Exit

Уроки онлайн

Уровень

История, предмет, приложения компьютерной графики

История, предмет, приложения компьютерной графики

    В данном разделе:

· рассмотрена история развития компьютерной графики, начиная от ее появления в 1950 г;

· пояснены основные направления компьютерной графики:

- изобразительная компьютерная графика,

- обработка и анализ изображений,

- анализ сцен (перцептивная компьютерная графика),

- компьютерная графика для научных абстракций (когнитивная компьютерная графика - способствующая познанию);

· дано общее описание некоторых важных приложений компьютерной графики, подробно рассматривается приложение для компьютерного моделирования, как нового инструмента исследований, и направление "виртуальная реальность", возникшее в последние годы.

 

0.1.1  Классификация устройств вывода

Устройства вывода можно классифицировать следующим образом:

1. По принципам записи (обновления) изображения:

· с произвольным сканированием луча, при котором изображение формируется при перемещении луча по экрану в соответствии с координатами строящихся элементов изображения (каллиграфические, штриховые устройства);

· с растровым сканированием луча, при котором изображение представляется в виде матрицы точек. Изображение на экране формируется при перемещении луча в соответствии с разверткой слева-направо по строке и сверху-вниз по строкам с подсветкой требуемых точек.

2. По принципам отображения:

· периодическая регенерация информации на экране из неотображающей памяти;

· использование отображающего устройства сохранения изображения.

3. По технологическим способам вывода (свечение люминофора, вычерчивание пишущим узлом, перенос красителя и т.п.).

 

0.1.2  История компьютерной графики

Развитие компьютерной графики, особенно на ее начальных этапах, в первую очередь связано с развитием технических средств и в особенности дисплеев. Рассмотрение начнем с истории развития технологий вывода (векторные, растровые и иные дисплеи), затем приведем краткую хронологию становления дисплейной техники у нас в стране и в заключение рассмотрим этапы развития методов и приложений.

 

История технологий вывода

Произвольное сканирование луча. Дисплейная графика появилась как попытка использовать электроннолучевые трубки (ЭЛТ) с произвольным сканированием луча для вывода изображения из ЭВМ. Как пишет Ньюмен [1] "по-видимому, первой машиной, где ЭЛТ использовалась в качестве устройства вывода была ЭВМ Whirlwind-I (Ураган-I), изготовленная в 1950 г." в Массачусетском технологическом институте. С этого эксперимента начался этап развития векторных дисплеев (дисплеев с произвольным сканированием луча, каллиграфических дисплеев). На профессиональном жаргоне вектором называется отрезок прямой. Отсюда и происходит название "векторный дисплей".

При перемещении луча по экрану в точке, на которую попал луч, возбуждается свечение люминофора экрана. Это свечение достаточно быстро прекращается при перемещении луча в другую позицию (обычное время послесвечения - менее 0.1 с). Поэтому, для того чтобы изображение было постоянно видимым, приходится его перевыдавать (регенерировать изображение) 50 или 25 раз в секунду. Необходимость перевыдачи изображения требует сохранения его описания в специально выделенной памяти, называемой памятью регенерации. Само описание изображения называется дисплейным файлом. Понятно, что такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану.

Обычно серийные векторные дисплеи успевали 50 раз в секунду строить только около 3000-4000 отрезков. При большем числе отрезков изображение начинает мерцать, так как отрезки, построенные в начале очередного цикла, полностью погасают к тому моменту, когда будут строиться последние.

Другим недостатком векторных дисплеев является малое число градаций по яркости (обычно 2-4). Были разработаны, но не нашли широкого применения двух-трехцветные ЭЛТ, также обеспечивавшие несколько градаций яркости.

В векторных дисплеях легко стереть любой элемент изображения - достаточно при очередном цикле построения удалить стираемый элемент из дисплейного файла.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры. Косвенный графический диалог, как и во всех остальных дисплеях, осуществляется перемещением перекрестия (курсора) по экрану с помощью тех или иных средств управления перекрестием - координатных колес, управляющего рычага (джойстика), трекбола (шаровой рукоятки), планшета и т.д. Отличительной чертой векторных дисплеев является возможность непосредственного графического диалога, заключающаяся в простом указании с помощью светового пера объектов на экране (линий, символов и т.д.). Для этого достаточно с помощью фотодиода определить момент прорисовки (и следовательно начала свечения люминофора) любой части требуемого элемента.

