ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
ПРОЕКТ

«Система отображения космических объектов ИКИ РАН в индуцированной виртуальной среде»

Шифр IVE-IKI

Директор проекта
кандидат физ-мат наук Евгений Слободюк

© Институт космических исследований РАН, 2004
Москва 2004

Аннотация

Направленность проекта — создание новых технологий для исследования космоса, а также для контроля поведения сложных технических систем, основанных на современных и перспективных информационных технологиях, в первую очередь, на технологии виртуальной реальности. Основным ожидаемым результатом данного проекта является создание программно-аппаратного комплекса, включающего систему интерпретации данных телеметрии и поступающей информации о параметрах физических процессов и явлений, распределённую вычислительную систему, систему отображения, а также специализированное математическое и программное обеспечение, которые существенно расширяют возможности технологии виртуальной реальности для отображения состояния космических аппаратов (КА) от момента запуска до момента выполнения задания (стыковка с другими КА, посадка и функционирование на поверхность планеты, возвращение на Землю и т.п.).

Создание комплекса позволит решать широкий круг задач в ИКИ РАН, в число которых, прежде всего, входят:  

Создаваемая система может быть кратко охарактеризована как система телеприсутствия, в которой на основе любой доступной информации в реальном времени реконструируется и визуализируется 3-мерное виртуальное окружение, позволяющее получить более полное и наглядное представление о состоянии наблюдаемой системы или природного явления.

1 Направление исследований

Данный проект направлен на решение фундаментальных задач в исследовании космоса. В первую очередь результаты проекта ориентированы на визуализацию космических объектов как естественных, так и техногенных (космических аппаратов (КА), орбитальных станций и комплексов, утраченных КА и «космического мусора»). Кроме этого результаты проекта позволят визуализировать любые природные и физические явления, для которых возможна реконструкция адекватной визуальной модели (поведение магнитосферы Земли, потоки элементарных частиц, солнечного ветра и т.п.) по любым доступным данным.

Принципиально, что системы визуализации ИВС могут использоваться для слежения за поведением объектов и явлений без применения приборов, действующих в оптическом диапазоне электромагнитного спектра, в частности, на основе только числовых данных, полученных любым доступным способом.

Круг пользователей создаваемой системы включает, прежде всего, учёных и специалистов-исследователей, использующих космическую технику и технологии в качестве научного инструментария, исследователей планет, специалистов по обеспечению и поддержке планетных экспедиций. Число пользователей системы на первом этапе реализации проекта будет составлять около 50 специалистов ИКИ РАН, а в дальнейшем будет увеличиваться, по мере наращивания числа вычислительных узлов и устройств визуализации в составе развёртываемой системы.

2 Основные цели и ожидаемые результаты проекта

Главная цель данного проекта — создание новых технологий для исследования космоса, а также для контроля поведения сложных технических систем, основанных на современных и перспективных информационных технологиях, в первую очередь, на технологии виртуальной реальности. Основным ожидаемым результатом данного проекта является создание программно-аппаратного комплекса, включающего систему интерпретации данных телеметрии, распределённую вычислительную систему, систему отображения, а также специализированное математическое и программное обеспечение, расширяющие возможности технологии виртуальной реальности для отображения состояния КА от момента запуска до момента выполнения задания (стыковка с другими КА, посадка и функционирование на поверхность планеты, возвращение на Землю и т.п.).

В результате выполнения данного проекта будут достигнуты принципиально новые возможности по контролю за состоянием и поведением сложных технических систем на основе всех доступных данных с использованием новейших технологий человеко-машинного взаимодействия. Результаты разработок, в первую очередь, рассчитаны на применение в центрах управления сложными процессами и операциями (ИКИ РАН, ЦУП-М, ЦПК).

Создание комплекса позволит решать широкий круг задач в ИКИ РАН, в число которых, прежде всего, входят:

3 Обоснование актуальности проекта

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 технических устройств и систем, технологических процессов, управляемых человеком, также требуют создания новых методов и средств для контроля и управления. При возрастании сложности системы, в условиях неуклонного роста объёмов информации, поступающей в реальном времени, при повышении риска и цены принятия ошибочных решений, выполнение задач контроля и управления требует привлечения принципиально новых подходов и информационных технологий, обеспечивающих поддержку анализа данных и принятия решений.

