Моделирование сложных систем и виртуальная реальность. - М., 1995.

Технической основой виртуальной реальности (ВР) служат технологии ком­пьютерного моделирования и компьютерной имитации, которые в сочетании с ускоренной трехмерной визуализацией позволяют реалистично отображать на экране движение. В минимум аппаратных средств, требующихся для взаимо­действия с ВР-моделью, входят монитор и мышь или джойстик. В более изо­щренных системах применяются виртуальные шлемы с дисплеями (HMD), в частности шлемы со стереоскопическими очками, и устройства 3D-ввода, на­пример, мышь с пространственно управляемым курсором или «цифровые пер­чатки», которые обеспечивают тактильную обратную связь с пользователем.

Основная особенность ВР-модели - это создаваемая для пользователя иллю­зия его присутствия в смоделированной компьютером среде, которое называют дистанционным присутствием. Ощущение дистанционного присутствия в меньшей степени зависит от того, насколько естественно выглядят изображе­ния среды, чем от того, как реалистично воспроизводятся движения и насколь­ко убедительно ВР-модель реагирует при взаимодействии с пользователем. Ес­ли пользователь располагает более чувствительными (погруженными) устрой­ствами ввода, например, такими, как цифровые перчатки и виртуальные шлемы, то модель обеспечивается достаточным количеством данных, чтобы надлежа­щим образом реагировать на такие действия пользователя, как поворот головы или даже движение глаз.

Термин «виртуальная реальность» был введен в обращение в середине 1980-х годов ДжЛаньером-музыкантом, специалистом по компьютерной технике и предпринимателем, фирма которого «VPL Рисерч» разработала первую цифро­вую перчатку для управления ВР-взаимодействием, а также средства для по­строения ВР-моделей.

Виртуальная реальность еще не вышла из младенческого возраста. Однако она сделала начальные шаги в таких технологиях, как имитаторы условий по­лета и пилотажные тренажеры (использовавшиеся для тренировок пилотов и космонавтов); определенные успехи были достигнуты и в имитационном моде­лировании боевых операций. Но для ВР существуют и другие, более широкие области применений Так, виртуальную реальность можно использовать в играх, медицинских исследованиях и обучении медперсонала, а также в архитектуре.

Трехмерная компьютерная графика. Трехмерная компьютерная графика представляет собой сочетание растровой и векторной компьютерной графики с алгоритмами для быстрой перерисовки основного графического профиля и внешнего вида, позволяющими оперативно изменять перспективу и точку на­блюдения, - процесс, названный трехмерной визуализацией.

Растры, как следует из названия, - это карты точек, или «битов», образующих картину во многом аналогично растровому воспроизведению фотографий в га­зетах: линии и тона имитируются полем точек разной густоты. Любая цифровая фотография или изображение, получаемое непосредственно с цифрового скане­ра или из WWW, представляет собой некоторый битовый массив. Такие масси­вы сохраняются во многих файловых форматах, например GIF. JPEG и TIFF. Из-за технологии формирования растровых массивов эта графика не всегда вы­глядит четкой при увеличении. Изменение размера или пропорций растровой графики может вызвать растяжение и изменение размеров точек, что приводит к появлению ступенчатости или пятнистости.

Векторы - это математические символы, содержащие геометрическую ин­формацию о линиях, углах и многоугольниках, образующих изображение. В инженерном деле векторы используют для технического черчения и выполне­ния иллюстраций с применением программ САПР, а также программных средств для иллюстрирования или обработки графики.

Векторы служат основой для построения трехмерной графической среды виртуальной реальности. Хотя получить растровое графическое трехмерное изображение возможно, растровые изображения не содержат информации о глубине. Чтобы создать иллюзию трехмерного пространства, объекты на экране компьютера строят на основе «проволочного» каркаса. Для придания желаемо­го внешнего вида «проволочный» каркас закрывается поверхностным слоем.

Простой поверхностный слой получается разными способами закраски -равномерным нанесением краски, закраской по методу Гуро и закраской по методу Фонга.

Другие методы, применяемые для заполнения пустот в «проволочном» кар­касе трехмерной окружающей среды, связаны с наложением текстур. В отличие от нанесения теней, при котором выполняется цветное закрашивание много­угольников, при наложении текстур наносится растровая графика текстур. На­ложение текстур имеет решающее значение для повышения реалистичности компьютерных игр.

