Лекция 1. Современные технологии

Компьютерная виртуалистика

Литература:

1. А.В. Крапивенко.Технологии мультимедиа и

восприятие ощущений2. А.А. Жданов. Автономный искусственный интеллект3. Ф.И.Шарков. Интерактивные электронные коммуникации4. Д.Тиффин, Л. Раджасингам. Что такое виртуальное обучение5. Р.М. Юсупов, В.П. Котенко. История информатики и философия информационной реальности

Виртуальный образ – психический образ, отражающий процессы, происходящие внутри психики и управляющий ими человек, имеющий виртуальный образ, считает, что репрезентант этого образа объективно существует, вне

зависимости от человека.

Мы знаем, что мир, материя – это объективная реальность, данная нам в ощущениях. Это означает, что

мы получаем через свои органы чувств определенную информацию об окружающем мире.

Если мы подменим информацию об естественных объектах информацией об искусственных объектах, это

тоже будет мир, данный нам в ощущениях через наши органы чувств. Но вот это и будет мир виртуальной

реальности. Мир, созданный компьютерными средствами.

Виртуалистика - дисциплина, включающая научные и практические знания, занимающаяся виртуальными реальностями.

Виртуалистика - комплекс идей, направленных на объяснение природы виртуальных реальностей, идей, возникших за рубежом и у нас в стране, на волне развития компьютеров и информационных технологий.

Развитие информационных технологий и Интернета послужило созданию виртуалистики, а также создание различных устройств, обеспечивающих взаимодействие  людей с виртуальной реальностью (3D-очки, 3D-шлемы и т.д.).

Аретея – практическая виртуалистика. Основана на вполне определенной философии, строится по соответствующим философским представлениям о теоретических моделях и соответствующим теоретическим моделям экспериментальных

исследованиях.

Виртуальная реальность – реальность, независимо от ее природы (физическая, геологическая, психологическая, социальная,

техническая и проч.), обладающая следующим рядом свойств: порожденность (виртуальная реальность продуцируется активностью какой-либо другой реальности, внешней по отношению к ней; психологические виртуальные реальности порождаются психикой человека), актуальность (виртуальная реальность существует актуально, только "здесь и теперь", только пока активна порождающая реальность), автономность (в виртуальной реальности свое время, свое пространство и свои законы существования), интерактивность (виртуальная реальность может взаимодействовать со всеми другими реальностями, в том числе и с порождающей).

Виртуальное сообщество – сообщество людей, взаимодействующих через электронные средства коммуникаций (но это

же реальные люди)

Виртуальный семинар, виртуальное предприятие, виртуальная кафедра, виртуальный факультет, виртуальная лаборатория, «российская виртуальная обсерватория»

Виртуальное окружение  представляет собой новое мощное направление для человеко-машинного взаимодействия (человеко-машинные интерфейсы, интерфейсные устройства)

Ожидаемый выигрыш САПР от визуализации включает следующие аспекты: • высокая плотность технологической информации в цветных и векторных изображениях; • экономия времени при визуальном моделировании; • улучшенная коммуникация и документирование идей и фактов;• привлечение интуиции; • увеличение диапазона применимости САПР; • новые возможности при интерактивной визуализации (виртуальная реальность и прямое манипулирование)

Виртуальное окружение - идеальная обучающая среда.

Виртуальное окружение (Virtual Environment) рассматривается  как одно из самых значительных направлений в человеко-машинном взаимодействии

(зрительное восприятие, слух –стереозвук, прикосновение – перчатки, силовые жилеты,

устройства, действующие на вистибулярный аппарат)

Восприятие виртуальной модели с высокой степенью достоверности позволяет качественно

готовить специалистов в таких областях как:авиация

управление технологическими процессами медицина

дистанционное управление техническими средствами образование

   

По объему информации зрительная система с очень большим отрывом опережает остальные системы. Несмотря на то, что если даже не воспроизводится вся гамма

ощущений, которая необходима для охвата сенсорной системы, зрительной системе уже достаточно для того, чтобы считать систему системой виртуальной реальности,

если она обеспечивает интерактивность, ощущение реализма и так далее

Проекционные системы. Три вида проекционных систем

CRT-проекторы используют три электронно-лучевые трубки, производящие красную, синюю и зелёную компоненты изображения, сведённые вместе и сфокусированные на экране.LCD-проекторы имеют три жидко-кристаллических панели и яркий источник, свет которого разделяется на красную, синюю и зелёную компоненты, пропускается через соответствующие панели, затем вновь объединяется и проецируется на экран.DLP-проекторы используют специальную плату, состоящую из множества микроскопических зеркал, каждое из которых имеет два положения: отражающее свет в линзу с дальнейшим попаданием на экран, и отклоняющее его от линзы. Зеркала могут переключаться в течении микросекунд (десятки тысяч раз за кадр), что позволяет модулировать сигнал для получения непрерывных переходов яркости для каждого пикселя. Переключение цветовых компонент обычно производится с помощью быстро вращающегося колеса с тремя светофильтрами.

