[an error occurred while processing this directive]

Реконструкция космического полета Юрия Гагарина в технологии индуцированной виртуальной реальности на основе научно-технической документации

Представление информации пользователю сегодня всё дальше отходит от традиционного текстового вида. Интерфейс современных информационных систем тяготеет к использованию мультимедийных, многокомпонентных динамических документов на основе визуальных образов, в качестве которых часто выступают 3D-модели.

3D -модели создавались и создаются вручную с использованием специализированного программного обеспечения. Однако, по-настоящему массовый характер эта тенденция приобрела с развитием технологий дистанционного зондирования Земли, лазерного 3D - сканирования, магнитно-резонансной томографии, а также массово доступных программ для 3D -моделирования. Концепция 3D-документа представлена в работах Дитера Феллнера (Dieter Fellner) [Fellner, 2007], Фабио Ремондино (Fabio Remondino) [Remondino, 2010] и других. Методы 3D-документации развиваются наиболее активно в сфере "виртуального культурного наследия" (Virtual Cultural Heritage), к которой относятся виртуальные музеи, археологические реконструкции [Havemann, 2009], [Remondino, 2009]. Тот же принцип может быть применён для развития приложений "виртуального научно-технического наследия".

Виртуальное научно-техническое наследие - это созданные 3D -моделей объектов науки и техники с использованием технологий трёхмерного моделирования и лазерного сканирования. Очевидно, что данный подход позволяет "воссоздавать" утраченные образцы техники и сооружений, визуализировать различные по своей физической сути процессы и явления, а также фрагменты исторических событий.

3D -документы стали очередным этапом развития технологий электронной документации, и обозначили магистральное направление эволюции цифровых хранилищ информации в ближайшие годы.

3D -документация сегодня начинает активно использоваться в различных областях, чему немало способствует также начавшееся с 2010 года массовое распространение 3D -мониторов. Среди сфер применения 3D -документов выделим такие, как: неогеография, виртуальное культурное наследие, геология, космические исследования. Активно развиваются медицинские приложения 3D -документации. Широко распространены промышленные 3D -приложения (3D - моделирование промышленных объектов для решения различных производственных задач).

Последние десятилетия характеризуются ростом объемов информации, которую необходимо обрабатывать для поддержания научно-технического прогресса. В процессе развития визуализации как научной дисциплины было осознано, что человек тем лучше проникает в суть исследуемого явления, чем более полно он может "погрузиться" в модель исследуемого явления и чем более естественно для него организована манипуляция данными в этой модели. Так сформировалась технология виртуального окружения, называемая также технологией виртуальной реальности. Выражение "виртуальная реальность" (virtual reality, VR) предложил Ярон Ланье (Jaron Lanier) в начале 1980-х годов. Одно из популярных определений этого выражения звучит так: "виртуальная реальность - это синтезированное компьютером, интерактивное, трехмерное окружение, в которое погружен человек". Это определение выделяет три основных характеристики виртуальной реальности. Во-первых, виртуальная реальность представляет собой трехмерное окружение (сцену, модель), синтезированное компьютером. Во-вторых, виртуальная реальность интерактивна: взаимодействие системы с пользователем происходит в режиме реального времени, обработка реакции пользователя и формирование ответа системы происходит незаметно для пользователя. В-третьих, пользователь погружен в виртуальную реальность, то есть, восприятие человеком реального мира в виртуальной реальности частично или полностью блокируется. "Погружение" означает также, что взаимодействие пользователя с системой происходит в удобной, естественной для человека форме, с максимальным приближением к характерным для человека поведенческим стереотипам. Это позволяет пользователю отвлечься от задачи трансляции своих реакций и воздействий на "компьютерный язык" и вести себя непосредственно, так же, как в реальной жизни.

Выражение "виртуальная реальность" получило широкое распространение в популярной литературе. В специальной литературе чаще употребляется термин "виртуальное окружение" (virtual environment, VE). Системы виртуального окружения (виртуальной реальности) - естественная среда для представления 3D -документа пользователю. Интерактивная история - естественный способ взаимодействия пользователя с 3D -документом. В основе 3D -документа лежит визуальный образ, 3D -модель объекта или процесса. Соответственно, для пользователя наиболее естественно воспринимать 3D -документ в стерео режиме, "погружаясь" в виртуальное пространство модели, и взаимодействуя с информационной системой "через" 3D -модель. Таким образом, 3D -модель выступает одновременно как когнитивный объект (визуальный образ, который имеет собственную информационную ценность), и как 3D -интерфейс к информационной системе.

