  |
 |
|
| О кафедре | Аспирантура | Проекты | Инновации | IT-специалистам | Библиотека | Личная колонка | Форум |
| ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАТИКИ ПРОЕКТ«VEram — разработка и создание панорамных систем виртуального окружения для задач визуализации в науке, образовании и промышленности»Шифр VErama Директор проекта © Институт физико-технической информатики, 2004 Протвино — Москва АннотацияЦелью данного проекта является создание серии панорамных систем виртуального окружения для задач визуализации в научных исследованиях, промышленности и образовании. Такие системы позволят проводить серьёзные фундаментальные исследования сложных физических явлений, математических абстракций и моделей, используя новейшую технологию человеко-машинного взаимодействия — виртуальное окружение — обеспечивающее, наряду с погружением пользователя в искусственный мир исследуемого явления, ещё и прямое взаимодействие с данными в пространстве модели. Виртуальное окружение позволит перейти на качественно более высокий уровень обработки данных, моделирования и проектирования эксперимента. Использование общедоступных высокопроизводительных персональных компьютеров и элементов виртуального окружения позволит создать серию систем, обеспечивающих решение задач, ранее доступных лишь сложным и дорогим комплексам. На основе созданной панорамной системы виртуального окружения будет построен прототип тренажёра космонавтов в Центре подготовки космонавтов им Ю.А.Гагарина (ЦПК, г.Звёздный), а также разработана система визуализации для Института космических исследований РАН и Центра управления полётами и моделирования (ЦУП-М ЦНИИМАШ, г.Королев). 1 Направление исследованийДанный проект направлен на решение фундаментальных задач как в традиционных дисциплинах: физика, математика, астрономия, медицина, — так и специальных прикладных науках: исследование космоса, аэрогидродинамика (расчёты динамики течения потоков), океанология и геофизика (инженерия землетрясений), металлообработка (авто- и авиа-индустрия), сопротивление материалов (моделирование эластичных объектов), исследование и конструирование оболочек (корпусов подводных лодок и ядерных реакторов), анализ столкновений и разрушений (моделирование аварий и катастроф), биомедицинская инженерия (протезирование и диагностика) и, наконец, применения в оборонных областях и при ликвидации чрезвычайных ситуаций. Технология виртуального окружения позволяет не только поместить исследователя в искусственный мир модели исследуемого явления, благодаря панорамному экрану, но и обеспечить возможность прямого манипулирования данными в пространстве модели с помощью специальных (haptic) интерфейсов. На основе созданной панорамной системы виртуального окружения будет построен прототип тренажёра космонавтов в Центре подготовки космонавтов им Ю.А.Гагарина (ЦПК, г.Звёздный), а также разработана система визуализации для Института космических исследований РАН и Центра управления полётами и моделирования (ЦУП-М ЦНИИМАШ, г.Королев). Круг пользователей создаваемой системы включает физиков, математиков, механиков, инженеров, космонавтов, специалистов по вычислительной газовой динамике, робототехнике и др., а также аспирантов и студентов МФТИ и МГУ, более 500. 2 Основные цели и ожидаемые результаты проектаЦелью данного проекта является создание серии панорамных систем виртуального окружения для задач визуализации в научных исследованиях, промышленности и образовании. Такие системы позволят проводить серьёзные фундаментальные исследования сложных физических явлений, математических абстракций и моделей, используя новейшую технологию человеко-машинного взаимодействия — виртуальное окружение — обеспечивающее, наряду с погружением пользователя в искусственный мир исследуемого явления, ещё и прямое взаимодействие с данными в пространстве модели. Виртуальное окружение позволит перейти на качественно более высокий уровень обработки данных, моделирования и проектирования эксперимента. Использование общедоступных высокопроизводительных персональных компьютеров и элементов виртуального окружения позволит создать серию систем, обеспечивающих решение задач, ранее доступных лишь сложным и дорогим комплексам. На основе созданной панорамной системы виртуального окружения будет построен прототип визуального тренажёра космонавтов в ЦПК, разработана система визуализации динамики магнитосферы Земли под действием солнечного ветра для ИКИ РАН и система визуализации для ЦУП-М ЦНИИМАШ. 3 Обоснование актуальности проектаТекущий момент характеризуется катастрофическим ростом информации, которое необходимо обрабатывать для поддержания прогресса в развитии современной цивилизации. Объем данных растёт быстрее, чем производительность компьютеров, которая, следуя закону Мура, удваивается каждые полтора года. Но ведь данные, помимо порождения компьютерами, извлекаются непосредственно из самой природы с помощью всевозможных детекторов и сенсоров, быстродействие которых также следует экспоненциальному росту. Важнейшей вехой на пути преодоления «кризиса данных» стал отчёт Национального научного фонда США «Визуализация в научных вычислениях» (1987 г.), подчеркнувший важность интерактивной визуализации больших массивов данных и обративший внимание научной общественности на знаменитый афоризм Хемминга: «Целью вычислений являются не числа, а понимание (постижение, проникновение в суть, интуиция, insight)». В результате было