Бинокулярная визуализация:

• стереоскопические системы

• голографическая визуализация

• визуализация на объемных носителях (системы с 3D-

разверткой)

Стереоскопические системы О возможностях стереоскопической

визуализации стало известно достаточно давно, и устройство для рассматривания стереокартинок (стереоскоп) имеет более чем 200-летнюю историю. Первое «официальное» упоминание стереоскопа как такового датируется 1738-м годом (автор – Смит), изобретателем считается И.Уинстон (1833 год), а линзовый вариант, дошедший до наших дней, создан Д.Брюстером (1849 год). Наброски оптические схем, свидетельствующих о проведении опытов по бинокулярной визуализации, найдены и в работах Великого Леонардо

Одной из технологических проблем стереоскопии является создание условий для разнесения изображений стереопары по разным оптическим каналам, предназначенным соответственно для левого и правого глаза - сепарация полей стереопары.

Для этой цели применяются различные оптические схемы, из которых наиболее распространенными являются, пространственная, временная, поляризационная, а также цветовая (анаглифическая) и схема Пульфриха

Пространственная сепарация

Изображения, образующие стереопару (поля стереопары) располагаются на двух разных носителях, либо на  одном

носителе, но разделенном на две половинки. Принципиальным является то, что изображения не

перекрываются и могут независимо подводиться к глазам по разным оптическим каналам (шлем-дисплейных системы)

Временная сепарация

На один и тот же носитель (экран дисплея) последовательно выводятся правое и левое изображения стереопары. Синхронно с выводом изображений последовательно открываются и перекрываются правое и левое поля зрения. Для перекрытия используются высокоскоростные оптические затворы, чаще всего жидкокристаллические, размещенные в очковой оправе. Для синхронизации применяется специальная электронная или электронно-оптическая схема

Поляризационная сепарация

Они чаще всего используются для аудиторной стереовизуализации на больших экранах.

Используются два проектора, снабженные поляризационными фильтрами. Оба изображения

одновременно проецируются на экран из специального материала, обладающего минимальной степенью

деполяризации. Используются очки (широко применяемые в стерео-кинотеатрах) с поляризационными фильтрами,

ориентированными параллельно соответствующим фильтрам проекторов, вследствие чего каждый глаз получает

предназначенное для него изображение.

Цветовая(анаглифическая) сепарация

Используется особенность восприятия дополнительных цветов зрительным анализатором человека. В частности при использовании пар «красный-синезеленый», «пурпурный-зеленый», «желтый- синий»,

«оранжевый-зелено-синий» и т.д. В настоящее время стандартом является пара «красный-синезеленый» («red-cyan»).

Фильтрация приводит к маскировке одного из цветов пары. Благодаря этой особенности, на одном и том же носителе можно с перекрытием разместить два изображения, образующие стереопару, но окрашенные в

дополнительные цвета. Анаглифические стерео-изображения нужно рассматривать через цветные фильтры, пропускающие световые пучки

дополнительных цветов, к разным глазам (так называемые красно-синие или красно-зеленые очки).

Достоинством этой схемы является предельная простота устройства наблюдения стереопары-анаглифа (достаточно двух разноцветных

стекол или прозрачных пленок).

Недостатком является то, что при наблюдении возникает ощущение своеобразной цветовой гаммы, которое является неестественным и

может утомлять.

Эффект Пульфриха

Эффект Пульфриха связан с запаздыванием создания зрительным анализатором образа 3D-сцены в одном из каналов. Запаздывание

происходит, если, перед одним глазом размещается затемняющий светофильтр, а второй глаз воспринимает сцену без затемнения. Таким

образом, если сцена движется относительно наблюдателя в таком направлении, что глаз с затемняющим фильтром видит сцену раньше,

чем глаз без такого фильтра, слитный образ воссоздается по двум изображениям, которые при определенных условиях можно считать

стереопарой.