Векторные дисплеи обычно подключаются к ЭВМ высокоскоростными каналами связи.

Первые серийные векторные дисплеи за рубежом появились в конце 60-х годов. В 1963 г. был разработан прототип дисплейной станции IBM 2250 (до осени 1964 г. работы были засекречены).

Подробному рассмотрению векторных дисплев посвящен разд. 0.8.

Растровое сканирование луча. Прогресс в технологии микроэлектроники привел к тому, с середины 70-х годов подавляющее распространение получили дисплеи с растровым сканированием луча. Подробному рассмотрению этих дисплеев посвящен разд. 0.9.

Запоминающие трубки. В конце 60-х годов появилась запоминающая ЭЛТ, которая способна достаточно длительное время (до часа) прямо на экране хранить построенное изображение. Следовательно, не обязательна память регенерации и не нужен быстрый процессор для выполнения регенерации изображения. Стирание на таком дисплее возможно только для всей картинки в целом. Сложность изображения практически не ограничена. Разрешение, достигнутое на дисплеях на запоминающей трубке, такое же как и на векторных или выше - до 4096 точек.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры, косвенный графический диалог осуществляется перемещением перекрестия по экрану обычно с помощью координатных колес.

Такие дисплеи подключаются к ЭВМ низкоскоростными каналами связи (типа телефонных).

Появление таких дисплеев с одной стороны способствовало широкому распространению компьютерной графики, с другой стороны представляло собой определенный регресс, так как распространялась сравнительно низкокачественная и низкоскоростная, не слишком интерактивная графика. Более подробно о таких дисплеях см. в п. 0.10.1.

Плазменная панель. В 1966 г. была изобретена плазменная панель, которую упрощенно можно представить как матрицу из маленьких разноцветных неоновых лампочек, каждая из которых включается независимо и может светиться с регулируемой яркостью. Ясно, что системы отклонения не нужно, не обязательна также и память регенерации, так как по напряжению на лампочке можно всегда определить горит она ли нет, т.е. есть или нет изображение в данной точке. В определенном смысле эти дисплеи объединяют в себе многие полезные свойства векторных и растровых устройств. К недостаткам следует отнести большую стоимость, недостаточно высокое разрешение и большое напряжение питания. В целом эти дисплеи не нашли широкого распространения. Более подробно о них см. п. 0.10.2.

Жидкокристаллические индикаторы. Дисплеи на жидкокристаллических индикаторах работают аналогично индикаторам в электронных часах, но, конечно, изображение состоит не из нескольких сегментов, а из большого числа отдельно управляемых точек. Эти дисплеи имеют наименьшие габариты и энергопотребление, поэтому широко используются в портативных компьютерах несмотря на меньшее разрешение, меньшую контрастность и заметно большую цену, чем для растровых дисплеев на ЭЛТ. Более подробно о дисплеях на жидкокристаллических индикаторах см. п. 0.10.3.

Электролюминисцентные индикаторы. Наиболее высокие яркость, контрастность, рабочий температурный диапазон и прочность имеют дисплеи на электролюминисцентных индикаторах. Благодаря достижениям в технологии они стали доступны для применения не долько в дорогих высококлассных системах, но и в общепромышленных системах. Работа таких дисплеев основана на свечении люминофора под воздействим относительно высокого переменного напряжения, прикладываемого к взаимноперпендикулярным наборам электродов, между которыми находится люминофор. Более подробно о таких дисплеях см. п. 0.10.4.

Дисплеи с эмиссией полем. Дисплеи на электронно-лучевых трубках, несмотря на их относительную дешевизну и широкое распространение, механически непрочны, требуют высокого напряжения питания, потребляют большую мощность, имеют большие габариты и ограниченный срок службы, связанный с потерей эмиссии катодами. Одним из методов устранения указанных недостатков, является создание плоских дисплеев с эмиссией полем с холодных катодов в виде сильно заостренных микроигл. Более подробно о таких дисплеях см. п. 0.10.5.

