Новые проекты в области информационных технологий Центра управления полетами и моделирования (ЦУП-М) Российского космического агентства

В.Лобачев, В.Алешин, В.Афанасьев, А.Томилин,
Центр управления полетами и моделирования

Высокий уровень сложности современных космических систем, стоящих перед ними задач, высокий уровень риска и цена риска требуют развития и применения новых подходов при управлении этими системами. Среди характерных примеров можно привести стыковку и сборку крупногабаритных разветвленных конструкций с распределенной массой, дистанционное управление планетными аппаратами в условиях большой длительности распространения радиосигнала и т.п. Важной особенностью управления пилотируемыми аппаратами является необходимость непрерывного тесного взаимодействия между экипажем и персоналом и экспертами наземных служб слежения, поддержки и т.п. Все острее ощущается потребность в применении средств коммуникации, более продвинутых по сравнению с традиционными радио- телевизионными. В этой связи большой интерес может представлять использование в качестве телекоммуникационного средства технологии Виртуальной Реальности.
В 1993-1995 годах при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в ЦУПе в рамках инициативного проекта "Гипервизор", проводились исследования целью которых была разработка концепции и основ системы визуализации сложных трехмерных динамических сцен с высоким уровнем реализма. Были получены подходы к решению фундаментальных задач синтеза изображений, в частности, методы обратной трассировки на произвольной картинной поверхности, методы непосредственной трассировки невыпуклых параметрических поверхностей на основе решения экстремальной задачи, которые могут использоваться в качестве основы при построении архитектур системы синтеза изображений. При этом большое внимание в проекте было уделено принципам построения открытой, доступной развитию архитектуры системы, в частности, - созданию системы классов с виртуальными методами (в рамках объектно- ориентированного подхода), позволяющих избежать жесткой привязки алгоритмов к конкретному типу вычислителя и, по возможности, свести к минимуму адаптацию алгоритма к вычислителю. Разработано ядро библиотеки классов примитивов, которая является расширяемой и использует механизм абстрактных базовых классов для описания формы примитивов, оптических свойств их поверхностей и виртуальных методов синтеза их изображений.
В систему был заложен целый ряд функциональных возможностей, среди которых, в первую очередь необходимо отметить возможность параллельного синхронного многоракурсного синтеза изображений виртуальной сцены, состоящей из заданного числа участников сцены: "актеров" - наблюдаемых объектов, "зрителей" - наблюдающих объектов и "осветителей" - объектов, излучающих ЭМ-энергию заданного спектра. Число участников, их положение и ориентация задаются путем описания сцены на специальном языке в текстовом файле или при помощи интерфейса типа GUI. Для обработки и интерпретации входного текста описания сцены разработан компилятор, формирующий образ сцены в оперативной памяти.
Система "Гипервизор" позволяет моделировать (одновременно, синхронно) множество разнообразных форм частичного и полного визуального погружения в виртуальную среду: стереоскопию, полиэкраны с различной мозаикой и кривизной (панорамы и "аквариумы") и другие возможные формы, которые задаются при описании системы наблюдения, осуществляющей функции "гипервидения"- параллельной синхронной визуализации сцены массивом виртуальных зрителей. Из элементов этого массива могут быть образованы связанные иерархические структуры (агрегаты), синхронно формирующие изображения сцены с разных точек наблюдения, под разными ракурсами и через разные оптические системы. Узлы иерархической структуры (как элементарные виртуальные зрители, так и образованные ими агрегаты) могут быть ассоциированы с узлами вычислительной сети и системами вывода изображений.
Для управления состояниями сцены используется интерфейс событий, при наступлении которых образ сцены, хранимый в памяти в виде описания состояния объектов, оперативно изменяется: участники сцены - актеры, зрители, осветители и их структурные единицы могут двигаться в пространстве, а также изменять свои атрибуты (например, у зрителей могут меняться оптические параметры). При этом для управления может быть использована заданная программа (сценарий) или моделируемые в реальном времени события (они генерируются имитационной моделью). Кроме этого, для управления виртуальной средой могут быть использованы и реальные события, данные о которых могут поступать от систем слежения за состоянием реального объекта (например, орбитальной станции, ее систем, экипажа) и наблюдателями (Head Tracking), осуществляющими погружение в виртуальную среду, - ее можно назвать в этом случае "индуцированной" .
С 1996 года инициативные исследования по виртуальной реальности в ЦУПе (также при непосредственной поддержке РФФИ) продолжены в направлении построения концепции индуцированной виртуальной среды.
Объектом исследований является особая форма интерактивного взаимодействия в сложной человеко-машинной системе - "Виртуальное Присутствие", - основанное на рецепторном контакте человека с "Индуцированной Виртуальной Средой" (данный термин и его понятие вводятся авторами), копирующей в реальном времени некоторую, параллельно существующую реальную среду. Виртуальное присутствие можно рассматривать как концептуальную основу развития методологии управления системами, в новом направлении, связанном с исследованием и использованием индуцированной виртуальной среды в качестве носителя обратной связи.
Индуцированная виртуальная среда представляет собой разновидность виртуальной среды, которая не является, как обычно, целиком искусственной средой (где события моделируются по какому-либо абстрактному сценарию), а средой, искусственной только на рецепторном уровне: поведение же объектов и события в ней порождаются поведением реальных объектов и реальными событиями, протекающими в некоторой реальной среде.
По сравнению с обычными системами виртуальной реальности, система виртуального присутствия должна содержать, как минимум, две дополнительные подсистемы:

подсистему регистрации положений и ориентации объектов и их составных частей, характеристик объектов и среды, которые вместе образуют вектор состояния реальной среды;
телекоммуникационную подсистему, передающую вектор состояния для синтеза рецепторной копии реальной среды в центре слежения.

