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Simulación Virtual Interactiva Aspectos teóricos para el desarrollo

de Simulaciones de Nivel Virtual

JAIRO UPARELLA BSc. Computer Science

CARTAGENA D.T. Y C., COLOMBIA © 2007

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“No es un Juego, es Simulación” (David Carradine, en AIRWOLF) RESUMEN Este documento permite a los interesados en este campo de la ciencia, entender la historia, evolución y finalidad de la Simulación en general, partiendo desde inicios de la llamada Guerra Fría. Está basado en una recopilación de toda una serie de escritos que aparecen en Internet y que he podido aprovechar al máximo para comprender el sentido o enfoque que se le da a la Simulación a nivel global, a nivel constructivo, virtual, etc. Quiero compartir este documento con los interesados en este tema, cuya temática al parecer es motivo de investigación en países que están enfocados a la ciencia, tecnología y desarrollo de dispositivos aplicables al entrenamiento de personas bajo sistemas virtuales, lo que aumenta su potencial y pericia en las tareas que deben realizar en el campo en que este se desenvuelve. Es mi deseo así formar parte de un grupo de investigación para el desarrollo de estos sistemas. This document allows interested in this field of science, understand the history, evolution and purpose of the simulation in general, starting from the beginning of the Cold War. It is based on a compilation of a great number of writings posted on Internet that I could take full advantage for understanding the meaning or approach of the global simulation, constructive, virtual, etc. I would like to share this document with stakeholders on this issue, whose theme seems to be interest in countries that are focused on science, technology and development of devices applicable to training people, which increases their potential and expertise on tasks to be performed in their fields. It always has been my desire to be part of a research group to develop these systems.

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Simulación Virtual Interactiva Conceptos básicos de simulación en general Por más de 60 años se ha mantenido un aparente desacuerdo de la definición de Simulación. Hoy en día sigue aumentando sus significados debido al crecimiento de los diferentes niveles o categorías. Podemos anotar que así como la ingeniería se basa en la capacidad creativa del hombre para diseñar o desarrollar sistemas reales a favor de la humanidad, soportada por las diferentes aplicaciones matemáticas, cálculo infinitesimal, vectorial y otras más, y siendo ésta especializada y orientada a diferentes campos de la ciencia como las computadoras, la electrónica, eléctrica, industrial y obras civiles, la simulación también se define como la capacidad creativa del hombre para diseñar o desarrollar modelos de sistemas reales y en lo posible estar unida en experimentación al mismo sistema. La Simulación Virtual o la Simulación de Nivel Virtual no necesariamente debe estar unida en experimentación al sistema real pues su finalidad es el entrenamiento independiente. Aclaremos entonces desde el principio las diferentes concepciones de la llamada Simulación. Lo que se denomina el método de la Investigación de Operaciones, y que se considera uno de los paradigmas de la Simulación Constructiva, se utilizó en el análisis de la incursión de submarinos alemanes en la Bahía de Biscane y buscaba resolver el problema logístico de la guerra nuclear. De aquí nacieron los Sistemas de Eventos Discretos – DES. Tal es el caso de la “Simulación de Monte Carlo”1 la cual hace parte de la Simulación Analítica de Sistemas, que a su vez, es capaz de producir simulaciones constructivas y permitir la evaluación y análisis inmediato de eventos. Estas simulaciones no se enfocan en el intercambio interactivo con gente durante su ejecución. Se puede así, ejecutar un proceso más rápido o más lento con respecto al denominado tiempo-real sin chocar adversamente con el factor humano. Las simulaciones analíticas se utilizan para estudiar problemas como la composición de la fuerza, la eficacia de las armas, y las ediciones de la logística. 1 El Método Monte Carlo se considera como una técnica para solucionar modelos utilizando números aleatorios (random). Hace parte de la denominada DES - Discrete Event Simulation – Simulación de Eventos Discretos. Los números aleatorios son una serie de números distribuidos idénticamente e independientemente en el intervalo de 0 a 1. El término "Monte Carlo" fue introducido por John Von Neuman y su nombre se debe a la ciudad de Monte Carlo (Mónaco), famosa por sus casas de juegos de azar. El método fue aplicado en aspectos de la bomba atómica.