 

Хронология некоторых отечественных разработок

В следующем ниже перечислении приведены далеко не все проведенные в стране разработки. К сожалению по многим из них у меня не было точной информации. Могу лишь упомянуть, что дисплеи разрабатывались в Новосибирске, Протвино, Ленинграде, Москве, Зеленограде, Воронеже, Львове, Виннице, Минске (ИТК АН БССР), Киеве и, конечно, во многих других. Одним из первых векторных дисплеев был дисплей УПГИ, серийно выпускавшийся для комплектации АРМ машиностроительного направления. Для автоматизации проектирования печатных плат и простого цветного вывода использовался дисплей ЦРД (цветной растровый дисплей). Вероятно первой законченной конструкторской проработкой векторного дисплея был "экран динамического вывода", выполненный в начале 60-х годов.

· 1968, ВЦ АН СССР, машина БЭСМ-6, вероятно, первый отечественный растровый дисплей, видеопамять на магнитном барабане весом 400 кГ;

· 1972, Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ), векторный дисплей Символ;

· 1973, ИАиЭ, векторный дисплей Дельта. Малая серия - 1974 Институт прикладной физики (ИПФ), Новосибирск. Серия - 1975, завод "Луч", Новосибирск;

· 1977, ИАиЭ, векторный дисплей ЭПГ-400. Серия 1979;

· 1979, ИПФ, цветной полутоновый растровый дисплей Гамма-1 - 256×256×6 бит;

· 1981-1982, векторные дисплеи ЭПГ-СМ (ИАиЭ), ЭПГ-2СМ. Серия Серия 1983;

· 1982, Киев, НИИ периферийного оборудования, векторный дисплей СМ-7316 (4000-6000 векторов, 4096 символов, разрешение 2048×2048);

· 1982, ИПФ, растровый цветной полутоновый дисплей Гамма-2. 512×512×8 бит, таблица цветности, поддержка окон;

· 1983, ИПФ, растровая цветная полутоновая дисплейная станция Гамма-4. 1024×768×8 бит, таблица цветности, поддержка окон, видеопамять 4 Мбайта, прокрутка изображения, плавное, переменное мастабирование. Серия 1985-1986;

· 1984, ИПФ, растровое расширение символьных терминалов Гамма-5. 512×256×1 бит, прокрутка изображения. Серия 1984;

Итак, стартовав в 1950 г., компьютерная графика к настоящему времени прошла путь от экзотических экспериментов до одного из важнейших, всепроникающих инструментов современной цивилизации, начиная от научных исследований, автоматизации проектирования и изготовления, бизнеса, медицины, экологии, средств массовой информации, досуга и кончая бытовым оборудованием. Можно выделить следующие этапы развития:

· 60-70-е годы - научная дисциплина. Бурное развитие методов, алгоритмов - отсечение, генерация примитивных графических элементов, закраска узорами, реалистическое представление сцен (удаление невидимых линий и граней, трассировка лучей, излучающие поверхности);

· 80-е годы - прикладная наука. Отработка методов, средств, аппаратуры в различных сферах приложений;

· · 90-е годы - основное средство общения человека с ЭВМ.

 

0.1.3  Направления компьютерной графики

В нынешнем, устоявшемся состоянии принято разделять компьютерную графику на следующие направления:
· изобразительная компьютерная графика,
· обработка и анализ изображений,
· анализ сцен (перцептивная компьютерная графика),

· компьютерная графика для научных абстракций (когнитивная компьютерная графика - графика, способствующая познанию).

 

Изобразительная компьютерная графика

Объекты: синтезированные изображения. Задачи:
· построение модели объекта и генерация изображения,
· преобразование модели и изображения,
· идентификация объекта и получение требуемой информации.

 

Обработка и анализ изображений

Объекты: дискретное, числовое представление фотографий. Задачи:
· повышение качества изображения,

· оценка изображения - определение формы, местоположения, размеров и других параметров требуемых объектов,

· распознавание образов - выделение и классификация свойств объектов (обработка аэрокосмических снимков, ввод чертежей, системы навигации, обнаружения и наведения).

Итак, в основе обработки и анализа изображений лежат методы представления, обработки и анализа изображений плюс, естественно, изобразительная компьютерная графика хотя бы для того, чтобы представить результаты.