Одним из наиболее эффективных способов интерпретации потоков данных высокой интенсивности является использование интерфейсных средств, подключаемых непосредственно к сенсорной системе человека-оператора, - систем виртуальной реальности (ВР). Системы ВР позволяют преобразовывать большие объёмы числовых данных в сенсорные (прежде всего, визуальные) образы синтезируемой компьютером пространственной виртуальной среды — Виртуального Окружения. Это позволяет на качественно новом уровне решать проблемы интерпретации данных о характере протекания и развития сложных физических процессов и природных явлений, а также о состоянии и о поведении сложных технических объектов и систем, преобразуя числовые данные в форму графических изображений, которые легко и быстро воспринимаются экспертами. Для эффективного использования интерфейса ВР для мониторинга сложных техногенных процессов и природных явлений необходимо соответствующее информационное системы.

В этой связи следует отметить, что современные технические системы (такие как КА и комплексы) всегда оснащены, разветвлённой системой регистрации и передачи в центры слежения и управления параметров характеризующих состояние объектов мониторинга. В качестве характерного примера можно привести сложившуюся за несколько десятков лет в Центре управления полётами и моделирования (ЦУП-М) Росавиакосмоса информационную инфраструктуру — это десятки и сотни тысяч каналов приёма в реальном времени больших объёмов телеметрических и траекторных данных. При этом возможности приёма и обработки больших потоков информации теряют смысл, если они не обеспечены эффективными средствами интерпретации.

4 Общая характеристика создаваемой системы

Подход к создаваемой системе ИВО базируется на использовании двух основных видов информации:

Кроме этого используется информация о состоянии естественной окружающей реальной среды (в частности, положение солнца, звёзд, земной поверхности и т.п.).

Первый из указанных видов информации используется для описания геометрии и других заранее известных свойств виртуальных объектов (сенсорных копий реальных объектов), второй вид информации используется для реконструкции состояния реальной среды (изменение взаимного положения, ориентации, освещённости объектов и т.д.) на момент наблюдения.

Создаваемая система представляет собой программно-аппаратный комплекс, выполняющий следующие функции:

Современный уровень развития архитектуры персональных компьютеров и их графических подсистем позволяют создавать распределённые системы для геометрических вычислений высокой производительности. На базе такой системы может быть построена распределённая система визуализации ИВО, обеспечивающая синхронные параллельные вычисления для большого числа потребителей. Суммарная производительность такой системы может быть доведена до уровня суперкомпьютеров. При этом система будет существенно более дешёвой и одновременно масштабируемой (и по мощности, и по стоимости) в соответствии с числом потребителей.

Вычислительная система строится на базе кластеров из мощных графических станций невысокой стоимости на платформе ПК c графической подсистемой на базе специализированного для формирования стереоизображений графического ускорителя. (GeForce FX5900/Ultra, Radeon 9800/Pro или аналогичных). Программное обеспечение всей системы в целом строится на базе ОС Linux средствами инструментальной системы виртуального окружения Аванго и языка С++.

Оно состоит из двух основных систем:

В состав транслятора состояния входят, в частности, следующие подсистемы: 

Для визуализации используется распределённая система отображения, в состав которой входят центральный и периферийные посты визуализации. Существенной особенностью вычислительного комплекса, обеспечивающего визуализацию является то, что центральный и периферийные посты оснащаются отдельными узлами, которые образуют распределённую вычислительную систему. Каждый узел может представлять собой кластер на базе высокопроизводительного коммутатора, тем самым обеспечивается необходимая производительность — система получается масштабируемой и легко наращивается по необходимости. Кроме этого обеспечивается синхронизированный и пространственно-согласованный доступ к данным о состоянии виртуального окружения, и, таким образом, обеспечивается согласованное погружение всех систем визуализации в единое виртуальное окружение.

Для проектирования и разработки программной реализации системы будет применена объектно-ориентированная технология создания распределённых систем реального времени. В качестве основного инструментального средства на стадии проектирования используется язык UML. При разработке программного обеспечения основным языком является С++ (для сетевых приложений Java/Perl), в качестве средств API используются OpenGL и пакет Avango. ОС — Linux.

