Успешная визуализация и имитирование реальной среды взаимодействия человека и техники посредством компьютера разработана Национальным аэрокосмическим агенством США (NASA) еще 20 лет назад. Целью этой технологии являлась проверка работы техники и поведения человека при работе в сложных и опасных условиях космоса и, таким образом, оценка и улучшение космических проектов. Долгое время весьма высокая стоимость аппаратно-программных комплексов, позволяющих осуществить подобную визуализацию, ограничивала их применение только военными проектами и космической промышленностью. Однако, прогресс и удешевление этих технологий за последние годы, позволили внести концепцию виртуальной реальности и виртуального прототипирования во все отрасли промышленности и бизнеса.

Развитие технической мысли и постоянно возникающий конкурентный спрос, быстро приводящие к тому, что вчерашние решения не эффективны уже сегодня, заставили производителей самых разных отраслей искать инновационные подходы, которые позволили бы сокращать сроки и затраты на разработку, увеличивая тем самым конкурентоспособность как отдельного изделия, так и предприятия в целом. Наиболее привлекательным и оптимальным оказалось применение компьютерных технологий моделирования, визуализации и имитирования, давно испробованных в военно-промышленном комплексе.

Компьютер обеспечивает для человеческого разума возможность мгновенно реагировать на изменения в создаваемой виртуальной среде. Сила виртуальной реальности состоит в достижении свободы взаимодействия человека с виртуальной средой - там нет принципиальных ограничений в этом плане и можно исследовать и опробовать любой компонент любой пространственной модели (виртуального прототипа). Будучи созданной в компьютере, эта модель, также как и среда, в которой она находится, свободна от ограничений физического пространства и времени.

Компьютерное прототипирование позволяет не только создать, но и усовершенствовать сложное изделие, оценить и опробовать его не на реальном предприятии, а в среде виртуальной реальности. Это особенно актуально для дорогостоящих, сложных, уникальных технологических и военно-технических комплексов.

В настоящее время мы наблюдаем все более массированное применение технологий виртуального прототипирования, т.е. процесса создания виртуальной (электронной) модели объекта, предназначенного для последующего производства, ее всесторонней оценки на этапе наличия виртуального прототипа (например, свойств эргономики, безопасности, функциональности, технологичности и т.д.), оптимизации технологических процессов его изготовления. Только после получения удовлетворительных результатов принимается решение об изготовлении физического объекта.

Немаловажным также, как правило, является и внешний вид изделия, его формы, характеристики и дизайн. Дизайн - это новая область применения компьютерной графики в промышленности.

Обычно цель дизайнерской проработки нового изделия - выбор наиболее удачной концепции внешнего облика изделия из множества вариантов и детальный визуальный анализ выбранной концепции. Если дизайн изделия выполняется с помощью компьютера, то это позволяет сократить в несколько раз время как на дизайнерскую проработку, так и на общий цикл разработки (например, выпуск на рынок такого сложного изделия, как автомобиль, может произойти на один-два года раньше). При этом также происходит значительная экономия средств, поскольку все аспекты внешнего вида оцениваются на компьютерных, а не натурных моделях.

Дизайнерская часть общего цикла производства включает в себя:

  • концептуальное моделирование, т. е. предварительную разработку нескольких вариантов изделия, в результате которой появляются "трехмерные наброски";
  • создание компьютерных "рисунков", представляющих собой ортогональные проекции будущего изделия (при традиционном дизайне такие рисунки могли бы служить конечным результатом работы);
  • собственно моделирование: трассировку рисунков, то есть создание с их помощью трехмерных сплайнов, а затем - построение поверхностей по этим сплайнам;
  • оценку таких свойств моделируемых объектов, как кривизна, непрерывность кривизны, распределение бликов и т.д;
  • задание "материалов" (то есть оптических свойств поверхностей), выбор и расстановка источников света, задание свойств окружающей среды, выбор фона - все это заканчивается просчетом построенной таким образом сцены с высокой степенью фотореализма;
  • передачу трехмерной модели объекта (вид которого наглядно представлен, оценен, согласован и утвержден) в САПР для дальнейшей разработки внутреннего устройства объекта, конструкторских расчетов, оформления чертежной документации и т.д.

Трехмерное моделирование - это область функционального пересечения дизайнерской системы и САПР, однако назначение моделирования в этих системах различается. Для дизайнера трехмерная модель - всего лишь предварительная конструкция, на основе которой получаются фотореалистические изображения. При этом, нужно заметить, реально процесс разработки нового изделия происходит итерационно и содержит обратные связи, что позволяет еще на этапе дизайнерской разработки (а не при уже готовом изделии) довести модель "до ума", что делает применение компьютерных технологий жизненно важным для будущего изделия. Таким образом, уже с самого начала формы будущего объекта согласуются с требованиями конструкторов и технологов.