 

Анализ сцен

Предмет: исследование абстрактных моделей графических объектов и взаимосвязей между ними. Объекты могут быть как синтезированными, так и выделенными на фотоснимках.

Первый шаг в анализе сцены - выделение характерных особенностей, формирующих графический объект(ы).

Примеры: машинное зрение (роботы), анализ рентгеновских снимков с выделением и отслеживанием интересующего объекта, например, сердца.

Итак, в основе анализа сцен (перцептивной компьютерной графики) находятся изобразительная графика + анализ изображений + специализированные средства.

 

Когнитивная компьютерная графика

Только формирующееся новое направление, пока недостаточно четко очерченное.

Это компьютерная графика для научных абстракций, способствующая рождению нового научного знания. База - мощные ЭВМ и высокопроизводительные средства визуализации.

Общая последовательность познания заключается в, возможно циклическом, продвижении от гипотезы к модели (объекта, явления) и решению, результатом которого является знание (рис. 0.1.1).

 


Рисунок 1

 

Рис. 0.1.1: Последовательность процесса познания

 

Человеческое познание использует два основных механизма мышления, за каждым из которых закреплена половина мозга:

· осознанное, логико-вербальное, манипулирует абстрактными последовательностями символов (объектов) + семантика символов + прагматические представления, связанные с символами. Возраст этого механизма, связанного с наличием речи, - до 100 тыс. лет:

· неосознанное, интуитивное, образное, работает с чувственными образами и представлениями о них. Возраст этого механизма - время существования на Земле животного мира.

Первоначально ЭВМ имели малую производительность процессоров и средств компьютерной графики, т.е. по сути дела имели возможность работы только с символами (некоторый упрощенный аналог логического мышления).

С появлением супер-ЭВМ, производительностью в миллиард и более операций в секунду и графических супер-станций, производительностью до сотен миллионов операций в секунду, появилась возможность достаточно эффективного манипулирования образами (картинами).

Важно отметить, что мозг не только умеет работать с двумя способами представления информации, причем с образами он работает иначе и эффективнее чем ЭВМ, но и умеет соотносить эти два способа и совершать (каким-то образом) переходы от одного представления к другому.

В этом контексте основная проблема и задача когнитивной компьютерной графики - создание таких моделей представления знаний, в которых можно было бы однообразно представлять как объекты, характерные для логического (символического, алгебраического) мышления, так и объекты, характерные для образного мышления.

Другие важнейшие задачи:

· визуализация тех знаний, для которых не существует (пока ?) символических описаний,

· поиск путей перехода от образа к формулировке гипотезы о механизмах и процессах, представленных этими (динамическими) образами на экране дисплея.

Появление когнитивной компьютерной графики - сигнал о переходе от эры экстенсивного развития естественного интеллекта к эре интенсивного развития, характеризующегося глубоко проникающей компьютеризацией, рождающей человеко-машинную технологию познания, важным моментом которой является непосредственное, целенаправленное, активирующее воздействие на подсознательные интуитивные механизмы образного мышления.

Одним из ярких и наиболее ранних примеров приложения когнитивной компьютерной графики является работа Ч. Страуса "Неожиданное применение ЭВМ в чистой математике" (ТИИЭР, т. 62, N 4, 1974, с. 96 - 99). В ней показано как для анализа сложных алгебраических кривых используется "n-мерная" доска на основе графического терминала. Пользуясь устройствами ввода математик может легко получать геометрические изображения результатов направленного изменения параметров исследуемой зависимости. Он может также легко управлять текущими значениями параметров, "углубляя тем самым свое понимание роли вариаций этих параметров". В результате получено "несколько новых теорем и определены направления дальнейших исследований".

 

0.1.4  Приложения компьютерной графики

Как уже отмечалось, компьютерная графика стала основным средством взаимодействия человека с ЭВМ. Важнейшими сформировавшимися областями приложений являются:

· компьютерное моделирование, которое явилось исторически первым широким приложением компьютерной графики,

· системы автоматизации научных исследований, системы автоматизации проектирования, системы автоматизации конструирования, системы автоматизации производства, автоматизированные системы управления технологическими процессами,

· бизнес,

· искусство,

· средства массовой информации,

· досуг.