4.1 Конфигурация необходимых технических средств и программного обеспечения

Основные аппаратно-программные средства, необходимые для использования результатов проекта, должны включать следующие компоненты технологии виртуального окружения: 

5 План реализации проекта

Вся работа над проектом разбита на три этапа.

Этап 1. Январь-декабрь 2004 года. Разработка концепции, анализ применения средств визуализации, определение круга задач, для решения которых система будет применяться. Проведение анализа и проектирования системы визуализации. Разработка макетного варианта программной системы для центрального поста визуализации. Создание установки центрального поста.

Этап 2. Январь-декабрь 2005 года. Формирование полномасштабной системы визуализации виртуального окружения и проведение исследований применения системы для всего спектра рассматриваемых задач. Разработка программного обеспечения распределённой системы визуализации. Начало работ по разработке системы трансляции состояния объектов мониторинга (формирование требований к инфраструктуре информационного обеспечения системы трансляции состояния).

Этап 3. Январь-декабрь 2006 года. Продолжение работ по развёртыванию системы трансляции состояния объектов мониторинга (разработка моделей и программной реализации интерфейсов для интерпретации данных мониторинга по протоколам системы визуализации). Переход от визуализации тест-объектов к визуализации объектов мониторинга. Начало опытной эксплуатации системы в распределённом варианте, в том числе на базе локальной сети ИКИ. Подготовка специалистов по сопровождению системы после сдачи в эксплуатацию.

К концу первого года выполнения проекта планируется разработать:

Объектно-ориентированную модель системы на языке UML, включающую: 

Макетный вариант программной реализации системы для центрального поста визуализации, позволяющий визуализировать автономные 3D-модели тест-объектов в стереоскопическом варианте.

Действующий макет Установки центрального поста визуализации в составе: 

Созданная в результате выполнения данного проекта технология будет открыта для доступа как отдельным отечественным исследователям, так и целым коллективам, занимающимся решением фундаментальных проблем мониторинга экологических катастроф. Созданные методы, алгоритмы, программы и демонстрации будут доступны через Интернет на специальном сайте, который будет отражать состояние выполнения проекта.

Персонал

Число главных специалистов равно десяти. Руководящим персоналом проекта является:

Каждый руководитель направления будет подбирать конкретных исполнителей, исходя из характера решаемых задач и объёма работ. Предполагается, что в проект будет вовлечено около 25 человек, значительную часть которых будут составлять студенты и аспиранты.

6 Обзор текущего состояния

До последнего времени было предложено лишь несколько технических приёмов визуализации для специальных приложений. Общие концепции, применимые для использования технологии виртуального окружения к различным приложениям, в частности, к задачам управления орбитальными операциями в космосе, а также полный математический анализ существующих методов до сих пор не разработан. Существующие системы ВР предназначены для визуализации искусственных (синтезированных компьютером) объектов, процессов и сцен. Разрабатываются также системы, получившие название усиленной (augmented), или смешанной (mixed) реальности, где смешиваются в одной сцене искусственные и реальные объекты. Такая технология активно применяется в телевидении под названием виртуальной студии (или голубой комнаты).

Наиболее близким аналогом предлагаемой технологии является разрабатываемая в Университете Хьюстона методика тренировки космонавтов в условиях невесомости, которая ранее проводилась в специальном бассейне на макете реального КА. В разрабатываемой технологии состояние невесомости достигается на борту самолёта, выполняющего «горку», а реальная модель заменяется виртуальной. Однако, в данном случае имеет место лишь некоторое общее сходство.

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 и Ливерморская лаборатории, все Национальные суперкомпьютерные центры), так и в Европе (Фраунгоферовские институты машинной графики в Дармштадте и в Санкт 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 и в Китае.

7 Имеющийся задел по данному проекту

Участники данного проекта имеют хороший опыт реализации систем научной визуализации и виртуального окружения в рамках международного сотрудничества с Фраунгоферовским институтом медиакоммуникаций (Санкт Августин, Германия), а также опыт участия в работах по созданию и развёртыванию аналогичной системы в ЦУП-М Росавиакосмоса. Многие наработки, выполненные нашими сотрудниками в Германии, будут перенесены в среду создаваемой системы.