Наиболее  сильно эффект Пульфриха проявляется при рассматривании вращающихся тел, или видеофильмов, снятых при движении камеры по

кругу (желательно, чтобы оптическая ось была направлена к центру этого круга). Эффект заметно проявляется и при просматривании

видеофильмов снятых при линейном движении камеры (например, из окна автомобиля и т.п.).

Автостереоскопия

В настоящее время наиболее рпспространены два варианта автостереоскопических систем – линзо-растровые и апертурно-растровые, причем в последние годы начато массовое производство апертурно-растровых стереодисплеев с так называемым барьером параллакса (этому способствовало интенсивной развитие LCD-технологий).

Стереорежим (барьер параллакса включен)

Системы с 3D-разверткой

В определенном смысле их можно считать альтернативой голографическим системам. Принцип визуализации системах c 3D-разверткой основан на построении изображения 3D-объекта лазерным лучом на подвижном носителе. В качестве подвижных носителей использовались самые разные объекты - колеблющиеся мембраны (например, майларовые, натянутые вместо диффузора в кромкоговорителе, работающем на звуковых частотах), зеркала, вращающиеся поверхности . Проводились и проводятся опыты по непосредственной 3D-визуализации в жидкостях и газах, содержащих мелкие частицы, рассеивающие свет (пар, дым, аэрозоли, взвеси в жидкостях).

Ролик

Различные существующие в настоящее время системы VR

CyberStageCyberStage - это проекционная система размера комнаты (3мx3мx2.4м), которая включает: четырёхстороннюю CRT-проекцию активных стерео-изображений с шаттр-очками (Crystal Eyes), используемыми для объёмного восприятия; восьми-канальную пространственную проекцию звука, дополненную излучателями вибрации, встроенными в пол; датчики Polhemus Fastrak, контролирующие положение и ориентацию глаз пользователя и различных устройств взаимодействия (указка, джойстик и т.п.); суперкомпьютер SGI Onyx 2 с четырьмя графическими подсистемами Infinite Reality 2 и двенадцатью процессорами MIPS R12000, производящими четыре изображения 1280 x 1024 пикселей с частотой 120 Гц. Каждая подсистема в пиковом режиме генерирует 11 млн. треугольников в секунду                                        

i-CONE i-CONE - это проекционная система полного погружения, использующая прямую бесшовную проекцию активных стерео-изображений на широкоугольный искривлённый экран. Высота экрана 2.8м, радиус кривизны нижнего края 2.96м, верхнего - 3.3м. Полный размер полученного изображения 5760 x 1320 пикселей. Другие характеристики оборудования i-CONE аналогичны CyberStage.             

 

Responsive WorkbenchResponsive Workbench - это двухэкранная активная стерео-проекционная система. Для компактификации установки используется система больших зеркал высокого качества. В качестве основного графического вычислителя в этой системе может использоваться суперкомпьютер SGI Onyx с двумя графическими подсистемами Infinite Reality, производящий два изображения 1280 x 1024 пикселей с частотой 96 Гц. Электромагнитный датчик фирмы Polhemus, у которого измеряются все 6 степеней свободы, т.е. положение и ориентация, прикреплён к шаттр-очкам. Это позволяет системе вычислить перспективно правильное изображение для любого положения пользователя. Пользователи взаимодействуют напрямую с 3-мерными виртуальными объектами, находящимися в поле зрения, используя устройства ввода, у которых аналогичным образом измеряются положение и ориентация. Традиционные области применения Responsive Workbench - медицинская, инженерная, архитектурная визуализация.      

TeleportTeleport - это более простая мобильная проекционная система выставочного типа, использующая: • одностороннюю обратную проекцию активного или пассивного стерео-изображения; • компьютер SGI Octane или Onyx, графическая подсистема MXI или Infinite Reality, производящие два изображения 1024 x 768 пикселей с частотой 96 Гц; • вспомогательный компьютер SGI O2 для синтезирования звукового сопровождения; В качестве альтернативы к SGI компьютерам может быть использован более доступный Linux PC кластер.           

