Домой Избранное Обзор технологий имитационного моделирования: полезные «симулянты»

Обзор технологий имитационного моделирования: полезные «симулянты»

1045
simulators
Основные заказчики систем имитационного моделирования — военные, моряки и авиаторы.

Создание систем имитационного моделирования включает в себя как проектирование, так и интеграцию с инсталляцией. InAVate разбирается, только ли эксперты могут этим заниматься или уже появились технологии, открывающие рынок новичкам.

Так уж сложилось, что слово «симулятор» у старшего поколения русскоговорящих людей ассоциируется, скорее, с ругательным «симулянт»; 35-45-летние чаще используют его применительно к компьютерным программам, обычно играм, и только те, кто родился после падения железного занавеса, могут полностью «насладиться» его современным смыслом. Однако, чтобы не поддерживать путаницу из-за разночтений, предлагаем в качестве основополагающего термина использовать словосочетание «системы имитационного моделирования»: длинно, но понятно. И отметим пару коротких, но менее ясных определений, которые встретятся вам в тексте — «симуляторы», «среда моделирования» и «имитационная среда».
В нашем обзоре речь пойдёт о компьютерно-механических системах, задача которых состоит в имитации управления каким-либо процессом, аппаратом или транспортным средством; с их помощью тренируются пилоты вертолётов и самолётов, моряки, космонавты, машинисты высокоскоростных поездов.

А причём здесь профессиональная АВ-интеграция, спросите вы?… Ответ прост: именно этот сегмент обеспечил в исторической перспективе «становление» нескольких технически уникальных и визуально впечатляющих направлений АВ-индустрии. В этом сегменте запросы клиентов исключительно точны, поскольку дело касается управления летательными и плавающими средствами, а обучение и развитие профессиональных навыков соответствует самым высоким стандартам. В результате бюджеты таких систем «режут» не так жёстко (по сравнению с другими областями), ведь клиент хочет получить действительно наилучшее решение. Это, в свою очередь, требует очень высокой квалификации в проектировании и интеграции, что, в принципе, может помешать выходу на рынок АВ-интеграторов, не являющихся узкими специалистами.

Есть и другие факторы, влияющие на развитие сегмента: общие изменения в парадигме АВ-индустрии, повсеместное внедрение светодиодных технологий, очевидный прогресс в программной части и, наконец, развитие (точнее, его отсутствие) систем CAVE . Задача нашего обзора — выяснить, чего сегодня стоит «вход» на этот рынок, каковы перспективы внедрения систем имитационного моделирования на новых направлениях, таких как вещание, образование, розничная торговля и проч., или это такое консервативный «закрытый клуб» с клиентской базой, состоящей, как правило, из военных.

Общие контуры
Естественным компонентом систем имитационного моделирования является проекция, часто панорамная, позволяющая имитировать близкую к реальности, динамично меняющуюся окружающую среду. Однако светодиодные экраны высокого разрешения развиваются невиданными ранее темпами, и уже не ясно, остаётся ли проекция наилучшим (или только одним из многих) способом визуализации в этом сегменте.

«Да, остаётся, если вам требуется действительно высокое качество имитации, хотя это, безусловно, не единственный метод, — говорит вице-президент компании Barco по разработкам Дэйв Флюгеман (Dave Fluegeman). — В сочетании со сферическими экранами именно проекция даёт правильное рабочее расстояние между глазом и «картинкой местности» или пространственной перспективы, что, в свою очередь, определяет нагрузку на зрение. У плоских дисплеев нет проблем с «широкоформатностью», однако невозможно избавиться от плоского, двухмерного характера контента, если это, конечно, не стерескопическая система».

В некоторых случаях для имитации окружающей среды проекция вовсе не требуется, например, если система настольная или установлена в реальном пространстве. «Но там, где требуется «расширенный вид из окна», например, при имитации обзора из кабины пилота, проекция оптимальна», — уточняет менеджер специализирующейся на симуляторах компании Antycip Simulation Крис Вальдрон (Chris Waldron).

