[Alekseev_A.P.]_Informatika_2015(z-lib.org)

__________________________________________________________________________________

3.Перед правым глазом помещается синий фильтр, а перед левым глазом — красный фильтр. На экране монитора одновременно формируется два изображения, одно красное — для левого глаза, второе синее — для правого глаза. При наблюдении через красный фильтр красное изображение становится практически невидимым, а синее изображение кажется черным. При наблюдении такого изображения через синий фильтр наоборот: синее изображение невидимо, а красные линии кажутся черными. Совместное действие двух фильтров вызывает иллюзию объемного изображения. Два одновременно формируемых на дисплее изображения спектрально разделены.

Техническая реализация этого способа достаточно проста. Для наблюдения стереоэффекта требуются двухцветные очки. Способ базируется на частотном (спектральном) разделении передаваемых изображений.

4.Перед левым глазом помещается прозрачный фильтр, а перед правым глазом размещается затенённый фильтр. Эффект трехмерного изображения проявляется только при наблюдении движущихся объектов. Физиологической основой для подобной иллюзии является различие во времени реакции каждого глаза при распознавании движущегося изображения. Для статических картин иллюзия объемности не возникает.

Существует также технология формирования виртуальной реальности с помощью проекционных устройств, создающих иллюзию окружающего мира, путем проекции изображения на стены, пол и потолок комнаты. Этот способ особенно эффективен при имитации подводного мира и боевых сражений.

Программные продукты и аппаратные средства виртуальной реальности имитируют реальную действительность с такой степенью достоверности, что можно «потрогать» объекты, находящиеся в этом призрачном мире, и они соответствующим образом будут реагировать на прикосновение. Процедуру вхождения в виртуальный мир часто называют погружением.

Для взаимодействия с виртуальной реальностью применяются специальные устройства ввода-вывода: шлемы-дисплеи, манипуляторы, информационные перчатки и информационный костюм.

Рука пользователя, одетая в информационную перчатку, может быть спроецирована (перенесена, погружена) в трехмерную компьютерную среду. Манипулируя информационной перчаткой, пользователь в состоянии взаимодействовать с виртуальным миром, управляя объектами.

На следующем рисунке показана конструкция информационной пер-

чатки.

242 Виртуальная реальность

__________________________________________________________________________________

Рассматриваемая информационная технология позволяет ощутить форму предмета, например, сферичность шара. Этот эффект достигается тем, что в информационную перчатку вмонтированы устройства тактильной обратной связи. В нужный момент времени эти устройства надавливают на кончики пальцев, создавая эффект иллюзии касания виртуального объекта, позволяют ощутить «тяжесть» объекта, его температуру.

Перчатка может оценивать положение и изгиб каждого пальца. Это обеспечивается использованием оптиковолоконных нитей, фиксирующих количество

света, проходящего через каждую нить.

Контакт пользователя с системой может осуществляться голосом, при этом управляющие команды вводятся в ЭВМ с помощью микрофона.

Специальное устройство джойстринг обеспечивает эффект обратной силовой связи. При управлении с помощью джойстринга виртуальным автомобилем, который делает крутой поворот на большой скорости, возникает ощущение вырывающегося из

рук руля.

Конструкция шлема отслеживает движение головы, и синхронно с наклоном и поворотом головы меняется картина обзора. Встроенная в шлем система датчиков фиксирует движения головы и передает данные на компьютер, который постоянно заново пересчитывает перспективу при малейшем движении испытуе-

__________________________________________________________________________________

мого в виртуальном мире.

Для описания виртуальной реальности создан специальный язык —

VRML (Virtual Reality Modelling Language), на базе которого различные фирмы создают программные средства.

ВР позволяет изнутри рассмотреть систему кровообращения, побывать внутри сердца, позвоночного столба, рассмотреть со всех сторон скелет. Можно увидеть строение глаза, уха, мышц. Иллюзия объемности столь велика, что создается впечатление, что кисть скелета сильно выдвигается из дисплея.

Ведутся работы по созданию виртуального муляжа человеческого тела, с помощью которого студенты-медики смогут изучать анатомию.

Традиционные системы ВР позволяют имитировать движение, однако пользователь в это время неподвижно располагается в кресле. Братья Нурахмед и Нурулла Латыповы (Россия) изобрели устройство для свободного перемещения пользователя по виртуальному миру.

Это устройство названо авторами «Виртуальная сфера». Оно представляет собой полую сферу, размер которой таков, что позволяет внутри ее двигаться взрослому человеку. Диаметр сферы 2,6 м, вес всего около 100 кг. Сфера устанавливается на колеса-опоры, которые могут вращаться вокруг любой из своих осей. Благодаря такой опоре сфера свободно вращается в любом направлении.

Перед тем как войти в сферу через люк, пользователь надевает специальный костюм. На спине костюма находится компьютер-ноутбук. К ЭВМ подключены встроенные в костюм датчики и шлем.

