Новые проекты в области информационных
В.Лобачев, В.Алешин, В.Афанасьев, А.Томилин,
Центр управления полетами
и моделирования
Высокий уровень сложности современных космических систем, стоящих перед ними задач, высокий
уровень риска и цена риска требуют развития и применения новых подходов при управлении
этими системами. Среди характерных примеров можно привести стыковку и сборку
крупногабаритных разветвленных конструкций с распределенной массой, дистанционное
управление планетными аппаратами в условиях большой длительности распространения
радиосигнала и т.п. Важной особенностью управления пилотируемыми аппаратами является
необходимость непрерывного тесного взаимодействия между экипажем и персоналом и экспертами
наземных служб слежения, поддержки и т.п. Все острее ощущается потребность в применении
средств коммуникации, более продвинутых по сравнению с традиционными радио-
телевизионными. В этой связи большой интерес может представлять использование в качестве
телекоммуникационного средства технологии Виртуальной Реальности.
В 1993-1995 годах при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в ЦУПе в
рамках инициативного проекта "Гипервизор", проводились исследования целью которых была
разработка концепции и основ системы визуализации сложных трехмерных динамических сцен с
высоким уровнем реализма. Были получены подходы к решению фундаментальных задач синтеза
изображений, в частности, методы обратной трассировки на произвольной картинной
поверхности, методы непосредственной трассировки невыпуклых параметрических поверхностей
на основе решения экстремальной задачи, которые могут использоваться в качестве основы при
построении архитектур системы синтеза изображений. При этом большое внимание в проекте
было уделено принципам построения открытой, доступной развитию архитектуры системы, в
частности, - созданию системы классов с виртуальными методами (в рамках объектно-
ориентированного подхода), позволяющих избежать жесткой привязки алгоритмов к конкретному
типу вычислителя и, по возможности, свести к минимуму адаптацию алгоритма к вычислителю.
Разработано ядро библиотеки классов примитивов, которая является расширяемой и использует
механизм абстрактных базовых классов для описания формы примитивов, оптических свойств их
поверхностей и виртуальных методов синтеза их изображений.
В систему был заложен целый ряд функциональных возможностей, среди которых, в первую
очередь необходимо отметить возможность параллельного синхронного многоракурсного синтеза
изображений виртуальной сцены, состоящей из заданного числа участников сцены: "актеров" -
наблюдаемых объектов, "зрителей" - наблюдающих объектов и "осветителей" - объектов,
излучающих ЭМ-энергию заданного спектра. Число участников, их положение и ориентация
задаются путем описания сцены на специальном языке в текстовом файле или при помощи
интерфейса типа GUI. Для обработки и интерпретации входного текста описания сцены
разработан компилятор, формирующий образ сцены в оперативной памяти.
Система "Гипервизор" позволяет моделировать (одновременно, синхронно) множество
разнообразных форм частичного и полного визуального погружения в виртуальную среду:
стереоскопию, полиэкраны с различной мозаикой и кривизной (панорамы и "аквариумы") и другие
возможные формы, которые задаются при описании системы наблюдения, осуществляющей
функции "гипервидения"- параллельной синхронной визуализации сцены массивом виртуальных
зрителей. Из элементов этого массива могут быть образованы связанные иерархические структуры
(агрегаты), синхронно формирующие изображения сцены с разных точек наблюдения, под
разными ракурсами и через разные оптические системы. Узлы иерархической структуры (как
элементарные виртуальные зрители, так и образованные ими агрегаты) могут быть ассоциированы
с узлами вычислительной сети и системами вывода изображений.
Для управления состояниями сцены используется интерфейс событий, при наступлении которых
образ сцены, хранимый в памяти в виде описания состояния объектов, оперативно изменяется:
участники сцены - актеры, зрители, осветители и их структурные единицы могут двигаться в
пространстве, а также изменять свои атрибуты (например, у зрителей могут меняться оптические
параметры). При этом для управления может быть использована заданная программа (сценарий)
или моделируемые в реальном времени события (они генерируются имитационной моделью).
Кроме этого, для управления виртуальной средой могут быть использованы и реальные события,
данные о которых могут поступать от систем слежения за состоянием реального объекта
(например, орбитальной станции, ее систем, экипажа) и наблюдателями (Head Tracking),
осуществляющими погружение в виртуальную среду, - ее можно назвать в этом случае
"индуцированной" .
С 1996 года инициативные исследования по виртуальной реальности в ЦУПе (также при
непосредственной поддержке РФФИ) продолжены в направлении построения концепции
индуцированной виртуальной среды.