В настоящее время появилось новое, очень интересное приложение компьютерной графики - виртуальная реальность.

По телевидению часто можно видеть передачи иллюстрирующие приложения компьютерной графики в автоматизации проектирования (были передачи об автоматизированном проектировании самолетов, автомобилей), много передач об автоматизации производства с различными робототехническими системами.

Передачи о мире бизнеса практически не обходятся без показа различной дисплейной техники и ее использования.

Что касается искусства, то достаточно упомянуть, что один из самых крупных первых суперкомпьютерных центров мира находился на студии Уолта Диснея и использовался для подготовки мультфильмов. Всем известно, что многие "жутики" и боевики также готовились с широким использованием средств компьютерной графики для подготовки высокореалистичных сцен.

Применение компьютерной графики в средствах массовой информации мы видим ежедневно, как в виде различных заставок и телеэффектов на экране, так и в виде газет, при подготовке многих из которых используется электронная верстка на компьютере.

С компьютерными играми, отнимающими не только время досуга, конечно же знаком каждый.

Поэтому здесь мы рассмотрим, в основном, приложения компьютерной графики в компьютерном моделировании, а также немного познакомимся с самым новым приложением - системами виртуальной реальности.

 

Компьютерная графика в интегрированной САПР

Общий цикл разработки какого-либо промышленного изделия, будь то радиатор батареи центрального отопления или же самолет можно представить в виде схемы, показанной на рис. 0.1.2.

 


Рисунок 2

 

Рис. 0.1.2: Общий цикл разработки изделия

 

Естественно, что могут выполняться возвраты на повторное выполнение общего цикла, начиная с некоторого этапа.

 

Компьютерная графика в компьтерном моделировании

Ясно, что в настоящее время на всех этапах разработки в той или иной мере используются ЭВМ и, следовательно, компьютерная графика. На этапе исследований важную роль, кроме натурных экспериментов, играет компьютерное моделирование работы изделия и/или его компонент. Рассмотрим в качестве примера задачи моделирования быстропротекающих процессов механики сплошной среды. К таким задачам относятся задачи сварки и упрочнения взрывом, задачи расчета синтеза алмазов взрывом, задачи расчета защиты космических аппаратов от метеоритов и микрометеоритов и т.д.

Следует отметить что реальный физический процесс развивается за единицы или десятки микросекунд, поэтому натурный эксперимент не только дорогостоящ, но и дает мало информации. Обычно это один или несколько рентгеновских снимков, прямые измерения, как правило, или затруднены, или датчики вносят заметные изменения в процесс.

В этой связи опыт специалистами в этой области набирается довольно долго - порядка десятка и более лет и зачастую носит интуитивный характер. Поэтому одна из важнейших функций компьютерного моделирования - быстрое получение опыта. Ведь по сути дела комплекс компьютерного моделирования при адекватности моделей, заложенных в него, представляет собой уникальную экспериментальную установку, на которой можно измерить (выдать на дисплей) любую величину, что угодно изменить, даже приостановить процесс для подробного анализа и пустить дальше. Попробуйте это сделать со взрывом!

Другая важная функция комплекса компьютерного моделирования, особенно при оснащении его средствами коллективного, управляемого просмотра машинных фильмов, показывающих процесс не отдельными картинками, а в динамике - унификация представлений о процессе у заинтересованных специалистов - исследователей, конструкторов, технологов, испытателей. Так как обычно, при использовании только числовой информации и без образного ее представления у разных специалистов формируются собственные представления (не обязательно у всех одинаковые и правильные).

В настоящее время широко используются двумерные задачи моделирования, когда важны две пространственных координаты. Это достаточно широкий круг реальных процессов, но в ряде случаев обязательно использование трехмерных задач, которые считаются много дольше. Основные проблемы, стоящие на пути широкого распространения трехмерных задач, состоят в том, что, во-первых, при существующих численных методах объем вычислений растет быстрее чем четвертая степень требуемой точности, во-вторых, визуализация результатов существенно усложняется и замедляется. В дальнейшем рассмотрении речь идет о двумерных задачах.

В качестве иллюстрации некоторых явлений, которые необходимо моделировать, на рис. 0.1.3 показан один из этапов решения осесимметричной задачи обжатия капсулы с газом с помощью взрыва.