Положение и жесты пользователя определяются по показаниям датчиков, фиксирующих величину углов между частями тела.

С ее помощью пользователь сможет обучаться боевым искусствам, спортивным, танцевальным движениям в интерактивном (диалоговом) режиме с компьютерным учителем, делать пешеходные прогулки по самым знаменитым городам мира.

Можно предположить, что в недалеком будущем с помощью технологии виртуальной реальности дополнительно будут осуществляться воздействия на обоняние, вкусовые ощущения, на эмоции и чувства (например, вызывать чувства жажды, радости или страха).

244 Основные понятия и определения моделирования

__________________________________________________________________________________

7.Основные понятия моделирования

Вданном разделе рассмотрены основные определения, рассмотрены виды моделей, уровни моделирования, дано представление о имитационном

ифизическом моделировании.

7.1.Основные понятия и определения

-…бриллиант – это обработанный алмаз.

-А алмаз - это что?

-Это необработанный бриллиант.

Л,М.Измайлов, В.В.Чубаров

Дать точное вербальное определение сложному термину непросто. Поэтому, как правило, существует несколько определений, подготовленных разными авторами. Часть этих определений содержат неточности, а некоторые - и ошибки. Объясняются неточности не только недостаточными знаниями учёных, но и имеющимися ограничениями естественного языка.

Например, попробуйте описать словами какое-либо дерево, скажем, берёзу. Удастся выразить только её основные свойства (цвет, форму, размеры, возраст…), но многие свойства останутся неописанными (запах, вкус берёзового сока, твёрдость, химический состав, электропроводность, конфигурация веток, число листьев, вес…). Можно попытаться описать все указанные свойства, но описание будет неточным и местами ошибочным. Попытайтесь подсчитать число листьев на дереве. Это потребует большого времени, за которое несколько листьев опадёт или появится несколько новых. Попробуйте взвесить дерево. Точно измерить вес не получится, так как невозможно выкопать всю корневую систему. Во время измерения веса сам объект изменится.

Аналогичные проблемы существуют при формировании моделей. Любая модель (заменитель) не может точно описать исследуемый объект.

Модель — материальный объект либо образ, которые упрощённо отображают самые существенные свойства объекта исследования. Под образом понимаются: формула, изображение, словесное описание, схема, граф, чертёж, план, карта, блок-схема алгоритма, ноты и т.п.

Моделирование — метод научного исследования явлений, процессов, объектов, устройств или систем (обобщенно – объектов исследований), основанный на построении и изучении свойств моделей с целью получения

__________________________________________________________________________________

новых знаний, совершенствования характеристик объектов исследований или управления ими.

Любая модель всегда отличается от реального объекта и отображает лишь часть его самых существенных черт, основные элементы и связи. По

были жесты наших предков. Однако документальных подтверждений этому факту нет.

Первые документально зарегистрированные наскальные рисунки (петроглифы) были графическими моделями, которые изображали картины быта, животных и эпизоды охоты. Возраст этих рисунков оценивается величиной 200 тысяч лет.

Следующим этапом развития моделирования можно считать возникновение числовых знаков. Сведения о результатах счета первоначально сохранялись в виде зарубок. Постепенное совершенствование этого метода привело к возникновению цифр как системы знаков. Можно предположить, что именно зарубки были прототипом римских цифр.

Известный математик, религиозный и философский деятель Пифагор Самосский (VI век до н.э.) предполагал, что число является основой всего существующего. Пифагор считал, что числовые соотношения являются источником гармонии космоса.

Значительное развитие моделирование получило в Древней Греции. В V-III вв. до н. э. В Греции была создана геометрическая модель Солнечной системы. Греческий врач Гиппократ для изучения строения человеческого глаза воспользовался его физической моделью — глазом быка.

Потребность в создании и использовании моделей связана с тем, что экспериментально исследовать многие реальные явления и объекты сложно или дорого, а порой вовсе невозможно. Например, безумно экспериментально изучать, к чему приведет мировая тер-

моядерная война. Опасны эксперименты с реальными реакторами на атом-

246 Основные понятия и определения моделирования

__________________________________________________________________________________

ных электростанциях. Неразумны опыты с радиоаппаратурой при предельных значениях напряжения питания и окружающей температуры.

Приведем один из ярких примеров моделирования.

В Вычислительном центре Академии наук под руководством академика Н.Н. Моисеева была разработана математическая модель возможных последствий ядерной войны на планете Земля. Расчеты показали, что людей погубит не только ударная волна, световое и радиационное излучение, но и холод, «ядерная зима». В результате подъема в атмосферу огромных облаков сажи и пепла, будут блокироваться солнечные лучи, и температура на Земле резко понизится.

