России, в Германии и в Сингапуре.
4.7 Участвующие организации
Для выполнения данного проекта были отобраны следующие исследовательские организации:
=-2pt
• Институт физико-технической информатики (ИФТИ, Протвино, Россия) — эксперт в областях моделирования, обработки изображений и научной визуализации; междисциплинарные группы исследователей включают физиков, математиков, инженеров и специалистов по информатике; хорошее оснащение вычислительной техникой.
• Фраунгоферовский институт медиакоммуникаций (ИМК, Санкт Августин, Германия) — выполнил обширный ряд исследований в области визуализации и виртуального окружения; междисциплинарные группы исследователей включают инженеров, специалистов по информатике, математиков и художников; имеет доступ к широким выборкам научных данных; прекрасное оснащение вычислительной техникой; видео/анимационное оборудование.
• Московский физико-технический институт (государственный университет) — имеет большой опыт в области моделирования эмпирических и искусственно воспроизводимых баз данных; эксперт в оптике и в общих областях моделирования данных (методы аппроксимации/интерполяции), в методах конечных элементов (FEM), генерации сеток и анализе FEM решений.
• Центр управления полетами (Королев, Россия) — эксперт в теории информации и обработке изображений; хорошее оснащение вычислительной техникой.
• Государственный научный центр «Институт физики высоких энергий» (Протвино, Россия) — эксперт в области физики высоких энергий, в области извлечения характерных свойств выборок и эффективных технических приемов для визуализации признаков; хорошее оснащение вычислительной техникой.
• Институт ядерной физики Сибирского отделения РАН (Новосибирск, Россия) — эксперт в области разработки электронных приборов и программного обеспечения для систем реального времени.
• Технический Университет им. Баумана, Россия — эксперт в области оптики, голографии и обработки изображений.
• Университет Западной Богемии (Плзень, Республика Чехия) — имеет большой опыт в научной визуализации и параллельных вычислениях; прекрасное оснащение вычислительной техникой; обширные международные связи.
• Наньянгский технологический университет (Сингапур) — эксперт в области компьютерной графики, обработки изображений и реконструкции трехмерных моделей и сцен; имеет доступ в обширные научные базы данных; прекрасное оснащение вычислительной техникой.
Перечисленные организации имеют уникальный опыт в представляемых ими областях, а их комбинация перекрывает весь спектр проблем визуализации в виртуальном окружении.Тот факт, что эти организации имеют тесные связи с промышленностью, будет иметь значение, когда разработанные программные модули, имеющие прикладной характер, будут внедряться для промышленного использования. Близкие взаимоотношения всех участников проекта с промышленностью и национальными лабораториями окажет неоценимую пользу. Все участники проекта будут предоставлять друг другу при необходимости свои компьютерные ресурсы и видео оборудование для производства высококачественных видео демонстраций и печатной продукции.
4.8 Вклад в науку и технологию
Имеется достаточно широкий круг фундаментальных проблем алгебраической топологии, теоретической механики, общей и квантовой физики, не имеющих прямых и легко представимых аналогий и несущих огромный объем информации сложной структуры, который часто трудно интерпретировать, не привлекая какие-либо визуальные образы. Технология виртуального окружения позволяет активно привлечь интуицию исследователя и его способность «понимать» изображения за счет его помещения в искусственный мир модели исследуемого явления, а также за счет обеспечения ему возможности интуитивно простого (прямого) манипулирования данными в пространстве модели.
Созданный в результате выполнения данного проекта программно-аппаратный комплекс будет открыт для доступа как отдельным отечественным исследователям, так и целым коллективам, занимающимся решением фундаментальных проблем с помощью технологии научной визуализации и виртуального окружения. Созданные методы, алгоритмы и программы будут доступны через Интернет на специальном сайте, который будет отражать состояние выполнения проекта.
Эффективная и широкомасштабная система визуализации в виртуальном окружении откроет для научных работников и инженеров перспективы более широкого осмысления больших выборок данных, полученных в результате экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. В результате существующие математические модели сложных физических явлений могут быть подвергнуты детальной проверке и,при необходимости, в короткие сроки скорректированы. В конечном итоге, глубокое осознание парадигмы общей визуализации данных должно привести к лучшему пониманию аэродинамики автомобилей и летательных аппаратов, поведения мирового океана и атмосферы, упругих характеристик кузовов автомобилей, сварочных конструкций, зданий и материалов в широком смысле.
Три года потребуется на успешное завершение этого проекта. Участники ожидают получить финансирование для исследований в рамках данного проекта от фондов из стран-участниц проекта и инвестиций от заинтересованных финансовых и промышленных организаций.