Синтезированное компьютером 3D -окружение ещё в начале 1970-х годов получило название виртуального окружения, или виртуальной реальности. Технологии "виртуальной реальности" активно развиваются с 1990-х годов, но вплоть до 2010 года их использование ограничивалось индустриальными приложениями, конечному пользователю они были практически недоступны. С появлением на массовом рынке доступных по цене 3D -мониторов - открыла дорогу для проникновения технологий "виртуальной реальности" в каждый дом.

Человеку свойственно играть активную роль в процессе получения информации из окружающей среды, регулировать поток получаемой информации согласно индивидуальным целям и особенностям. Оптимальным 3D -интерфейсом является такой, который позволяет пользователю это делать естественным, интуитивным образом, в рамках привычных поведенческих стереотипов. Эффективным способом организации такого 3D-интерфейса является интерактивная история в виртуальном окружении.

В преддверии 50-летия полета Гагарина возрос интерес к первым шагам пилотируемой космонавтики.

Предлагаемая Институтом истории естествознания и техники им. С.И.Вавилова РАН реконструкция первого полёта человека в космическое пространство является инновацией в области истории науки и техники (грант РФФИ 11-07-00781).

Виртуальная реконструкция космического полета Юрия Гагарина будет выполнена в виде видеоряда, состоящего из хроникально-документальных и синтезированных видеофрагментов 3D -визуализации имитации полёта в двух режимах - моно- и стереоскопическом, с многоканальным аудиосопровождением. Хроникально документальные фрагменты будут выполнены в виде стереопар с идентичными полями, что усилит впечатление объёмного восприятия синтезированных 3D -фрагментов. Для показа синтезированных 3D -фрагментов можно ввести режим активного изменения ракурса визуализации с помощью управления точки и направления зрения джойстиком (интерактивный режим).

Сценарий демонстрации виртуального полета Юрия Гагарина представляется следующей последовательностью этапов полёта:

1. Этап вывоза ракеты-носителя 8К72К из монтажно-испытательного корпуса на стартовую позицию.

2. Этап установки ракеты-носителя на стартовый стол.

3. Подготовка к запуску и старт ракеты-носителя:

4. Полёт:

  • этап выведения ракеты-носителя;

  • эпизод отделения 1-й ступени (отделение и увод четырёх боковых блоков);

  • эпизод отделения 2-й ступени (центральный блок);

  • эпизод сброса головного обтекателя;

  • эпизод отделения 3-й ступени;

  • орбитальный полёт с показом хронологии исторически важных событий и траектории подспутниковой точки.

5. Этап спуска:

  • включение тормозной двигательной установки и участок полёта корабля-спутника с включённой тормозной установкой;

  • эпизод неудачного разделения сферической капсулы и агрегатного модуля с (срабатывание пироболтов, без разрыва крепёжной ленты);

  • участок совместного движения в плотных слоях атмосферы спускаемого аппарата с агрегатным отсеком до момента сгорания металлических лент крепления;

  • эпизод разделения спускаемого аппарата и агрегатного отсека;

  • движение при баллистическом спуске (капсула окружается плазмой);

  • эпизод катапультирования;

  • эпизод раскрытия парашюта космонавта;

  • движение капсулы после катапультирования космонавта до момента касания капсулы поверхности Земли;

  • спуск космонавта на парашюте с момента его раскрытия до момента касания поверхности Земли.

Подобная виртуальная реконструкция не только технически интересна. Она позволяет убедительно опровергнуть получившие хождение в последнее время версии о случайном, с точки зрения надежности, благополучном завершении полета Ю.А.Гагарина (везение). Наглядно видно, как принятое в конструкторском бюро С.П.Королёва правило дублировать все системы возможностью решения целевой задачи другим способом. Так, автоматическая система ориентации была задублирована ручным режимом, при отказе тормозной двигательной установки спуск производился за счет естественного орможения в атмосфере и т.д. Зрители буквально могут "потрогать" элементы компоновки корабля и почувствать, как неполное закрытие обратного клапана наддува бака горючего, в результате чего часть горючего поступала в вытеснительную емкость бака горючего и не могла быть использована двигателем, приводит к преждевременному выключению тормозной двигательной установки, и увидеть, как следствие, на виртуальной Земле перелет возвращаемого аппарата на 600 км. Зрители могут также почувствовать себя в роли космонавта, которому довелось работать в условиях нештатной закрутки корабля 30 град/сек. Волнующим будет трехмерная картина парашютирования Ю.А.Гагарина, когда он, оценив, что ему предстоит посадка на воду в Волгу, принял решение сбросить носимый аварийный запас (30 кг), прикрепленный к привязной системе скафандра, и таким образом, увеличив дальность спуска на парашюте, совершил посадку на суше.