Созданный с помощью систем моделирования объект, можно помещать в различные среды, имитировать и прослеживать не только его перемещения в созданном для него виртуальном пространстве, но и демонстрировать его функционирование.

Если виртуальную реальность использовать просто как средство коммуникации между участниками процесса проектирования, она позволит проектировщикам, специалистам по надежности систем, персоналу и другим специалистам обсуждать достоинства и недостатки проекта, используя виртуальную модель как наглядное, трехмерное справочное пособие, которое можно как угодно перемещать в пространстве, "гулять" по нему и т.д. Это неизбежно приведет к более ясному пониманию сути проблем и более скорой выработке решений по устранению потенциальных затруднений во время проектирования и производства любого изделия.

Существует два основных типа виртуальной реальности: сценическая (scenic) и экранная (screen). При сценическом типе человек как бы находится внутри виртуального мира, является одним из его объектов. При экранной человек отделен от виртуальной среды поверхностью раздела, т.е. он находится вне среды, наблюдая ее извне через неподвижное поле зрения (как, например, сидящий за дисплеем компьютера оператор).

Качество как сценической, так и экранной виртуальной реальности определяется техническими возможностями компьютерной плаформы, на которой реализуются данные технологии. Сегодня из всего многообразия существующих компьютеров для решения задач виртуальной реальности наиболее подходящими являются компьютерные системы, производимые известной американской фирмой Silicon Graphics.

Платформа Silicon Graphics и разработчики программных средств для нее поставляют конечному пользователю широкий круг гармоничных комплексов программных и аппаратных средств. Эти комплексы на базе высокопроизводительных настольных рабочих станций или мощных супер-ЭВМ обеспечивают решение наиболее сложных задач в области визуализации в ведущих странах мира. Такие отличительные черты компьютеров Silicon Graphics, как гибкая RISC - архитектура, симметричная, многопроцессорная обработка данных, мощная графика, высокоразвитые цифровые мультимедийные средства и встроенные возможности для работы с ИНТЕРНЕТ, обеспечивают пользователей этих систем уникальными инструментами для полной реализации накопленного опыта и творческих возможностей.

Сценическая виртуальная реальность позволяет обеспечить практически полное погружение (иммерсию) оператора в виртуальную среду. Технические средства, необходимые для формирования такого типа виртуальной реальности, представляют собой нашлемные системы отображения различных типов, которые обеспечивают неограниченное и подвижное поле зрения, а также разнообразные датчики, координирующие пространственное положение органов человеческого тела в виртуальной среде и тактильную связь с виртуальными, несуществующими объектами. Существенным элементом, подчеркивающим глубину погружения в виртуальной реальности, является системы воспроизведения пространственного звука, поскольку даже на поверхности виртуального космического тела космонавт-оператор будет слышать работу агрегатов системы жизнеобеспечения, звуки собственного дыхания, речевой обмен с коллегами и т.д.

Экранные системы виртуальной реальности обеспечивают частичное погружение в виртуальную среду, т.е. часть среды моделируется на компьютере, а часть имитируется физически, в виде различных пультов, рабочих мест, кабин и т.д.

Важнейшей чертой синтетического мира является то, что можно было бы назвать "ковром-самолетом", т.е. возможность пользователя, наблюдателя, разработчика легко перемещаться в виртуальном пространстве, чтобы увидеть как отдельный объект, так и полную картину той среды в которой объект находится с любой точки зрения и в любой временной фазе.

Как уже говорилось выше, программно-аппаратные комплексы виртуального прототипирования и виртуальной реальности, первоначально используемые лишь военно-промышленным комплесом, достаточно давно нашли применение на предприятиях самых различных отраслей, бизнеса и индустрии развлечений на Западе.

В настоящий момент и для отечественных пользователей имеется возможность применения современнейших западных аппаратных и программных средств, с помощью которых могут быть построены высокоэффективные комплексы виртуальной реальности и виртуального прототипирования, предназначенных для решения многих важных проблем как военного, так и гражданского назначения.

Компания MultiGen, Inc. - ведущий разработчик программного обеспечения для приложений визуального моделирования реального времени, индустрии развлечений и визуализационных приложений САПР предлагает законченное решение - комплекс программных средств разработки трехмерных моделей в промышленном стандарте и мощные инструменты построения баз данных.

Продукты фирмы - MultiGen II Pro, MultiGen Creator, MultiGen Go, GameGen II и SmartScene - используются для создания трехмерных объектов и сцен приложений реального времени. Эти высококлассные инструменты дают возможность пользователю быстро создавать двумерные или трехмерные модели любого типа, в которые может быть добавлена арифметическая и логическая информация, обеспечивают разработчиков обьектов визуального моделирования возможностью быстрой автоматической генерации полностью текстурированных поверхностей с использованием морфинга и многоуровневой системой детализации, а также предоставляют собственную среду для разработки визуальных баз данных.