Объектом исследований является особая форма интерактивного взаимодействия в сложной
человеко-машинной системе - "Виртуальное Присутствие", - основанное на рецепторном контакте
человека с "Индуцированной Виртуальной Средой" (данный термин и его понятие вводятся
авторами), копирующей в реальном времени некоторую, параллельно существующую реальную
среду. Виртуальное присутствие можно рассматривать как концептуальную основу развития
методологии управления системами, в новом направлении, связанном с исследованием и
использованием индуцированной виртуальной среды в качестве носителя обратной связи.
Индуцированная виртуальная среда представляет собой разновидность виртуальной среды,
которая не является, как обычно, целиком искусственной средой (где события моделируются по
какому-либо абстрактному сценарию), а средой, искусственной только на рецепторном уровне:
поведение же объектов и события в ней порождаются поведением реальных объектов и реальными
событиями, протекающими в некоторой реальной среде.
По сравнению с обычными системами виртуальной реальности, система виртуального присутствия
должна содержать, как минимум, две дополнительные подсистемы:
- подсистему регистрации положений и ориентации объектов и их
составных частей, характеристик объектов и среды, которые вместе образуют
вектор состояния реальной среды;
- телекоммуникационную подсистему, передающую вектор состояния для
синтеза рецепторной копии реальной среды в центре слежения.
Важно, что для индуцирования событий в виртуальной среде требуется передача лишь вектора
состояния реальной среды, а ее рецепторная копия (в частности изображения объектов)
синтезируется "на месте" по априорным данным, транспортировать которые нет необходимости, в
результате чего радикально снижаются требования к пропускной способности коммуникационных
каналов системы виртуального присутствия, в частности, по сравнению с каналами для систем
телеуправления и теленаблюдения. При этом система виртуального присутствия дает
принципиально новые возможности контакта с удаленной средой, основанные на полном
погружении в виртуальную среду и подключению, многих других видов рецепторов в дополнение к
зрительным.
Наиболее актуально применение систем виртуального присутствия в областях, где эти системы в
ближайшее время могут оказаться незаменимыми при проведении сложных и опасных операций,
сопряженных с высоким риском и высокой ценой риска, например, при создании и эксплуатации
больших космических орбитальных станций, планетные экспедиции и т.п.
Космические системы в настоящее время можно отнести к числу систем с инфраструктурой,
наиболее подготовленной для исследований индуцированных виртуальных сред. Во-первых, -
имеется обширная информация о внешнем виде, размерах и оптических свойствах элементов этих
систем (конструкторская документация), и, во-вторых, - система регистрации и сбора информации,
связи и коммуникаций как между звеньями самой системы, так и с наземными службами (центр
управления), которая может быть дооснащена подсистемой регистрации и передачи необходимых
дополнительных данных.
Предлагаемая методология построения индуцированной виртуальной среды
включает в себя решение следующих основных задач:
- построение концепции создания модели реальной среды,
описывающей подмножество ее элементов и их характеристик, необходимых
для создания адекватной (по заданному критерию) рецепторной копии этой
среды;
- формирование подмножества параметров, образующих компоненты
вектора состояния реальной среды;
- построение модели преобразование вектора состояния реальной среды в
вектор кодирования образа реальной среды;
- индуцирование событий в виртуальной среде по поступающим данным об
изменении вектора состояния;
- синтез рецепторной копии реальной среды на основе преобразования
компонент вектора состояния в вектор кодирования образа;
- синхронное отображение рецепторной копии среды на различных дисплеях
(помимо видео-дисплеев, в их число могут входить звуковые, силовые,
гравитационные, тактильные и другие).
В рамках предлагаемого подхода определены, в частности, такие направления исследований:
- создание и исследование модели технической системы (сегмента
орбитальной станции), воспроизводящей трехмерный объект сложной
структуры и поведение этого объекта;
- исследование процессов индуцирования событий, включающих
регистрацию, передачу вектора состояния, преобразование его вектор
кодирования образа среды и отображение его на различных дисплеях;
- исследования феноменов погружения оператора в индуцированную
виртуальную среду и некоторых видов взаимодействия с объектами в
индуцированной среде (в частности, визуального и тактильного);
- исследования методологии построения баз структурных, морфологических
и оптических данных о естественных и техногенных 3D- объектах на основе
объектно-ориентированного подхода.
В заключение отметим, что проникновение виртуальной реальности в среду Internet (в частности,
зарождение и бурное развитие концепции VRML) открывает большие возможности для развития
телекоммуникаций в индуцированной виртуальной среде. В перспективе (по мере развития
технических возможностей систем телеметрии, слежения, каналов связи, персональных
вычислительных систем и средств отображения) любой пользователь сети Internet мог бы получить
возможность "виртуального присутствия" на борту, например, международной орбитальной
станции "Альфа" и в реальном времени "принимать участие" в проведении некоторых
экспериментов на борту (как минимум, - наблюдать за их проведением), и даже вместе с экипажем
или самостоятельно "выходить" в открытый (разумеется, виртуальный) космос или на поверхность
планеты.
