Виртуальная среда.
1. Индуцированная виртуальная среда.
2. Роль априорной информации при реконструкции ИВиС.
3. Применение ИВиС в автономных системах управления.
1. Индуцированная виртуальная среда.
В настоящее время появились новые подходы в моделировании с использованием методов технологии "виртуальная реальность". Рассмотрим подробнее основное понятие, присущее системам моделирования, а именно, понятие «виртуальная среда» (ВиС). В виртуальную среду помещены модельнаблюдаемой среды и модели находящихся в ней объектов.
Виртуальная среда может существовать независимо от существования реальной среды - в этом случае будем называть ее автономной (АВиС). К этому классу относятся разнообразные тренажерные системы,
предназначенные, как правило, для обучения навыкам вождения, управления
летательными аппаратами и т.п.
Рис. 1. Тренажер для пилотов.
Существует большое количество систем имитационного моделирования для изучения поведения так называемых «больших систем» из областей экономики, экологии, а также военных областей. Кроме того, к системам с автономной ВиС можно отнести и средства для создания виртуальных миров.
В больший интерес представляют системы, в которых виртуальная и реальная среды функционируют параллельно. В случае, если виртуальная среда воссоздается на основе информации, поступающей из реальной системы, будем называть ее индуцированной (ИВиС).
К классу систем с индуцированной ВиС относятся медицинские системы,
позволяющие с помощью специальных инструментов наблюдать за состоянием внутренних органов без оперативного вмешательства. К этому классу относится большинство систем телеприсутствия. Они делятся на системы удаленного присутствия, в которых виртуальная среда отражает состояние удаленных объектов, например, роботов, работающих в опасных для человеческой жизни условиях, и системы телеобщения, в которых человек тем или иным образом представлен в виртуальном пространстве и может взаимодействовать с искусственными агентами или личностями. Упомянем также о сравнительно недавно появившихся системах виртуальных музеев и библиотек.
Наблюдается следующая картина использования существующих систем моделирования. В подавляющем большинстве случаев цели, поставленные перед системами, состоят в реалистичном воспроизведении состояния объектов моделирования и достигаются за счет высокопроизводительной подсистемы отображения, позволяющей тем или иным способом осуществить погружение наблюдателя в виртуальный мир или визуализировать информацию, поступающую от подсистемы наблюдения за удаленными объектами. То есть основой большинства систем является система отображения, предназначенная для создания визуальных, звуковых, тактильных, гравитационных эффектов.
Однако индуцированные виртуальные среды могут быть использованы не
только как средство отображения состояния объектов, но и как основа при создании систем автономного управления этими объектами. В таких системах поток информации является двунаправленным: из управляемой системы в систему управления поступает информация о текущем состоянии объектов, а система управления на основе анализа состояния моделей объектов генерирует и передает команды управляемой системе.
В случае использования индуцированной виртуальной среды, при определенных условиях, сигнал обратной связи может быть извлечен из нее. Таким образом, для получения сигнала обратной связи отпадает необходимость слежения за всеми объектами управляемой системы, что дает возможность получить принципиально новые подходы к управлению объектами.
Индуцированная виртуальная среда – носитель обратной связи.
Рассмотрим определение понятия обратной связи в классической теории
систем автоматического управления (САУ). В простейшем случае САУ состоит из объекта управления О и управляющего устройства УУ (см. рис. 2).
Рис. 2. Обратная связь в САУ.
Устройства подается задающее воздействие G, содержащее информацию об управляемом воздействии U. Кроме того, к объекту приложено возмущающее воздействие F. Выходная величина Y, подаваемая на вход управляющего устройства и является сигналом обратной связи. Таким образом, в традиционной трактовке носителем обратной связи всегда является объект управления. Другими словами, сигнал обратной связи извлекается из физического пространства. Покажем, что индуцированная виртуальная среда сама по себе может являться носителем обратной связи. Для обеспечения такой возможности в системе моделирования используются два различных пространства – наблюдения и анализа. Первое пространство – физическое, второе – виртуальное. Внутри физического пространства расположены маркеры, за которыми осуществляется непосредственное наблюдение (регистрируются их координаты). Внутри виртуального пространства реконструируется состояние виртуальных объектов. Такая реконструкция осуществляется на основе априорных данных о поверхностях (3D-моделях) и оперативной информации о координатах маркеров.
Таким образом, внутри виртуальной среды может быть получена исчерпывающая информация о координатах вершин полигональных моделей объектов. На рис.3 сравниваются две парадигмы управления с обратной связью в классической постановке и с использованием ИВиС.