Технически в настоящем проекте исследуется и интегрируется несколько современных передовых методов и подходов, связанных с технологий ВО. Детальное их воплощение зависит от результатов экспериментов и исследований, которые будут проведены в практических условиях в ходе выполнения проекта.

Огромные объёмы данных, получаемые при моделировании сложных явлений, невозможно проанализировать, не прибегая к предварительному исследованию с помощью активного взаимодействия человека с компьютером, в основе которого лежит синтез компьютером графического изображения и его анализ человеком, который опирается на свою мощную способность видеть и понимать визуальные изображения. Развиваемая технология индуцированной виртуальной реальности, интегрированная с системами баллистических расчетов космических полетов и системами моделирования вычислительной газовой динамики, позволяет визуально показать виртуальные модели космических аппаратов и все процессы запуска ракеты-носителя, вывод КА на орбиту, орбитальный полет с наблюдаемой космонавтом подстилающей поверхностью Земли и приземление спускаемого аппарата.

Основной фундаментальной задачей данного проекта является создание технологии формирования виртуальной модели полета, включающей этапы подготовки, пуска, вывода на орбиту, орбитального полета и спуска, а также 3D -визуализации всех этапов полета в технологии ВО на основе математического моделирования, полученных видео-материалов, фотографий и любой доступной информации, по которым производится определение параметров полета космического аппарата. Историческую достоверность проекта определяет источниковая база по истории отечественной космонавтики: архивные научно-технические документы РГАНТД, свидетельства разработчиков космических аппаратов серии "Восток" и экспертов в области ракетно-космической техники.

Разработка контента для демонстрации первого полета человека в космос позволит в дальнейшем решать на комплексе виртуального окружения широкий круг задач в космической области, в число которых, прежде всего, входят:

  • реконструкция геометрических 3D -моделей и интерьеров космического аппарата;

  • визуализация бортового оборудования и окружающей обстановки;

  • реконструкция акустической (шумовой) обстановки;

  • моделирование и анализ сложных ситуаций на орбите в оперативном режиме;

  • детальный апостериорный анализ событий (разбор результатов полёта);

  • подготовка и планирование орбитальных операций, связанных с выполнением задач полёта.

Проект направлен на развитие новых технологий в области создания и использования 3D -документов. Данный проект является естественным развитием предыдущего проекта (грант РФФИ 05-07-08021), в результате выполнения которого был создан прототип программно-аппаратного комплекса ситуационного центра, включающего систему интерпретации данных телеметрии и поступающей информации о параметрах физических процессов и явлений, распределенную вычислительную систему, систему отображения, а также специализированное математическое и программное обеспечение, которые реализует возможности технологии виртуального окружения для отображения состояния космических аппаратов от момента запуска до момента выполнения задания.

Основной сферой приложений результатов данного проекта является демонстрация научно-технических результатов, полученных в задачах исследования космоса на пилотируемых космических аппаратах (в частности, на аппаратах серии "Восток"). Важным побочным продуктом данного проекта представляется создание виртуального музея пилотируемых космических полетов. В настоящее время уже созданы первые экспонаты такого музея - виртуальные модели космических станций "Мир" и МКС. В качестве информационного обеспечения проекта рассматриваются видео-материалы: видео-фильма Юрия Батурина "Лестница в небо", видео-записи Александра Сереброва "Уроки из космоса" и др., а также видеофрагменты различных сценариев орбитальных полётов. Предлагаемые исследования, разработки и технологии в России нигде ранее не проводились и не предлагались.

В методологическом плане данный проект направлен на решение фундаментальных проблем, связанных с разработкой информационных систем нового типа, основанных на использовании технологии ситуационного моделирования и виртуального окружения. В настоящее время имеется широкий круг задач фундаментальной и прикладной науки, техники, образования и национальной обороны, решение которых требует погружения пользователя в 3D - интерактивную среду изучаемого явления или предметной области с возможностью естественного интуитивного взаимодействия с моделью для информирования, обучения или тренировки пользователя согласно заданному сценарию.

Афанасьев В.О., Батурин Ю.М., Бобков А.Е.,
Клименко А.С., Клименко С.В., Леонов А.В.,
Серебров А.А., Сумкин Д.А., Шуров А.И., Щербинин Д.Ю.

[an error occurred while processing this directive]

[an error occurred while processing this directive]