При изучении сложных явлений, процессов, объектов не удается учесть полную совокупность всех элементов и связей. По этой причине модель всегда проще исследуемого объекта.

При создании модели нет необходимости учитывать все элементы и связи, существующие в объекте исследования. Нужно лишь выделить наиболее характерные составляющие, которые в наибольшей степени определяют основные свойства объекта исследования. В результате объект исследования заменяется некоторым упрощенным подобием, но обладающим главными свойствами, аналогичными свойствам объекта исследования.

Появившийся вследствие проведенной подмены новый объект (или абстракция) принято называть моделью объекта исследования.

Приведём несколько примеров моделей.

Карта — это графическая модель местности или звездного неба. На карте соблюдается принцип подобия: сохраняется форма контуров материков, водоемов, лесных массивов, рек, созвездий, улиц, площадей, относительное расположение объектов, относительные расстояния между объектами, угловое расстояние между звездами, соотношения между их светимостью и т. д.

Манекен — модель человека, которая отражает его внешние черты. Манекен подобен человеку, сохраняет его пропорции, цвет ко-

__________________________________________________________________________________

жи и волос. Манекен, как заместитель человека (модель), используется, например, при исследовании надежности автомобильного транспорта (краш тесты). Последствия автомобильных аварий изучаются с помощью манекена. Восковые фигуры дают первое представление об известных людях. В Японии резиновые фигуры начальников используются для психологической разгрузки подчинённых.

Существуют макеты автомобилей, пароходов, военной техники, железных дорог, архитектурных сооружений и т. п. Макеты микрорайонов позволяют архитекторам исследовать характер изменения освещенности домов в течение солнечного дня.

При моделировании работы одной ЭВМ с помощью ЭВМ иной конструкции используют понятия имитатор, симулятор и эмулятор. Под этими терминами понимаются программы или устройства, имитирующие работу других ЭВМ. Например, существуют эмуляторы однокристальной ЭВМ К1816ВЕ35, бытовых компьютеров БК-0010, Spectrum ZX, игровых приставок. Они позволяют моделировать их работу на компьютерах фирмы IBM.

Разработано много компьютерных симуляторов спортивных игр (футбол, баскетбол, регби, гольф, бильярд, теннис, шашки, шахматы, хоккей, велоспорт, боулинг, биатлон, легкая атлетика, бокс…). Известны симуляторы полетов на космических кораблях (космические симуляторы), самолетах и вертолетах, гонок на автомобилях, игр на фондовой бирже, боевых сражений, подводного плавания. Эти симуляторы иногда называют имитаторами.

7.1.1. Виды моделей

Создать исчерпывающую классификацию моделей достаточно сложно, поэтому рассмотрим наиболее часто употребляемые определения моделей.

Процесс моделирования начинается с создания концептуальной модели. Концептуальная модель (содержательная) — это абстрактная мо-

дель, определяющая структуру (элементы и связи) объекта исследования.

В концептуальной модели обычно в словесной (вербальной) форме приводятся самые главные сведения об объекте исследования, основных элементах и важнейших связях между элементами. Процесс создания концептуальной модели в настоящее время не формализован, то есть не существует точных правил её создания. Описание объекта ведётся приближённо, на качественном уровне (например, с ростом напряжения ток возрастает, но точный вид связи величин неизвестен).

Основная проблема при создании концептуальной модели заключается в нахождении компромисса между компактностью модели и ее точностью (адекватностью). Имеется множество теоретических проработок этой проблемы, но их трудно применить для решения каждой новой задачи. Поэтому

248 Основные понятия и определения моделирования

__________________________________________________________________________________

разработчик модели, руководствуясь своими знаниями, оценочными (предварительными) расчетами, опытом, интуицией, мнением экспертов, должен принять решение об исключении какого-либо элемента или связей из модели, изъятии из рассмотрения второстепенных факторов, воздействующих на объект.

Процесс создания концептуальной модели, вероятно, никогда не сможет быть полностью формализован. Трудно придумать набор простых правил, выполняя которые, можно создать хорошую концептуальную модель. Именно в связи с этим иногда говорят, что моделирование является не только наукой, но и искусством.

Впроцессе разработки модели концептуальная модель итерационно (многократно) корректируется, уточняется. В результате повышается её точность, адекватность.

Термин «адекватность» (происходит от лат. adaequatus — приравненный, равный) означает верное воспроизведение в модели связей и отношений объективного мира. Этим термином характеризуют качество созданной модели.

Внауке, технике, экономике и других отраслях широко используется термин математическая модель (ММ). ММ — описание объекта исследования, выполненное с помощью математической символики.

Для создания ММ можно использовать любые математические средства — алгебру, дифференциальное и интегральное исчисления, регрессионный анализ, теорию вероятностей, математическую статистику и т. д.