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Uno de los pioneros de la simulación fue John Von Neuman (1903–1957), quien a finales de 1940 estaba convencido de que al ejecutar repetitivamente un modelo, se recogería datos estadísticos y conductas derivadas del sistema real, basada en esos modelos. De aquí nace el método de Monte Carlo, debido a las variables aleatorias que representan dichas conductas. Von Neuman utilizó este método para estudiar las acciones aleatorias que presentan los neutrones y la efectividad de misiones de bombardeo desde aviones. Junto a Stanislau Ulam, trabajó en el denominado proyecto Manhattan, en el laboratorio Nacional de los Alamos en California. Hoy se utiliza este método para determinar el máximo potencial de productividad en las empresas. Cuando se habla de eventos discretos, se refiere al hecho de que las variables de estado cambian instantáneamente en puntos distintos del tiempo. En una simulación continua, las variables cambian continuamente normalmente a través de una función en la cual el tiempo es una variable. La Simulación de Eventos Discretos – DES, se considera así, una de las técnicas fundamentales que se utilizan para reducir el riesgo en los procesos de toma de decisiones. El primer lenguaje DES específico fue desarrollado a finales de los 50s por la General Electric (K.D. Tocher – D.G. Owen) denominado the General Simulation Program –GSP, creado para estudiar problemas de manufactura y fue publicado en la Segunda Conferencia Internacional sobre Investigación de Operaciones. Por ultimo podemos incluir los Sistemas Expertos que han sido desarrollados para simular la experticia de profesionales de diversas ramas como la geología, la medicina, la química y otras, dichos sistemas pueden ser utilizados por personas que no son expertos en esas materias para realizar diagnósticos. La Inteligencia Artificial AI, es un área de la ciencia computacional relacionada con el desarrollo de simulaciones de inteligencia humana y con la construcción de herramientas que presentan características del comportamiento o conducta inteligente. Modelado El término modelo también tiene su variada connotación dentro del contexto de la Simulación. Inicialmente aparecen los “modelos matemáticos”, con lo que los sociólogos podían experimentar en un laboratorio como lo hacen los físicos. Un modelo también es un “simulador” o una representación de un sistema. Por ejemplo, los modelos estocásticos dan lugar a la técnica del Análisis de Monte Carlo. Los deterministicos, definen la Simulación Caótica y los modelos dinámicos y estáticos2 tienen o no en cuenta el factor tiempo. El modelado es el proceso de construcción de un modelo.

2 El término Estático es conocido en inglés como Steady-State.

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Hoy en día reconocemos con el término “modelo” a aquellos diseños tridimensionales3 que tienen una conducta propia dentro del ambiente virtual. Un buque puede ser controlado por la intervención humana, luego se necesitan algunos “modelos matemáticos” para que se puedan manipular a gusto “modelos tridimensionales” o “modelos geométricos”. Ahora, modelos como la niebla, nubes y el estado del mar pueden estar sincronizados con el sistema, dependiendo su ejecución en el tiempo. Siendo así, el modelado 3D consiste en la realización de una representación visual de un objeto o conjunto de objetos mediante una computadora o cualquier otro dispositivo que permita observar el modelo final desde cualquier ángulo. Con el fin de ubicarnos más en el concepto de Simulación Virtual Interactiva, objeto de este documento, se considera necesario hacer una revisión histórica de la simulación. Hoy en día, y como se dijo, simulación es un término controvertido, cuya definición es casi universal, pero con una connotación demarcada; se utiliza en muchos contextos debido a la aplicabilidad que ofrece en diversas ramas de la ciencia y de donde a su vez, se fundamenta con la física, matemáticas, estadísticas, investigación de operaciones, y otras. Por eso no es raro escuchar a un Economista hablar de simulación, a la vez que un Ingeniero de Sistemas o un Ingeniero Industrial. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (Advanced Research Projects Agency – ARPA) en aspectos de Defensa, inició un programa llamado Simulator Networking – SIMNET, para crear los múltiples simuladores de tanques que se podrían enlazar a través de red tales que cada uno podría detectar, designar, y destruir a otros tanques. Este programa dio lugar al establecimiento de los principios importantes para la interacción de la simulación y la creación de un protocolo de red para intercambiar datos esenciales. SIMNET era el precursor de los protocolos interactivos distribuidos de la simulación DIS – Distributed Interactive Simulation. DIS procuró generalizar la tecnología de SIMNET de modo que pudiera ser aplicado a una variedad más amplia de simuladores de vehículos de combate tales como carros, helicópteros, naves y soldados. Al mismo tiempo, los miembros del grupo de entrenamiento constructivo desarrollaban los métodos para enlazar simulaciones con los eventos de combate a un nivel más alto. Los componentes de SIMNET se han convertidos en modelos estándares de la Simulación Distribuida. Esta compuesta por:

Interface de red – permite interoperar con otras simulaciones. Software generador de Imágenes – Crea imágenes a full color para representar el escenario a la audiencia en entrenamiento.

