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.

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.

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:

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:

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:

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 начале грядущего тысячелетия.