Системы фирмы MultiGen с удобным пользовательским интерфейсом и мощными возможностями моделирования, позволяющими достигнуть максимальной производительности и управляемости, дают возможность дизайнерам просто и эффективно создавать, редактировать и прототипировать трехмерные модели реального времни различной степени сложности. Это позволяет упростиь процесс моделирования реального времени, а также ускорить время разработки приложений.

MultiGen II позволяет создавать, модифицировать и воспроизводить трехмерные приложения реального времени на платформах как Silicon Graphics, так и Windows NT.

Описанные выше системы по оценкам специалистов являются лучшими на сегодняшний день программными комплексами моделирования и визуализации на платформе Silicon Graphics, позволяющими эффективно решать целый спектр задач, связанный с разработкой, созданием и эксплуатацией сложных технических объектов и систем, и без оговорок вписываются в стандарты CALS.

Российская фирма "Корпорация Joy Company"

Корпорация Joy Company - генеральный дистрибьютор фирм Alias|Wavefront, Paradigm Simulation, Inc., Deneb, MultiGen, Inc. Уже более пяти лет она работает на компьютерном рынке, представляет лучшие системы объектного моделирования, дизайна и визуализации сложных процессов в реальном времени. Эти системы позволяют коренным образом улучшить рабочие характеристики и качество моделирования в каждом конкретном случае при одновременном сокращении времени разработки и стоимости моделирования, оценить качество изделия или его эргономические характеристики, а также имитировать поведение изделия в виртуальной среде, при этом значительно экономя средства и время на разработку.

Фирмы Alias|Wavefront, Paradigm Simulation, Inc., Deneb, MultiGen, Inc. приобрели завидную репутацию в обеспечении коммерческих, правительственных и военных заказчиков как высококачественным моделированием, так и высококачественными решениями в области виртуальной реальности.

Достоинства программных продуктов этих фирм оценили такие крупнейшие организации и фирмы как: General Motors, Ford Motor Company, Mitsubishi, Boeing, General Electric, US Army, US Navy, US Air Force, Volvo Cars, Nissan Design Center, Honda, Kraft, Pioneer, Sony и многие другие предпрития, которые использовали это программное обеспечение для своих разработок.

Основное направление деятельности Joy Company - интеграция сложных комплексных систем визуализации и обработки изображений для различных отраслей промышленности, военно-промышленного комплекса, образования, телевидения.

В составе фирмы 40 человек, прошедших стажировку в центрах обучения фирм-производителей и в учебном центре Joy Company. Высокий профессионализм и большой опыт сотрудников компании позволяют обеспечивать оптимальное технико-коммерческое решение задач, успешно выполнять работы по системной интеграции, консультациям, технической поддержке и обучению.

Постоянная ориентация фирмы на последние достижения в области цифровой обработки изображений, прямые поставки от фирм-производителей, комплексный подход к решению проблем, широкий спектр предлагаемых услуг, а также грамотный персонал делают привлекательным для клиентов сотрудничество с Joy Company.

Среди партнеров Joy Company: АООТ "ОКБ Сухого", КМЗ им. О.К. Антонова, Российское Космическое Агенство, Центр Управления Полетами, Центр Подготовки Космонавтов им. Гагарина, ФАПСИ, Центральная Таможенная Академия, институт им.Келдыша, АО "Газпром", Туламашзавод, Госкомимущество, Госкомитет по высшему образованию, ТАНТК им. Бериева, АО "ГАЗ", АО "ВАЗ", АО "УАЗ", АО "ЗИЛ", АО "КАМАЗ", АО "Ижмаш", НТВ, РТР, Телевизионно-технический Центр "Останкино" и многие другие.

Осуществление прямых поставок непосредственно от фирм-производителей, мировых лидеров в области копьютерной графики позволяет Joy Company не только формировать оптимальное сочетание качества и цены предлагаемых продуктов, но и интегрировать на компьютерный рынок России, стран СНГ, Балтии самые передовые технологии.

Немалую роль в успехах фирмы сыграла, созданная Joy Company, дилерская сеть, постоянно поддерживаемая и расширяемая.

На базе Joy Company образовано несколько дочерних предприятий, а также создан Демонстрационный учебный центр, где ежедневно проходит представление продуктов, поставляемых Joy Company и обучение пользователей. Кроме этого, Joy Company организует различные конференции, семинары и презентации по отдельным направлениям использования современных цифровых технологий.