3 Conocidos también por “Objetos” los que operan bajo esquemas de Jerarquías.

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Interface de control y visualización – Convierte la información digital de los computadores a información que puede ser visualizada en instrumentos en un vehículo. Transforma las entradas del entrenado a señales digitales que puedan ser procesadas por las computadoras. Tabla de estados de otros vehículos – Sigue el estado de los otros vehículos en un escenario. Dinámica del vehículo propio – Software utilizado para modelar el vehículo en el cual el entrenado está sentado. Genera movimientos, disparos y comunicaciones. Generación de sonido – Recrea sonidos de combate, el sonido de los tanques, máquinas contra el terreno, disparo de municiones y las explosiones en los alrededores.

La Simulación Distribuida Interactiva DIS, es un protocolo estándar para la denominada Realidad Virtual Distribuida (IEEE 1278.1a). Podemos decir que DIS, está enfocada a unir simulaciones de nivel virtual y se le conoce como Simulación Virtual del Combate. La arquitectura de DIS no cuenta con un servidor central, es decir, es totalmente descentralizada donde cada computadora en red maneja alguna entidad. (Self Contained Entity Based Representations). A esto se le conoce como dead–reckoning, lo que permite disminuir el número de mensajes y crear simulaciones a gran escala. Cada maquina controla algunas entidades como tanques o helicópteros. El dead–reckoning consiste en mandar la posición y velocidad de una entidad a las demás computadoras para que estas lo dibujen. Cuando el mensaje que se envía es para indicar que se está vivo o activo, se le denomina heartbeat.4 De esta forma, por fallas del sistema o congestión de la red, se sabe que un objeto puede estar bloqueado e inactivo, por lo que cada simulador debe quitarlo de su mundo virtual. El Sistema Distribuido de Juegos de Guerra – Distributed Wargame System – DWS, enfocado a ciertos ejercicios, demostró la viabilidad de seguir unidades militares en otras simulaciones y designarlas con eficacia y exactitud. Este experimento conduce al desarrollo del Protocolo de Simulación del Nivel Agregado – Aggregated Level Simulation Protocol – ALSP, para demostrar el entrenamiento interoperable a nivel staff y creado por la Comunidad de Nivel Constructivo. ALSP ligó siete simulaciones existentes de cada servicio militar proporcionando los mensajes de red y los servicios de software para asegurar consistencia y causalidad entre las simulaciones. Otros modelos de este tipo corresponden al Sistema de Simulación Táctica – Tactical Simulation – TACSIM y Simulación de Guerra Electrónica – Electronic Warfare Simulation – EWS. 4 En lo posible respetamos la traducción de estos términos y es preferible utilizarlos en inglés con el fin de no crear confusiones.

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La Oficina de Modelado y Simulación para la Defensa – Defense Modeling & Simulation Office – DMSO, ha desarrollado la Arquitectura de Alto Nivel – High Level Architecture –HLA para sustituir DIS y ALSP, métodos que según los expertos en el tema han demostrado ser el mismo sistema específico y no proporcionan una solución general de la interoperabilidad que puede apoyar los sistemas y las misiones futuros de la simulación. Evolución de la Simulación La simulación ha evolucionado a través de siete categorías distintas. Entendiendo estas categorías, se proveerá de una sólida experiencia para entender el dominio completo de la simulación. Se explicará de manera breve en que consiste cada una de ellas y haremos énfasis en las que nos permiten proyectar los fundamentos de nuestro estudio.

Figura 1. Categorías de la Simulación. Ensayo en vivo – Esto es, personas que se entrenan antes de formar parte del evento real.

