Созданию виртуальных сред распределенного совместного моделирования, научного анализа и интерактивной визуализации на основе систем виртуальной реальности типа CAVE 3D (Computer Aided Virtual Environment) в мире уделяется все больше внимания. Достаточно указать, что на ежегодной Международной конференции WINVR 2010 по инновационным технологиям в системах виртуального окружения, организованной ASME в Университете штата Айова, было представлено 27 тематических направлений. Это свидетельствует об огромном интересе в мире со стороны научных организаций и промышленных предприятий к развитию технологий виртуального прототипирования практически во всех областях знаний, включая и гуманитарные.
Виртуальное прототипирование — это современный подход к разработке новой продукции, представляющий собой инновационные технологии воспроизведения виртуального образа изделия при создании конкурентоспособной продукции машиностроения. Особенностью систем типа CAVE 3D является возможность полного погружения наблюдателя в киберпространство виртуального мира объекта или физического процесса.
Актуальность создания таких сред в настоящее время осознана всеми ведущими суперкомпьютерными центрами мира и крупными промышленными компаниями. Несмотря на высокую стоимость, спрос на такие системы очень велик. Эти среды наиболее востребованы в высокотехнологичных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, авиационная, автомобильная, судостроительная, при анализе результатов моделирования сложных процессов газодинамики, химии, биологии, геомеханики, горения и т.д. Главной целью создания таких сред является компьютерная поддержка совместной географически распределенной работы (Collaborative work) по моделированию, анализу и визуализации результатов на основе систем виртуальной реальности типа CAVE 3D.
В последнее время системы CAVE 3D часто называют центрами принятия решений (Immersive Decision Making). Уже сейчас системы виртуального окружения используются в ведущих промышленных компаниях мира как место и средство принятия решений путем погружения в исследуемый объект или процесс. Именно в этих центрах целесообразно проводить совместные совещания разработчиков, решающих судьбу создаваемого ими изделия, когда в режиме реального времени возможно протестировать параметры изделия на примере его виртуального образа.
Задачам создания новых технологий визуализации отведено заслуженное место в подготовленном мировым сообществом разработчиков программного обеспечения документе IESP Roadmap по кардинальному пересмотру стратегии развития и разработки программного обеспечения для высокопроизводительных вычислительных систем на период 2010-2019 годов.
На заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России 31 августа 2009 года Президент РФ указал на приоритеты в области стратегических информационных технологий. Одним из приоритетов является создание отечественных суперкомпьютеров и на их базе создание ВИРТУАЛЬНЫХ моделей самолетов, автомобилей и других наукоемких изделий. В настоящее время в России формируется национальная суперкомпьютерная технологическая платформа по созданию и развитию суперкомпьютерных технологий экзафлопного класса. Обеспечение экзафлопных вычислений является ключевой проблемой в мире, решением которой занимается все мировое вычислительное сообщество. При этом предполагается, что объемы данных, генерируемые экзафлопными вычислениями, достигают уровня экзабайт. Это означает, что для анализа результатов экзафлопного моделирования в режиме реального времени системы виртуального окружения типа CAVE 3D являются едва ли не единственным эффективным средством осмысления огромного объема данных.
Технологии визуализации в виртуальных средах в настоящее время претерпевают интенсивное развитие в сторону расширения интерактивной функциональности виртуальных сред, когда наблюдатель оперирует с виртуальным образом объекта так, как он оперировал бы с реальным физическим объектом. Составной частью современных систем виртуального окружения становится высокопроизводительный видеокластер, который выполняет часть вычислительной работы по обработке видеоизображения в режиме постпроцессинга. В перспективе видеокластеры примут на себя функции быстрой декомпрессии данных с использованием процессоров, установленных на графических ускорителях, функции реконструкции визуального представления объекта на основе редуцированных данных моделирования, параллелизации рендеринга и т.д.
Вычислительное обеспечение прорывных технологий в России и решение фундаментальных проблем использования суперкомпьютеров петафлопного и экзафлопного классов для детального предсказательного моделирования в научных и инженерных исследованиях требуют создания как новых технологий анализа и визуализации результатов, так и новых аппаратных средств визуализации. Системы типа CAVE 3D в настоящее время являются неотъемлемой частью проведения масштабных фундаментальных и прикладных исследований в ведущих научных центрах и университетах Европы, США и Китая.
Сегодня в мире существует более 100 крупномасштабных установок виртуальной реальности, которые используются в самых различных областях науки и техники, решая задачи как фундаментальных научных дисциплин, так и в специализированных прикладных направлениях. Такие системы имеют большинство ведущих компаний мира — Boeing, Airbus, Ford, General Motors, BP и многие другие. За последние 10 лет оборот на рынке систем виртуальной реальности только в промышленности вырос более чем в 80 раз.
В России пока незаслуженно мало внимания уделяется развитию программно-аппаратных комплексов виртуального окружения. Тем не менее имеются примеры успешного использования систем виртуальной реальности в научных и прикладных исследованиях. Первые установки таких систем были созданы в МФТИ и СПбГПУ. Работы по созданию таких установок постоянно поддерживаются грантами РФФИ. В 2007 году в СПбГПУ введена в эксплуатацию система CAVE 3D с тремя просветными экранами, оптической трекинг системой и многопроцессорным видеокластером.
С момента своего создания система CAVE 3D в СПбГПУ активно используется в научных исследованиях процессов газодинамики турбомашин, молекулярной динамики, для стереовизуализации результатов компьютерной томографии органов человека, а также рядом промышленных предприятий Санкт-Петербурга, среди которых в первую очередь следует отметить ОАО “Звезда” и ОАО “Силовые машины”. Технологии виртуального прототипирования используются этими предприятиями при анализе результатов предсказательного моделирования поведения новых конструкций двигателей, мощных паровых турбин и электрогенераторов. Совместно с ИММ РАН выполнены уникальные работы с использованием параллельных компьютерных технологий по созданию программного обеспечения интерактивной стереовизуализации изоповерхностей в режиме реального времени в системе CAVE 3D результатов моделирования на сверхбольших сетках.
В качестве объекта технологий виртуального прототипирования может выступать любая цифровая модель, в том числе и модели архитектурных объектов. Так, на основе технологий виртуального прототипирования создана трехмерная интерактивная стереомодель реконструкции утраченного объекта культурного наследия РФ — Павловского музыкального вокзала. Данный проект стал результатом сотрудничества Лаборатории виртуальной реальности кафедры “Компьютерные технологии в машиностроении” ММФ СПбГПУ, Государственного музея-заповедника “Павловск” и Фонда поддержки и развития ГМЗ “Павловск”.
Программно-аппаратные комплексы виртуальной реальности в России, как и во всем мире, должны стать необходимым и естественным модулем в составе современных исследовательских суперкомпьютерных центров. Следует отметить, что в отличие от быстро стареющего вычислительного оборудования оборудование систем виртуального окружения стареет гораздо медленнее и может использоваться для нескольких поколений дорогостоящих высокопроизводительных вычислительных систем.
Николай Шабров,
профессор, заведующий кафедрой “Компьютерные технологии в машиностроении” СПбГПУ, эксперт РФФИ
Нет комментариев