Важно, что для индуцирования событий в виртуальной среде требуется передача лишь вектора состояния реальной среды, а ее рецепторная копия (в частности изображения объектов) синтезируется "на месте" по априорным данным, транспортировать которые нет необходимости, в результате чего радикально снижаются требования к пропускной способности коммуникационных каналов системы виртуального присутствия, в частности, по сравнению с каналами для систем телеуправления и теленаблюдения. При этом система виртуального присутствия дает принципиально новые возможности контакта с удаленной средой, основанные на полном погружении в виртуальную среду и подключению, многих других видов рецепторов в дополнение к зрительным.
Наиболее актуально применение систем виртуального присутствия в областях, где эти системы в ближайшее время могут оказаться незаменимыми при проведении сложных и опасных операций, сопряженных с высоким риском и высокой ценой риска, например, при создании и эксплуатации больших космических орбитальных станций, планетные экспедиции и т.п.
Космические системы в настоящее время можно отнести к числу систем с инфраструктурой, наиболее подготовленной для исследований индуцированных виртуальных сред. Во-первых, - имеется обширная информация о внешнем виде, размерах и оптических свойствах элементов этих систем (конструкторская документация), и, во-вторых, - система регистрации и сбора информации, связи и коммуникаций как между звеньями самой системы, так и с наземными службами (центр управления), которая может быть дооснащена подсистемой регистрации и передачи необходимых дополнительных данных.
Предлагаемая методология построения индуцированной виртуальной среды
включает в себя решение следующих основных задач:

построение концепции создания модели реальной среды, описывающей подмножество ее элементов и их характеристик, необходимых для создания адекватной (по заданному критерию) рецепторной копии этой среды;
формирование подмножества параметров, образующих компоненты вектора состояния реальной среды;
построение модели преобразование вектора состояния реальной среды в вектор кодирования образа реальной среды;
индуцирование событий в виртуальной среде по поступающим данным об изменении вектора состояния;
синтез рецепторной копии реальной среды на основе преобразования компонент вектора состояния в вектор кодирования образа;
синхронное отображение рецепторной копии среды на различных дисплеях (помимо видео-дисплеев, в их число могут входить звуковые, силовые, гравитационные, тактильные и другие).

В рамках предлагаемого подхода определены, в частности, такие направления исследований:

создание и исследование модели технической системы (сегмента орбитальной станции), воспроизводящей трехмерный объект сложной структуры и поведение этого объекта;
исследование процессов индуцирования событий, включающих регистрацию, передачу вектора состояния, преобразование его вектор кодирования образа среды и отображение его на различных дисплеях;
исследования феноменов погружения оператора в индуцированную виртуальную среду и некоторых видов взаимодействия с объектами в индуцированной среде (в частности, визуального и тактильного);
исследования методологии построения баз структурных, морфологических и оптических данных о естественных и техногенных 3D- объектах на основе объектно-ориентированного подхода.

В заключение отметим, что проникновение виртуальной реальности в среду Internet (в частности, зарождение и бурное развитие концепции VRML) открывает большие возможности для развития телекоммуникаций в индуцированной виртуальной среде. В перспективе (по мере развития технических возможностей систем телеметрии, слежения, каналов связи, персональных вычислительных систем и средств отображения) любой пользователь сети Internet мог бы получить возможность "виртуального присутствия" на борту, например, международной орбитальной станции "Альфа" и в реальном времени "принимать участие" в проведении некоторых экспериментов на борту (как минимум, - наблюдать за их проведением), и даже вместе с экипажем или самостоятельно "выходить" в открытый (разумеется, виртуальный) космос или на поверхность планеты.

Литература

Potchukajev V., Tomilin A., Aljoshin V., Aphanasjev V. Global telecommunications in virtual environments provided by space orbiter systems for communication, navigation, location and observation. Proceedings of East-West International Conference "MHVR-94", Международный центр научной и технической информации, Москва, 1994.
В.И.Алешин, В.О.Афанасьев, Р.М.Галис, Ю.М.Баяковский, А.Н.Томилин, Виртуальная реальность. Проблемы освоения новой технологии. - Программные продукты и системы, N 4, Главная редакция международного журнала "Проблемы теории и практики управления", МНИИПУ, Тверь, 1994.
Сборник "Вопросы Кибернетики. Моделирование сложных систем и виртуальная реальность", N 181, РАН, Научный совет по комплексной проблеме "Кибернетика", Москва, 1995.
С.Клименко, В.Уразметов, INTERNET. Среда обитания информационного сообщества. - РЦФТИ: Протвино, 1995.

[Назад] [Содержание] [Вперед]