Se habla así de los “zafarranchos o simulacros”. Un marino o soldado, se prepara a través de diferentes ejercicios de pensamiento, habilidad y destreza, para que llegado el día de un combate real, tenga la capacidad para enfrentar al enemigo, sin temor y con mayor decisión. Un bombero puede y debe cumplir esta tarea. Pero, ¿será que podemos incluir a un ciclista, un patinador, un nadador o cualquier deportista, que cumple con esta norma para poder obtener una medalla? Teniendo en cuenta el concepto militar de esta categoría, de ella se desprenden dos, las cuales hacen parte del Entrenamiento Asistido por Computador, como son los Juegos de Guerra y la Realidad Virtual.

Ensayo en Vivo

Juegos de

Guerra

Realidad Virtual

Análisis de

Sistemas Entretención

Simulación de Eventos Discretos

Interoperable

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Juegos de Guerra – Evento en el cual la destreza en la toma de decisiones y el uso de activos, manejo de personal y control del presupuesto, son lo indispensable para los entrenados. Sólo las entidades militares hacen uso de este entrenamiento. Está basado en la Investigación de Operaciones.

Realidad Virtual – Es la inmersión de un grupo de trabajo, personas, equipos o individuos en un mundo generado por computador para estimular sus conductas reactivas. Con otro juego de palabras podemos decir también que, para estimular su aptitud para hacer o desarrollar algo. Análisis de Sistemas – Se utiliza para predecir el futuro o para realizar pruebas sobre las capacidades de un sistema disponible ahora. Simulación de Eventos Discretos – Técnica para estructurar el mundo como una serie de eventos secuenciales que determinen el estado de ese mundo. Entretenimiento – Es la aplicación de métodos científicos en juegos de simulación, video–juegos y otros productos de entretenimiento masivo. Interoperabilidad – Tecnología para enlazar múltiples simulaciones con el fin de que se pueda interactuar en un mundo virtual compartido. Un juego de guerra se puede enlazar con un simulador virtual local táctico proporcionando mayor realismo y capacidad de entrenamiento. De estas categorías, tendremos en cuenta las definiciones de Realidad Virtual e Interoperabilidad. No podemos introducirnos en otras definiciones debido a la finalidad y aspectos que intervienen en la definición de la Simulación Virtual Interactiva. La siguiente lista proporciona un resumen de los aportes de las categorías generales: Pueden ser utilizadas para ayudar a pensar sobre un problema. Pueden aportar a la comunicación de ideas a otras personas. Tienen valor en el entrenamiento de personas para ejecutar tareas o

entender nuevas ideas. Son herramientas para predecir el futuro de un sistema basado en

información acerca del pasado y presente. Pueden ayudar a los científicos a conducir experimentos. Aportan mucho al entretenimiento.

Según el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, las simulaciones han evolucionado en todos los frentes. Como resultado, ha sido difícil establecer sus categorías o compararlas. Sin embargo, el Consejo para la Ciencia de la Defensa (Defense Science Board), presentó la mejor categorización de la simulación para la

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defensa, facilitando la comunicación con la comunidad. Ninguna simulación encaja perfectamente en una categoría, pero cada simulación es dominada por las características de una de ellas.

Simulación Constructiva – Utilizada en Juegos de Guerra, para mejorar la habilidad en la toma de decisiones. Simulación Virtual – Se utilizan los gráficos de computador para estimular a los soldados o marinos, que operan equipos de combate. Simulación Viva – Simulacros de combate en un medio no letal. Simulación Analítica – Es el uso de modelos con el propósito de entender el funcionamiento de un sistema. Simulación de Ingeniería – Modelado de piezas individuales de equipos para el propósito de mejorar su funcionamiento. Simulación de Pruebas – Uso de ambientes virtuales para estimular equipos reales con el fin de medir efectivamente sus características de alcance.

De estas categorías, tendremos nuevamente en cuenta la definición de Simulación Virtual, con un cambio importante. En la Simulación Virtual se utilizan los gráficos de computador para estimular a un entrenado o entrenados, que operan equipos de trabajo. Este procedimiento es definido como Virtual Environment Training System – VETS – o Sistemas de medios virtuales para el entrenamiento. Podemos citar tres ventajas para ejecutar ejercicios en ambientes virtuales: Simplemente son baratos Un ejercicio se puede distribuir y varias personas se pueden entrenar en un

campo específico. La simulación es más segura que los entrenamientos físicos.

Modelado & Simulación Primero que todo, analicemos con detalle las definiciones de los principales aspectos y por lo tanto una vez más, la definición que se tiene para Simulación. Por lo general, un modelo es una representación física, matemática o de otra manera lógica de un sistema, de una entidad, de un fenómeno o de un proceso. El anterior término definido por el DoD, nos obliga a establecer una definición para los términos sistema, entidad, fenómeno y proceso.