VEonPCVEonPC - это менее дорогостоящая, но также весьма эффективная мобильная система виртуального окружения, состоящая из:• проекционной системы, включающей два LCD или DLP проектора, снабжённых поляризационными фильтрами, специальный экран, обладающий наименьшими деполяризующими свойствами, прямую проекцию изображения, поляризационные очки; • две графические станции HP X4000 с графическими подсистемами ATI FireGL4; • вспомогательный вычислитель, используемый для синтеза звуковых эффектов, выполняющий также роль файл-сервера и маршрутизатора.   

Виртуальная клавиатура, «умная доска», тренажеры

Обучающие программы

Freeduino - программируемая через USB порт микро-ЭВМ, в которую можно загрузить любую программу и получить компактное автономное микропроцессорное устройство с заложенным в него Вашими функциями. Freeduino - совместимая с Arduino открытая платформа, популярная во всем мире, и наиболее известная именно под именем Arduino. Встречаются также и русские варианты написания: «Ардуино» и «Фридуино».

Сопоставление аналогии, модели и оригинала

Сущность Функция Отличительный признак

Результат

Аналогия Установление сходства

Создание образа

Не возможен эксперимент

Приближение к пониманию

Модель Замена реального созданным

Объект для изучения,

исследования реального объекта

Вариативность в процессе изменения

условий и параметров;

повышенный уровень наглядности

оставляет возможность

оригиналу быть объектом

экспериментирования

Создание объекта,

максимально приближенного к

реальному

Оригинал Объект природы

Объект исследования

Реально существующий

объект

Установление истины

Оригинал

Модель

Аналогия

Оригинал

Модель. Виртуальная машина

Результат

.386

.model flat, stdcallincludelib c:\myasm\lib\kernel32.libExitProcess proto :DWORD.codestart:mov eax, 15mov ecx, 12mul ecxinvoke ExitProcess, 0end start

Результат

Программа умножения,

написанная на ассемблере

Вывод символов с клавиатуры на дисплей

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ЦАП)

Компьютерная модель – это условный образ объекта, описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных рисунков, таблиц, схем, диаграмм,

графиков, анимационных фрагментов, гипертекстов;

- это отдельная программа или комплекс программ, позволяющий с помощью последовательности вычислений и графического отображения их

результатов воспроизводить процессы функционирования объекта при условии

воздействия на объект различных факторов

Виды компьютерного моделирования

Вид модели Выражение Средство выражения

Вид моделирования

Компьютерная

модель

На языке описания

Математические формулы

(математические пакеты)

Компьютерное структурно-функциональное, имитационное

компьютерное

Алгоритмы (среды программирования) Имитационное компьютерное

Технические программы

(схемотехнические пакеты)

Имитационное компьютерное

На языке представления

Статические рисунки (графические пакеты)

Компьютерное моделирование внешнего вида и структуры

объектов

Анимационные изображения (пакеты трехмерной графики)

Компьютерное моделирование внешнего вида и структуры

объектов

Результаты расчета напряжения при зарядке и разрядке конденсатора в пакете Excel

Компьютерная модель выражена на языке описания (математические пакеты)

E

R R

C

Компьютерная модель выражена на языке описания (схемотехнические пакеты)

Результаты расчета напряжения при зарядке и разрядке конденсатора в пакете Micro-Cap

Внимание на шаг расчета

Компьютерная модель выражена на языке представления (графический пакет Corel Draw)

+

-

U - m a xI=0

S a

U = 0I - m a x

Sб

+

-

U - m a xI=0

S в

U = 0I - m a x

Sг

Компьютерная модель выражена на языке представления (пакет трехмерной графики)

Схемотехническая модель – представляет собой

электрические схемы, которые выступают в роли

моделей электронных устройств и систем,

отвечающих заданным характеристикам

Пакет схемотехнического моделирования МС7

Пакет схемотехнического моделирования EW

Пакет схемотехнического моделирования Multisim

Схемотехническая модель передачи амплитудно-модулированного сигнала

Виртуальные приборы

Критическое осмысление достоверности полученной информации

Определение параметров DC-анализа (по постоянному току)

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода (DC-анализ)

Резонанс напряжений. Исследование признаков резонанса по результатам АС-анализа

Максимальное значение частоты, минимальное значение частоты

Результаты АС-анализа

R1=20 Ом

R1=60 Ом

R1=40 Ом

С1=20 мкФ

С1=40 мкФ

С1=60 мкФ

Описание материала по лабораторным работам1. Схемотехника

2. Лого-миры3. VisualBasic

Для курсовой организация видеоконференций