сформировано новое научное направление <Научная визуализация>, развивающее методы и средства понимания решаемых проблем за счёт привлечения к анализу данных способности человека видеть и понимать изображения. В процессе развития визуализации как научной дисциплины и технологии анализа данных было осознано, что человек лучше всего понимает и проникает в суть исследуемого явления, когда он может <погрузиться в мир исследуемого явления>, то есть в пространство модели, и когда его <погружение> усиливается возможностью непосредственно манипулировать данными в пространстве модели. Так сформировалась технология виртуального окружения (часто называемая виртуальной реальностью), определяемая как «интерактивная графика в реальном времени с трёхмерными моделями, когда комбинируется специализированная технология отображения, погружающая пользователя в мир модели, с прямым манипулированием объектами в пространстве модели». Следующей важной вехой в осознании важности развития систем анализа больших массивов данных, визуализации и виртуального окружения явилось стратегическое решение администрации Президента Клинтона о прекращении испытаний ядерного оружия. По этому решению от 25 сентября 1995 года Министерству энергетики США, ответственному за разработку и производство ядерного оружия, предписывалось разработать систему компьютерного моделирования полномасштабных испытаний и по мере готовности такой системы полностью отказаться от ядерных испытаний. За этим решением последовал запуск Министерством энергетики инициативы (так они называют широкомасштабные национальные программы), получившей название ASCI — Accelerated Strategic Computing Initiative. Важное место в этой программе отведено научной визуализации и виртуальному окружению. Основные задачи и требования к этим технологиям сформулированы в документе DVC — Data and Visualization Corridor, выпуску которого предшествовали 3 рабочих совещания 1998 года, где была собрана элита специалистов по обработке данных и визуализации. В этом документе подчёркивается, что слово «коридор» обозначает конкретную направленность развития обработки и данных и визуализации для задач полномасштабного моделирования ядерных испытаний. Создание действующих систем виртуального окружения рассматривается как комплексная проблема, поэтапное решение которой будет оказывать самое серьёзное воздействие на науку, промышленность, образование и социальную сферу. По своей сложности и долгосрочным последствиям она сопоставима с ядерной и космической проблемами. 4 Общая характеристика создаваемой системыСоздаваемый комплекс включает три основных подсистемы, построенных на стандартных компонентах:
Графический вычислитель представляет собой кластер из 5 персональных компьютеров DUAL Pentium IV под управлением ОС Linux, соединённый с устройствами для создания виртуального окружения. Узлы кластера загружают операционную систему по сети с выделенного файл-сервера. На SCSI дисках файл-сервера располагается также разделяемое дисковое пространство, монтируемое на узлы кластера по NFS. В целях обеспечения надёжности хранения и быстроты обращения к информации на сервере 4 SCSI диска объединены в RAID массив. Для обмена данными используются 2 сети Fast Ethernet: одна для потоков вычислительных данных, а вторая — для управляющего и NFS трафика. Соединение обеспечивается через коммутатор 3СОМ. Для осуществления параллельных вычислений предполагается использовать свободно распространяемый пакет PVM. Проекционная подсистема панорамного типа позволяет воспроизводить виртуальное окружение через четыре выделенных узла, оборудованных мощными графическими адаптерами GeForce 4, недорогие офисные LCD или DMD проекторы SXGA 1024x768 и поляризационные фильтры на стерео экран с углом раскрытия до 135 градусов. Для воспроизведения квадрофонического звука используется аудиосистема Creative. Инструментом для создания распределённых интерактивных VE приложений предполагается модернизированный в процессе выполнения предыдущих проектов пакет Аванго. Он предоставляет программный интерфейс C++ для определения двух категорий объектов — узлов, для создания сцены, и сенсоров, для связи с внешним миром. Кроме того, Аванго поддерживает интерпретируемый язык Схема (Scheme). Это язык высокого уровня, который умеет оперировать со структурными данными, такими как строки, списки и векторы. Все объекты высокого уровня в Аванго могут быть описаны на Схеме. Помимо рендеринга объектов, Аванго также позволяет использовать в виртуальном окружении живое видео. 5 План реализации проектаВся работа над проектом разбита на три этапа. Этап 1. Монтаж проекционной установки панорамного типа и испытания синхронной работы нескольких графических компьютеров кластера, отображающих панораму виртуальной сцены. На первом этапе со сроком окончания в IV кв. 2004 г. должны быть выполнены работы по созданию панорамного прототипа проекционной установки и приобретена недостающая часть оборудования, для которого будут разработаны специальные прикладные программы для визуального анализа ряда физических задач. Здесь будет реализована система визуализации магнитосферы Земли. Этап 2. Формирование полномасштабной системы виртуального окружения панорамного типа и проведение исследований его применения для всего спектра рассматриваемых задач. На втором этапе со сроком окончания в IV кв. 2005 г. должны быть проведены испытания полномасштабной установки и разработано