Дермот Куинн (Dermot Quinn), гендиректор компании Digital Projection, считает, что конкуренция в этом сегменте высока не только из-за «давления» светодиодных технологий, но и благодаря совершенствованию недорогих проекторов. Он говорит: «Есть проекция и проекция. Надо понимать, что определённые задачи может решить только высококлассное DLP-оборудование. Например, это единственное решение в случаях, если неприемлема пиксельная природа светодиодов, необходима высокая частота кадров, недопустимы артефакты при передаче движения или если архитектурные особенности помещения не позволяют использовать другие решения для обработки изображений из-за их веса и габаритов. Системы имитационного моделирования устроены так, что зрителю приходится быть очень близко к экрану, поэтому необходимый коэффициент резкости могут обеспечить только DLP-проекторы».

Другие эксперты, например, Кристоф Боде (Christoph Bode), участник немецкого иммерсионного проекта Syntropy, считает иначе. «Народ готов экспериментировать со светодиодными дисплеями, особенно в автомобильной промышленности, — утверждает он. — Однако проекцию на светодиоды в одночасье заменить, для этого потребуется время. И всё-таки нужно быть готовым к тому, что светодиодные дисплеи в один прекрасный день заменят типичные системы виртуальной реальности, такие как CAVE или Power Walls».

Программное обеспечение
Для реалистичной имитации окружающей среды, какой бы она ни была, скорее всего, потребуется несколько проекторов, «картинки» которых необходимо будет очень точно «сшить». Возникает вопрос: достигли ли собственные разработки производителей проекторов достаточно высокого для выполнения этой задачи уровня, или «сшивку» лучше выполнять с помощью специализированного ПО?

«Чтобы формировать широкоформатную картинку, особенно на изогнутых и сферических дисплеях с помощью матрицы проекторов, обязательно требуется специализированное ПО», — заявляет г-н Флюгеман. С ним соглашается г-н Вальдрон: «В случае с системой имитационного моделирования всегда требуется специальное ПО — для калибровки, управления геометрией, соответствием цветов и прочими параметрами».

Г-н Куинн в этой связи сообщает, что ему часто задают вопрос: используют ли его сотрудники собственное встроенное ПО или рекомендуют использовать отдельное программное обеспечение на сервере? И ответ частенько определяется ресурсами генератора изображений. По словам Куинна, некоторые клиенты с удовольствием воспроизводят предварительно обработанный контент через графическую карту, которая выполняет также и сшивку, и геометрическую коррекцию. «С одной стороны, наши клиенты активно используют специальное программное и аппаратное графическую обработку для рендеринга в режиме реального времени, а с другой могут предпочесть для сшивки и коррекции деформаций встроенные возможности проектора, т.к. у них очень низкая латентность», — говорит он.

Следующий вопрос: в АВ-индустрии уже довольно давно известны т.н. компьютеризированные виртуальные пространства, CAVE («пещеры» на проф. жаргоне). Актуален ли этот тип систем или о них подзабыли? «Я бы не сказал, что они на подъёме, но и не исчезают, — говорит Кристоф Боде из Syntropy. — Их полно, особенно во всяких дизайнерских бюро, и часто приходят запросы на обновление». По словам эксперта, растёт спрос на «иммерсивные пространства» с изогнутыми стенами (включая полы), такими как лаборатория ELBE Dome Института Фраунгофера (Магдебург, Германия), «более передовыми с точки зрения визуализации среды, и более сложными, чем системы CAVE».

«Для создания архитектурных, исследовательских и других визуализационно-ориентированных симуляторов предпочтительным выбором всегда были 3D-стереоскопические дисплеи, т.е. именно CAVE, — говорит г-н Флюгеман. — Однако из-за мерцания изображений в стереорежиме, а также из-за сложностей с синхронизацией стереоочков им не удалось проникнуть на рынок профессионального обучения так глубоко, как изогнутыми и сферическими дисплеям».

Между тем, спрос на симуляторы, и на CAVE в том числе, растёт по совершенно конкретным причинам. Одну из них озвучивает г-н Куинн из Digital Projection: «Рост рынка обусловлен массовым снижением затрат на подготовку пилотов, т.к. симуляторы явно дешевле полётов на настоящих самолетах».