Получая оперативную информацию о суперновинках мирового рынка компьютерной графики от фирм-производителей и посещая крупнейшие международные выставки, специалисты Joy Company считают своим долгом довести эту информацию до пользователя, что находит отражение в статьях, заметках и новостях, публикуемых в различных печатных изданиях, а также в теле- и радиорепортажах, посвященных крупным и интересным событиям, связанным с деятельностью фирмы.

Joy Company - профессиональный и надежный партнер, всегда открытый к доброжелательному и взаимовыгодному творческому сотрудничеству.

Канадская компания Alias|Wavеfront

Канадская компания Alias| Wavеfront - дочернее предприятие корпорации Silicon Graphics - разработала мощнейшее программное обеспечение для профессионального дизайна. По мнению различных независимых организаций, тестирующих дизайнерские продукты ведущих фирм мира, системы Alias| Wavеfront являются лучшими.

Пакеты программ фирмы Alias|Wavefront : Alias Designer, Alias Studio, Alias AutoStudio, Alias StudioPaint, используют наиболее современные методы математического моделирования сложных поверхностей, позволяющие формировать компьютерное изображение с максимальной степенью фотореализма. При этом созданные двумерные модели легко преобразуются в трехмерные. Это позволяет быстро визуально оценить проектируемые поверхности и получить полное представление о внешнем виде объекта еще на стадии проектирования. Наличие же уникальных средств "оживления" и трансформации построенных объектов, начиная от простого вращения и "облета камерой" до создания сложных видеопоследовательностей, широко применяемых при создании презентационных фильмов, даст представление о "поведении" объекта в той среде, в которой ему предстоит в дальнейшем находиться.

Возможность обмена данными со всеми существующими компьютерными системами конструкторской и производственной разработки (CAD/CAM/CAE) обеспечивает гибкость в использовании систем Alias|Wavefront, а также возможность легко и быстро перестроить компьютерную модель в соответствии с конкретными требованиями конструкторов (или с изготовленным натуральным образцом и его испытаниями).

Программные продукты для дизайна фирмы Alias| Wavefront являются важным элементом общего процесса проектирования. Они позволяют существенно сократить общее время разработки и обеспечивают значительную экономию средств, а также гармонично встраиваются в уже существующие системы автоматизированного проектирования и подготовки производства.

К слову сказать, концерн Ford Motor Company (в рамках стандартизации промышленных процессов компании) принял к обязательному применению абсолютно на всех своих заводах программное обеспечение фирмы Alias| Wavefront.

Это было сделано с целью интеграции инженерных разработок, дизайна, производства и информации по продукции в единый комплекс, целиком используемый компанией Ford и его поставщиками. Как часть проекта, компания Ford предложила также и своим поставщикам принять те же самые технологические стандарты для облегчения обмена информацией в процессе дизайна и производства. Такое решение позволило компании Ford в короткие сроки осуществить в 1996 и 1997 гг. ряд новых разработок.

Сегодня программное обеспечение для автомобильного дизайна фирмы Alias|Wavefront установлено более чем на 70% ведущих автомобильных предприятиях мира.

Американская компания Paradigm Simulation, Inc.

Американская компания Paradigm Simulation, Inc. является ведущей фирмой в создании средств компьютерного моделирования, отличающихся низкой стоимостью и высокой производительностью. Программные продукты этой фирмы - "VEGA" и "AudioWorks" - это профессиональные стандартные инструменты, применяемые для создания систем компьютерного моделирования в реальном времени и систем виртуальной реальности с использованием трехмерных моделей, созданных, в частности, в программных продуктах фирмы Alias|Wavefront и баз данных фирмы MultiGen.

Vega - это система для тех, кому надо быстро и качественно создавать виртуальную реальность, обеспечивать интерактивную визуализацию САD-моделей и динамических моделей, работающих в реальном времени, а также визуализовывать сложные системы связей. Vega включат в себя графическую среду разработки LynX, позволяющую обычным пользователям создавать законченные приложения, ничего не програмируя, а программистам использовать язык С для доступа к функциям нижнего уровня системы Vega.

Система "AudioWorks", обеспечивающая интерактивный объемный звук в реальном времени, делает виртуальную реальность неотличимой от настоящей жизни.

Область применения систем Vega и AudioWorks 2 очень широка. С помощью систем Vega и AudioWorks 2 делают модели промышленных изделий и работают с САD/САМ-моделями, решают задачи визуализации данных и создают приложения для образования, компьютерные игры, моделируют военные действия и развивают средства телекоммуникации. Используя системы Vega и AudioWorks 2 инженеры, дизайнеры и технологи могут "посидеть и пройтись" внутри своих концептуальных разработок, "поездить на них или полетать", а также каким-либо другим образом интерактивно взаимодействовать со своими идеями, используя последние достижения в области виртуальной реальности и тренажерных технологий.