Рис. 3. Сравнение двух систем управления с обратной связью в классической постановке и с использованием ИВиС.
В классической постановке система управления с обратной связью строится на основе определенных априорных представлений об управляемой системе, физической среде и характере функционирования управляемой системы в физической среде. При этом сигнал обратной связи должен содержать множество параметров, достаточное для формирования управляющего воздействия. Иными словами, предполагается, что по каналу обратной связи передается вся необходимая для «принятия решения» информация. Важно понимать, что априорная информация о физической среде и управляемых объектах используется здесь в неявном виде – для определения состава параметров, передаваемых по каналу обратной связи, способа их обработки и способа выработки управляющих воздействий.
Система управления с обратной связью, использующая ИВиС, функционирует иначе. Принципиальным отличием этой системы от классической является наличие звена реконструкции состояния ИВиС, содержащей как модель физической среды, так и модель управляемой системы. Поэтому по каналу обратной связи передаются не все параметры, необходимые для выработки управляющего воздействия, а только те параметры, которые необходимы для реконструкции состояния. Априорная информация используется в явном виде – она должна содержать данные о физической среде, управляемой системе и о возможном характере их взаимодействия. Оценка параметров взаимодействия осуществляется в ИВиС на основе двух групп данных - хранимых априорных данных и поступающих по каналу обратной связи апостериорных данных.
2. Роль априорной информации при реконструкции ИВиС.
Разделение всей поступающей в систему моделирования информации на априорную и апостериорную имеет принципиальное значение. Наличие априорной информации позволяет в значительной степени увеличить объем «полезной» оперативной информации по сравнению с общим объемом оперативной информации, поступающей из физического пространства, за счет существенного уменьшения последнего.
Например, для задачи анализа взаимного положения объектов можно сравнить объемы данных, которые необходимы для анализа полигональных 3D- моделей объектов, и данных о местоположении маркеров, закрепленных за объектами. В первом случае модель поверхности средней сложности содержит порядка 106 вершин, во втором случае достаточно координат 4 маркеров (в трехмерном пространстве). Своего рода «коэффициент усиления полезной информации» при принятии решения обеспечивается наличием априорной информации.
3. Применение ИВиС в автономных системах управления.
Рассмотрим систему управления с индуцированной виртуальной средой. Сенсорная подсистема выполняет слежение за маркерами и передает в систему моделирования их координаты. В случае удаленного управления для передачи информации на расстояние дополнительно требуется коммуникационная подсистема. Подсистема реконструкции виртуальной среды воссоздает состояние объектов управляемой системы и окружающей среды. В результате виртуальная среда содержит всю необходимую для принятия решения информацию, являясь, по существу, носителем обратной связи. На основе информации, извлеченной из виртуальной среды, может решаться ряд аналитических задач, поставленных перед системой, в частности, задача анализа взаимного расположения управляемых объектов.
Рассмотрим подробнее взаимодействие ключевых подсистем – реконструкции виртуальной среды и принятия решений (рис. 4).
Рис.4. Взаимодействие подсистем реконструкции виртуальной среды и анализа и принятия решений.
В начале работы модулем хранения моделей производится загрузка в оперативную память сеточных моделей объектов и выполняется инициализация вспомогательных структур данных, в частности, построение ОВВ-деревьев. В процессе работы на вход подсистемы реконструкции виртуальной среды поступает информация о координатах маркеров. Модуль определения положения объектов вычисляет пространственные координаты и ориентацию объектов и передает матрицы преобразования в мировую систему координат подсистеме моделей объектов. После этого координаты произвольной точки объекта могут быть получены простым умножением матрицы на вектор. Информация о состоянии моделей объектов используется в подсистеме анализа ситуации и принятия решения. В частности, модуль анализа взаиморасположения объектов вычисляет точки контактов, расстояния между объектами и т.п. В зависимости от поставленных задач подсистема может быть снабжена соответствующим набором аналитических модулей. Такие модули могут проводить вычисления параллельно или последовательно, с использованием информации, полученной на предыдущих этапах. Например, модуль визуализации может выполнять рендеринг сцены с учетом анализа взаиморасположения объектов, но независимо от результатов работы других модулей. Такая схема взаимодействия модулей сохраняет гибкость подсистемы и позволяет легко расширять ее функциональные возможности при изменении требований к системе. Необходимо также отметить, что предлагаемый подход получил реальную почву для применения лишь в последние годы, когда ресурсы вычислительных устройств по объемам памяти и быстродействию достигли уровня, который позволяет реализовать указанную обработку данных в бортовых вычислительных комплексах.