Кто они, новые клиенты?
Известно, что развитие технологий стимулирует создание новых рабочих мест. Так ли это в случае с системами имитационного моделирования? По-прежнему ли основные клиенты здесь — армия авиация, флот, или симуляторы стали востребованы на новых бизнес-направлениях?

«Появился интерес со стороны энергетиков, транспортников, розничных торговцев, производственников и индустрии развлечений, — сообщает г-н Вальдрон. — Народ спрашивает крупные иммерсивные системы визуализации для интерактивного проектирования, виртуального прототипирования, создания «цифровых двойников»; это идёт вразрез со всеми нашими представлениями о «типичных клиентах».

AMM
Симулятор Surgera VR даёт студентам-медикам возможность проводить операции в виртуальном пространстве. Фото Алексей Мокеев.

В Центре прорывных исследований «IT в медицине» Самарского Государственного Медицинского Университета разработан симулятор Surgera VR для обучения студентов-медиков. «В отличие от работы с учебником и обучающими видео наша разработка позволяет студенту за счет эффекта полного погружения лучше понимать процедуры хирургического вмешательства, — рассказывает создатель программы Алексей Мокеев. — С помощью этого симулятора ученики отрабатывают мануальные хирургические навыки и запоминают алгоритм проведения операции с высокой степенью детализации».

«Рост спроса на симуляторы наблюдается на самых разных рынках, где 3D-визуализация используется для анализа, планирования и моделирования реальных задач, — подтверждает г-н Флюгеман. — Вот самые свежие примеры из моей практики: модель перетока воды из рек в искусственные водоемы и распределительные каналы с прогнозами испарения; проектирование глубоководного бурового оборудования для поддержки нефтедобычи — ранее это всё было просто недостижимым!»

Понятно, что для проектирования, инсталляции и обслуживания имитационных систем нужен высокий уровень мастерства. Так неужели это до сих пор «магазин для своих», или всё-таки новые программные и аппаратные разработки открыли рынок для новых игроков?

«Имитационные системы останутся нишевым бизнесом, создание сложных и высокоточных симуляторов требует специальных навыков, — говорит г-н Вальдрон. — Тем не менее, у многих эти навыки есть: каждый уважающий себя OEM-производитель держит команду экспертов по симуляторам, правда, они работают только со «своим» оборудованием».

Хоть и открыли независимые программно-аппаратные инновации новым клиентам доступ симуляторам и системам моделирования, конечному пользователю почти всегда потребуется какая-то специальная помощь — в выборе ли, в установке или в управлении системой. Да, клиент может оказаться «зрелым пользователем», но в этом случае тем более предпочтёт сосредоточиться на проекте в целом, а не на экспертизе отдельных аспектов визуализации.

Итак, эксперты свидетельствуют, что несмотря на большую открытость рынка систем имитационного моделирования для новых игроков, «наилучшим выбором» всё равно остаётся грамотный специалист. «Внедрение алгоритма автоматического выравнивания, например, не сделает рынок симуляторов более доступными для менее опытных компаний, — приводит удачный пример Иэн Амблер (Iain Ambler), директор норвежской компании Norxe, которая разрабатывает, производит и продает видеопроекторы для специальных задач. — Скорее, позволит опытным ребятам ещё быстрее интегрировать в симулятор визуальную часть».

Итог дискуссии подводит Дэйв Флюгеман из Barco: «Моделирование есть и, я считаю, всегда будет очень специализированной компетенцией. Здесь требуется широкий набор специальных навыков, особенно когда дело касается обучения пилотов… По сути это очень тонкая, глубокая интеграция компьютерной науки с графикой, физикой, оптикой, электротехникой и механикой. Я занят этим всю жизнь и, знаете, до сих пор каждое утро просыпаюсь с восхитительным желанием идти на работу!»

Редакция благодарит Пола Миллигана (Paul Milligan) из английского InAVate за подготовку этой статьи.