Поскольку трехмерная графика типа используемой в играх, САПР и ВР-средах, предусматривает возможность рассматривать ее из разных точек на­блюдения, эта техника позволяет разработчикам строить виртуальные миры, в которые пользователи могут проникать и проводить исследования изнутри. Для таких «проницаемых» сред требуется постоянно менять перспективу, а для коррекции перспективы необходимо быстрое выполнение математических вы­числений, так как визуализация «на ходу» может привести к тому, что линии перспективы (исчезающие с увеличением дальности) будут восприниматься как искаженные

Компьютерное моделирование и имитация. В компьютерных моделях объек­ты наделяются определяющими их свойствами, которые задают их реакции на различные виды манипуляций.

Типичная форма компьютерной модели - это электронная таблица, в кото­рой пользователь может изучить влияние, вызываемое изменением величины, содержащейся в одной из клеток таблицы, на величины, находящиеся в других клетках таблицы и связанные с первой величиной формулами.

Компьютерные модели могут предназначаться для моделирования техниче­ских систем, например водопровода, состоящего из запорно-регулирующей ар­матуры и труб. В этом случае трубы характеризуются такими параметрами, как диаметр, длина и жесткость. К числу переменных в системе относятся вязкость жидкости, текущей по трубам, и давление, создаваемое насосами, а результата­ми взаимозависимости этих переменных будут скорость течения жидкости и вероятность разрушения трубопровода из-за слишком высокого давления.

Компьютерные модели могут использоваться для исследования процессов без построения системы, в которой они реально происходят. Такие модели по­зволяют ускорить процессы или замедлить их. Построение таких компьютер­ных моделей более сложно, а их эффективность зависит от точности исполь­зуемых формул, описывающих зависимости всех переменных конкретного ис­следуемого процесса.

Модели широко используются в САПР и автоматизированном конструирова­нии при разработке и макетировании новых систем, например автомобилей или производственных процессов. Они служат также базой для построения «инте­рактивных» имитационных моделей, которые близки к ВР-системам.

Компьютерной имитацией пользуются также при исследовании сложных немеханических систем. Так, например, компьютерное моделирование в меди­цине позволяет оценить последствия хирургической операции Такого рода ими­тационные модели могут использоваться как в образовательных, так и в раз­влекательных целях.

Сетевая виртуальная реальность. Разработки теории и аппаратных средств ВР продолжаются. Участники первой ежегодной WWW-конференции, проводив­шейся в 1994 в Женеве, обсудили возможности применения ВР в WWW. Были рассмотрены разработки инструментальных средств трехмерной графики, предназначенных для расширения возможностей Web-браузеров (программ, используемых для просмотра WWW-документов). На конференции была пред­ставлена концепция «языка моделирования виртуальной реальности» (VRML). Этот язык основан на существующей технологии описания трехмерных сцен с визуализацией многоугольных объектов, освещения и материалов. В числе первых применений VRML-узлов на WWW оказались сюрреалистические ландшафты и «дискуссионные миры», где пользователи взаимодействовали с посетителями. В одном из окон можно разговаривать с другими участниками, вводя текстовый комментарий с клавиатуры.

Аппаратные средства виртуальной реальности. Хотя для выполнения ВР-программы требуются лишь компьютер с быстрым микропроцессором и уско­ренная видеоподсистема для работы с трехмерной графикой, многие связыва­ют ВР со шлемами HMD и цифровыми перчатками.

Шлемы HMD появились после проводившихся в середине 1950-х годов экс­периментов, в которых инженеры смонтировали стереокамеру на верхнем эта­же здания и разработали двухэкранный монитор, позволявший не только вос­производить то, что записывала камера, но и в определенных пределах выпол­нять слежение камерой. Получающееся изображение больше походило на уда­ленную реальность, чем на виртуальную, потому что изображения были реаль­ными, а не компьютерными. Первые очки для работы с компьютерной графи­кой были разработаны в середине 1960-х годов, а изобретение цифровой пер­чатки приходится на середину 1980-х годов. Пользуясь цифровой перчаткой, можно имитировать жесты или перемещать объекты в среде ВР.

К середине 1990-х годов среда виртуальной реальности оказалась на перед­нем плане таких областей, как интерактивные компьютерные игры и модели­рование на ЭВМ.