 


Рисунок 3

 

Рис. 0.1.3: Обжатие капсулы с газом.

 

Рассчитываемая область разбивается сеткой с общим числом узлов до 1-2 тысячи. Количество независимых переменных, рассчитываемых для узла, от 8 до 12 (скорость вдоль осей X и Y, давление, плотность, температура и т.д.).

 

Количественные параметры задач

Расчет ведется небольшими шагами по времени. Вначале на одном шаге по времени для всех узлов рассчитываются все величины. Затем время увеличивается и расчет повторяется.

Время расчета одного шага от 3-4 с до 3-7  мин. в зависимости от используемого процессора и задачи. Т.е. время расчета 2048 шагов - от 1.2-1.7 часа до 102-287 часов, т.е. до 4-12 суток непрерывной работы процессора. (Для сравнения отметим, что по известным литературных данным процессорное время при моделирования на ЭВМ поляны цветов - около 18 часов, а ядерного устройства - до года. Так что рассматриваемые нами задачи не очень длительные).

Объем данных, перерабатываемых на одном шаге по времени - от 163_840 чисел (маленькая задача с расчетной сеткой 256×128 и 5 рассчитываемыми параметрами) до 3_932_160 чисел (большая задача с расчетной сеткой 1024×256 и 15 рассчитываемыми параметрами). При использовании 32-х разрядных вещественных чисел это соответствует объему данных на шаге от 640 Кбайт до 15 Мбайт. (Для многих расчетов необходима 64-х разрядная арифметика, что приводит к удвоению объемов данных.)

Суммарный объем перерабатываемых данных при 2048 шагах по времени - от 1.28 до 30 Гбайт.

Представим себе что все эти гигабайты мы напечатали бы на листах стандартной писчей бумаги размером 210×297 мм толщиной порядка 0.1 мм через 1.5 интервала, т.е. 40 строк по 62 символа в каждой. На изображение одного 32-х разрядного вещественного числа надо 12 символов: ±.ХХХХХХХ±ХХ.

На маленькую задачу потребовалось бы:

 

  256·128·5·2048·12
40·62
@ 1 623 602листа

Если сложить эти листы, то
высота стопки составила бы 1 623 602×0.1 мм @ 162 метра,
длина полосы составила бы 1 623 602×297 мм @ 482 километра.

На большую задачу потребовалось бы:

 

  1024·256·15·2048·12
40·62
@ 38 966 437 листов.

Если сложить эти листы, то
высота стопки составила бы 38 966 437×0.1 мм 3 897 м,
длина полосы составила бы 38 966 437×297 мм 11 573 километра.

Очевидно, что выдача результатов задачи в числовом виде, когда длина выдачи была бы больше, чем расстояние от Москвы до Владивостока (оно равно @ 11 тысяч километров), совершенно лишена смысла.

ЭВМ настолько много и быстро продуцирует результатов, что без новой технологии их обработки моделирование становится просто бессмысленным. Можно предложить два способа представления результатов в форме удобной для восприятия и анализа человеком:

 

  • ЭВМ изыскивает простую, физически оправданную аппроксимацию результатов в виде аналитических формул. Этот подход ориентирован на логическое мышление и, вообще говоря, для рассматриваемых задач трудно реализуем за исключением быть может каких-то специальных, модельных постановок;
  • ЭВМ в процессе счета формирует машинные фильмы, показывающие изменение расчетных величин в процессе счета. Так как за один шаг по времени изменение, вообще говоря, мало, то вывод делается через некоторое количество шагов, например, 10. Таким образом, при 2048 шагах счета для одной величины надо запомнить около 200 кадров. Для вывода распределений скалярных величин, например, давлений, плотностей и т.д. удобно использовать растровые дисплеи. При этом одному узлу расчетной сетки соответствует 1 точка изображения, а цвет и яркость точки характеризуют значение рассчитываемой величины. При одном байте на точку изображения и с учетом того, что эти синтезированные изображения достаточно легко сжимаются простыми и быстрыми алгоритмами в среднем в 30 раз, получаем, что объем данных для фильма, показывающего изменение одной величины (для большой задачи) равен:

     