Авторский коллектив более 10 лет занимается разработкой систем виртуального окружения. В рамках этой работы накоплен большой опыт практического решения этих задач. В частности, в последние годы авторами были успешно выполнены международные проекты:

Научные результаты, полученные при выполнении этих проектов были доложены на Международных конференциях и семинарах по научной визуализации в США, Германии и России. Созданные программные инструментальные средства для визуализации многомерных научных данных демонстрировались на выставках CeBIT-2001,-2002 и MESSE-2001 в Ганновере, Германия, на Юбилейной выставке РФФИ-2002 в Москве, на выставке ЭКСПО-НАУКА 2003 в Москве.

По части космической тематики, участники данного проекта имеют хороший опыт реализации систем визуализации и виртуальной реальности для имитационно-тренажёрных комплексов управления сложными динамическими системами. Разработанные системы внедрены и активно используются в реальных тренировках космонавтов, операторов и технического персонала в РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина и РКК «Энергия». Коллектив участвует также в создании учебно-тренировочного комплекса подготовки групп операторов по сборке космических изделий.

Список избранных публикаций авторов по теме проекта включает:

[ 1 ] Stanislav Klimenko, Igor Nikitin, Martin Goebel, Henrik Tramberend. Visualization in Topology: assembling the projective plane. Visualization in Scientific Computing'97. SpringerComputerScience, WienNewYork, 1997, pp.95-104.

[ 2 ] Афанасьев В.О., Бровкин А.Г., Корниевский А.Н., Подобедов В.П., Семченко В.С., Томилин А.Н. Исследование и разработка системы интерактивного наблюдения индуцированной виртуальной среды (системы виртуального присутствия). В сб. Космонавтика и ракетостроение, No. 16, 1999.

[ 3 ] Stanislav Klimenko, Igor Nikitin et al. Visualization in string theory. Pergamon Press, Computer&Graphics 24(2000) 23-30.

[ 4 ] Valery Burkin, Martin Goebel, Stanislav Klimenko, Igor Nikitin et al. Virtual Planetarium in CyberStage. Virtual Environment 2000, SpringerComputerScience, WienNewYork, 2000, pp.177-186.

[ 5 ] Алешин В . И ., Афанасьев В . О . Система отображения состояния орбитального комплекса сложной структуры . В сб. Космонавтика и ракетостроение, No.25 , 2001.

[ 6 ] Клименко С.В., Никитина Л.Д., Никитин И.Н., Графический ускоритель, использующий анализ видимости объектов для отрисовки сцен высокой сложности. с.41, в трудах 2-й Международной конференции по виртуальным окружениям на кластерах персональных компьютеров, VEonPC'02, Протвино, изд. ИФТИ, ISBN 5-88835-011-7; Исследовано в России, 36 (2003) с.389-396.

[ 7 ] Никитина Л.Д., Никитин И.Н., Фролов П.В., Геббельс Г., Гебель М., Клименко С.В., Нильсон Г.М. Моделирование деформаций упругих объектов в виртуальном окружении в реальном времени, использующее метод конечных элементов и предвычисленные функции Грина. Исследовано в России, 26 (2003) с.267-276.

[ 8 ] Афанасьев В.О., Клименко С.В., Михайлюк М.В. и др. Опыт применения и перспективы развития систем виртуального окружения в космических тренажёрах и системах теле-присутствия. Труды 3-й международной конференции VeonPC'2003 "Системы виртуального окружения на Linux кластерах персональных компьютеров, Москва, 2003, стр. 5-20.

8 Перечень оборудования и материалов, имеющихся у коллектива для выполнения проекта

Коллектив авторов оснащён современной вычислительной техникой и проекционным оборудованием, включающей:

9 Вклад в науку и технологию

Созданный в результате выполнения проекта программно-аппаратный комплекс будет открыт для доступа коллективам, занимающимся решением фундаментальных проблем исследования космоса. Созданные методы, алгоритмы и программы будут доступны на Интернет-сайте, где будет отражаться состояние выполнения проекта.

Список используемых сокращений и обозначений