соответствующее программное обеспечение для создания системы виртуального окружения панорамного типа. На созданной системе должны быть проведены комплексные исследования в виртуальном окружении для задач управления космическими аппаратами. Этап 3. Сдача системы в опытную эксплуатацию. Разработка новых перспективных систем научной визуализации в виртуальном окружении панорамного типа. На третьем этапе со сроком окончания в IV кв. 2006 г. должны быть выполнены организационные мероприятия по сдаче системы в эксплуатацию. Должен быть проведён анализ и оптимизация алгоритмов, разработка новых интерактивных моделей сложных математических объектов и физических моделей. Сюда, прежде всего, относятся системы генерации интерактивных моделей сложных математических объектов, физических процессов. Здесь будет разработан прототип визуального тренажёра космонавтов. К концу первого года выполнения проекта должна быть смонтирована и испытана проекционная система панорамного типа с углами раскрытия от 90 до 135 градусов. Будет произведена закупка недостающего проекционного и компьютерного оборудования, будут выполнены работы по синхронизации нескольких компьютеров в кластере. Будет подготовлена первая демонстрация виртуального планетария панорамного типа на созданных программно-аппаратных средствах, а также решена задача визуализации магнитосферы Земли в рамках виртуального планетария. 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. ПерсоналЧисло 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 состоянияПо оценке профессора Брукса в настоящее время в мире действует более сотни полномасштабных установок виртуального окружения, которые реально приносят ощутимую пользу в своих областях применения. Наиболее серьёзные результаты получены на авиационных и автомобильных тренажёрах, в системах подготовки экипажей торговых судов и военных кораблей, в задачах проектирования автомобилей, при тренировках космонавтов работе в условиях невесомости, при исследованиях и разработке нанотехнологий, при лечении артефактов у ветеранов войны во Вьетнаме и др. Разработкой методов визуализации, в том числе и с применением технологии виртуального окружения занимаются во многих лабораториях мира по обе стороны Атлантики. Наиболее значительные достижения получены в HACA, в Военно-морской исследовательской лаборатории, в Ливерморской национальной лаборатории, во всех Национальных суперкомпьютерных центрах, во Фраунгоферовском институте машинной графики (Дармштадт), во Фраунгоферовском институте медиа коммуникаций (Санкт Августин, Германия), в университетах Кайзерслаутерна, Карлсруэ, Женевы, в Лозаннской высшей политехнической школе и многих других. Аналогов создаваемой системе в предлагаемой ценовой категории пока не имеется, хотя известно, что аналогичные проекты готовятся в Германии, США и Китае. Участники данного проекта имеют хороший опыт реализации систем научной визуализации виртуального окружения в рамках международного сотрудничества с Фраунгоферовским институтом медиа коммуникаций (Санкт Августин, Германия). Многие наработки, выполненные нашими сотрудниками в Германии на дорогих установках, будут перенесены в среду создаваемой системы. 7 Имеющийся задел по данному проектуАвторы проекта более 15 лет занимаются исследованием проблем научной визуализации и созданием программного обеспечения для систем виртуальной реальности. 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. 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 ] Stanislav Klimenko, Igor Nikitin et al. Visualization in string theory. Pergamon Press, Computer & Graphics 24(2000) 23-30. [ 3 ] Alexei Sourin, Olga Sourina, Stanislav Klimenko and Howe Tet Sen. Orthopedic Surgery Training On Personal Computer. Proc. GraphiCon'00, Moscow State University, 2000, pp.234-241. [ 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 ] Stanislav V. Klimenko. Institute for High Energy Physics, Russia. Visualization of Complex Physical Phenomena and Mathematical Objects in Virtual Environment: Case Study for Science and Education. CAD/Graphics'2001, August 22-24, Kunming, China, International Academic Publishers, Vol.1, p.3. [ 6 ] Martin Goebel, Stanislav Klimenko, Lialia Nikitina and Igor Nikitin, Topological Zoo: Mathematical Visualization in Virtual Environment, Proceedings of EUROMICRO 2001 (Warsaw, Poland, September 4-6), IEEE Comp.Society Press, Los Alamitos 2001, pp.420-426. VEonPC'2001 conference proceedings, ICPT pub. (Protvino, Russia), pp.47-52. [ 7 ] Клименко С.В., Никитина Л.Д., Никитин И.Н., Математическая визуализация в виртуальном окружении, с.47, в трудах 1-й Международной конференции по виртуальным окружениям на кластерах персональных компьютеров, VEonPC'2001, Протвино, изд. ИФТИ, ISBN 5-88835-032-X. [ 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. [ 9 ] 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'2002, Протвино, изд. ИФТИ, ISBN 5-88835-011-7; Исследовано в России, 36 (2003) с.389-396. [ 10 ] 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. [ 11 ] Никитина Л.Д., Никитин И.Н., Клименко С.В., Структура особенностей на мировых листах релятивистских струн, Исследовано в России 37 (2003) с.404-417. 8 Перечень оборудования и материалов, имеющихся у коллектива для выполнения проектаКоллектив авторов оснащён современной вычислительной техникой и проекционным оборудованием, включающей:
Список используемых сокращений и обозначений
|