      3 1024·256·2048
    10·30
    @ 1.7 Мбайт

    что, вообще говоря, поменьше, чем 30 Гбайт/12 = 2.5 Гбайта

В последнем случае, правда, возникает другая проблема. Она состоит в том, что числовая информация утрачивается и остаются только визуальные образы, а для разработки конструкций конечно же нужна числовая информация. Здесь используются два подхода:

 

  • просмотр и анализ фильма, выяснение интересующих мест и повторный пересчет с требуемого места,
  • сброс всей числовой информации на большую внешнюю память, формирование и просмотр фильмов выполняются с использованием результатов из внешней памяти. Повторный пересчет с занятием дорогостоящего времени суперкомпьютера не требуется.

На существующем уровне технологии дисковых накопителей реально сохранять решение не более чем одной задачи, поэтому практически возможно использование только подхода с пересчетом. Кроме этого, обычно расчеты выполняются в режиме диалога с оперативным изменением параметров задачи, поэтому технологических проблем с возвратами не возникает. Конечно, вычислитель используется недостаточно эффективно.

 

Виртуальная реальность

Виртуальная реальность - новейшее направление приложений компьютерной графики, позволяющее имитировать окружающую действительность с новым уровнем взаимодействия человек-ЭВМ. Основа систем виртуальной реальности - высокопроизводительная графическая рабочая станция, обладающая достаточным быстродействием и изобразительными возможностями для формирования высокореалистичных цветных полутоновых изображений. Устройства отображения в различных системах могут быть самыми различными - от обычных мониторов высокого разрешения до экранов во всю стену, используемых в имитаторах боевых действий, или же стереоскопических систем отображения, в том числе и в виде специальных очков, вмонтированных в шлем, надеваемый на голову.

Одно из важнейших отличий систем виртуальной реальности от других систем отображения - наличие средств воздействия не только на зрение, но и на другие органы чувств. В первую очередь это системы стереозвука, имитирующие требуемое распределение и интенсивности источников звука в пространстве. Наиболее дорогие системы обеспечивают воздействие и на осязание за счет использования специальных шлемов, перчаток и костюмов, которые за счет встроенных в них устройств не только определяют положение головы, направление взгляда, положение рук, пальцев, тела, но и имитируют прикосновения, сопротивление или "податливость" ручек и т.д. Можно почувствовать прикосновение к объекту существующему лишь в памяти компьютера! Осталось сымитировать запахи.

В настоящее время системы виртуальной реальности очень дороги. Самые дешевые стоят около 20 тыс долларов, более совершенные системы - около 100 тысяч долларов. Профессиональная перчатка для систем виртуальной реальности "дейта-глав", оборудованная датчиками положения, стоит $ 8800, ее упрощенный вариант для видеоигр - "пауэр-глав" стоит $ 99 и позволяет играющим действовать без мышки и клавиш - просто мановением руки.

Из-за большой сложности и дороговизны разработка систем виртуальной реальности во всем мире финансируется, в основном, по военным программам. Первые шаги в этом направлении были сделаны еще в 60-е годы при разработке компьютерных тренажеров для летчиков. Но в них обеспечивалось воздействие только на зрение. К таким системам, например, принадлежат системы "Аксай" и "Альбатрос", разработанные Институтом Автоматики и электрометрии. Известны также и т.н. полунатурные системы моделирования, имитирующие вибрации, тряску и эволюции самолета и работу бортового оборудования. Обучаемый при этом находится в кабине самолета, укрепленной на системе перемещающихся направляющих. Конечно, тренажеры очень дороги, так только один специальный шлем в тренажерах для военных летчиков стоит около 1 млн долларов.

На Западе сейчас появилось множество игр, использующих принципы систем виртуальной реальности. В 1992 г. в Чикаго (США) открылся центр виртуальных видеоигр, где клиент, заняв место в модели одноместной кабины космического корабля, играет в звездные войны. Цена билета - 7 долларов. За первые три месяца было продано 300 тысяч билетов!

Сейчас работы по виртуальной реальности на Западе рассматриваются как главное направление развития компьютерной отрасли в будущем, которое окажет важное влияние на конкурентоспособность стран. В целом пик развития этого направления ожидается в течение будущего десятилетия.