Математическая модель представляет собой совокупность формул, уравнений, неравенств, логических условий и т.д. Использованные в ММ математические соотношения определяют процесс изменения состояния объекта исследования в зависимости от его параметров, входных сигналов, начальных условий и времени. По существу, вся математика создана для формирования математических моделей. И сама математика появилась из практики, как средство описания самых общих черт реальных объектов.

О большом значении математики для всех других наук (в том числе и моделирования) говорит следующий факт. Великий английский физик И.Ньютон (1643-1727 г.г.) в середине 17-го века познакомился с работами Рене Декарта и Пьера Гассенди. В этих работах утверждалось, что все строение мира может быть описано математическими формулами. Под влиянием этих трудов И.Ньютон стал усиленно изучать математику. Сделанный им вклад в физику и математику широко известен.

Математическое моделирование — метод изучения объекта иссле-

дования, основанный на создании его математической модели и использовании её для получения новых знаний, совершенствования объекта исследования или управления объектом.

__________________________________________________________________________________

Математическое моделирование можно подразделить на аналитиче-

ское и компьютерное (машинное) моделирование.

При аналитическом моделировании учёный — теоретик получает результат «на кончике пера» в процессе расчётов, размышлений, умозаключений. Формирование модели производится в основном с помощью точного

математического описания объекта исследования. Классическим примером аналитического мо-

делирования является открытие планеты Нептун на основании теоретического анализа движения планеты Уран. Расчеты выполнили французский астроном Урбен Леверье и английский астроном Джон Адамс.

Обнаружил планету Нептун немецкий астроном Иоганн Галле в точке небесной сферы, координаты которой вычислил У.Леверье.

При компьютерном моделировании математическая модель создается и анализируется с помощью вычислительной техники. В этом случае нередко используются приближенные (численные) методы расчета. Созданные компьютерные модели порой включают в себя наиболее прогрессивные информационные технологии, например, виртуальную реальность. При этом моделирование медицинской операции вызывает иллюзию реально происходящего события. Моделирование игровых ситуаций сопровождается мультимедийными эффектами (звуками, видеоэффектами, воздействием на вестибулярный аппарат).

Компьютерная модель – это модель, реализованная на одном из языков программирования (программа для ЭВМ).

Рассмотрим еще два понятия: полная математическая модель и макромодель.

Полная математическая модель — это модель, отражающая состоя-

ния, как моделируемой системы, в целом так и всех ее внутренних элементов. Полная ММ электронного усилителя позволяет определить потенциалы всех узлов схемы и токи через все радиоэлементы.

Макромодель проще полной математической модели.

Макромодель

адекватна в отношении внешних свойств объекта исследования. Однако, в отличие от полной математической модели, макромодель не описывает со-

250 Основные понятия и определения моделирования

__________________________________________________________________________________

стояние элементов, находящихся внутри объекта исследования. Например, макромодель радиоэлектронного усилителя определяет, как изменяются сигналы на входах (X и Z) и выходе (Y) устройства, но не дает сведения о том, как сигналы изменяются на каждом радиоэлементе, находящемся внутри усилителя (резисторах, конденсаторах, транзисторах и т. д.). Другими словами, полная математическая модель описывает и систему, и элементы, входящие в систему. Макромодель же описывает только систему моделирования. Макромодель отображает объект исследования в виде «черного ящика», содержимое которого не детализируется (не описывается).

Модель называется статической, если среди входных воздействий X и Z нет параметров, зависящих от времени. Статическая модель в каждый момент времени дает лишь застывшую «фотографию» объекта исследования, ее срез. С помощью статических моделей удобно изучать, например, принцип действия комбинационных цифровых устройств. С помощью статической модели невозможно исследовать частотные свойства цифровых устройств.

Модель называется динамической, если входные воздействия изменяются во времени, или если нужно определить, как изменяется состояние объекта исследования с изменением времени. С помощью динамических моделей исследуют, в частности, переходные процессы в электрических цепях (например, исследуют процесс установления колебаний в автогенераторе).

Модель называется детерминированной, если каждому набору входных параметров всегда соответствует единственный набор выходных параметров. В противном случае модель называется имитационной (стохастической, вероятностной). В стохастических моделях используются генераторы случайных чисел с различными законами распределения.

Рассмотрим ещё два определения.

Физическая модель — это материальная конструкция, создаваемая путём замены исследуемого объекта моделирующим устройством, отдельные свойства (характеристики) которого сходны (подобны) со свойствами объекта.

Физические модели используются в тех случаях, когда невозможно получить надёжные результаты с помощью информационных моделей.

К информационным моделям относятся модели, которые не являются материальными (физическими).

7.1.2. Понятие об имитационном моделировании

Объектами имитационного моделирования являются локальные и глобальные вычислительные сети, телефонные и телеграфные сети, системы энергоснабжения, транспортные системы, склады, автозаправочные станции, ремонтные мастерские и т. п.