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El término sistema para nuestro interés lo definiremos como un conjunto de elementos interrelacionados entre los que existe cierta cohesión y unidad de propósito. En él se puede considerar un sistema de cómputo, el sistema digestivo, la embotelladora de líquidos, el aeropuerto, el sistema solar, por ejemplo. Cuando hablamos de entidad nos referimos a su connotación de colectividad, es decir aquello que denota un conjunto de personas o cosas, por ejemplo, el ejército o un avión. Por su parte, fenómeno, podemos definirlo en dos formas: Como una cosa o hecho que puede percibirse por los sentidos y como una manifestación de una actividad que se produce en la naturaleza. Ejemplo de esto es el toque virtual, los fenómenos atmosféricos y el sonido. Por último, el término proceso, el cual consiste en el desarrollo o las fases sucesivas de un fenómeno. También se define como un método o sistema adoptado para llegar a un determinado fin. Un modelo entonces puede ser representado físicamente, matemáticamente o en una forma lógica a la que se puede llamar representación virtual. Lo cierto es que no todo modelo que se represente virtualmente, se puede representar matemáticamente y viceversa. Prácticamente uno complementa al otro. El término virtual se aplica a aquello que tiene existencia aparente o potencial pero no real o efectiva. Nuestra imagen en el espejo, por ejemplo, los físicos la denominaron imagen virtual. Esto quiere decir, que si bien representa una entidad o un sistema, este carece de realismo y por esto se dice que pertenece al mundo virtual o sintético. También se refiere en su abstracción más representativa, al ambiente tridimensional. Así que en este documento nos referimos al término virtual como la representación tridimensional con movimiento propio en el tiempo, de un sistema, una entidad, un fenómeno o un proceso, incluso un dispositivo que represente uno real. Sólo si se presenta este caso podemos incluir aquí los aspectos bidimensionales o 2D que interactúan con el sistema virtual. Un ejemplo claro es el de un simulador de vuelo, el cual se puede constituir en un sistema que representa una entidad como el avión, viajando a través de ciertos fenómenos naturales (clima) y procesos como el despegue y aterrizaje y es controlado por un sistema de navegación bidimensional. El término virtual se aplica a los dispositivos o ambientes simulados no al entrenamiento. El término sintético se refiere al hecho de resumir en un ambiente los aspectos de la realidad (método de sintetizar) aunque en la práctica se mantiene el sinónimo de artificial. Un ejemplo es cuando decimos que la simulación nos proporcionar una percepción de ciertos problemas donde la evaluación matemática de un modelo no

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es posible, pero lo podemos representar de forma tridimensional. Entonces podemos hablar de ambiente sintético. Semánticamente, síntesis es la operación inversa del análisis. Otro término que se ha venido utilizando muy reiteradamente es ambiente, el cual lo podemos definir como el conjunto de circunstancias físicas que rodean a un ser vivo y que influyen en su desarrollo. Entonces, dentro de éste ambiente sintético se encuentran resumidos los modelos que representan un sistema, entidades, fenómenos y procesos. Hablamos entonces de ambiente 3D o Virtual environment VE. La Simulación es la técnica de imitar la conducta de ciertas situaciones o sistemas (económicas, mecánicas...) por medio de un modelo análogo, situación o aparato, bien sea para ganar información convenientemente o para entrenar personal. En palabras más sencillas, Simulación es ejecutar un modelo, representado por un software y que nos entrega información. La Simulación Virtual es por lo tanto, un método para poner modelos en ejecución con el fin de entrenar de manera efectiva a un grupo de personas en un aspecto común. Tal es el caso de un simulador de navegación, para entrenar al personal conformado por un comandante y una tripulación. Otro ejemplo es el simulador de cirugía, para entrenar en ciertos procedimientos quirúrgicos y aspectos de la anatomía a un grupo de médicos y enfermeras. Hemos querido utilizar otro término que enfatice y acompañe a la definición de Simulación Virtual y se refiere al concepto interactivo. No todos los entrenamientos son interactivos, es decir, existen modelos y simulaciones con los cuales no podemos extraer y/o compartir sensaciones o comunicarnos en el tiempo. La interactividad significa “con acción”, “por efecto”, “acción recíproca entre objetos, fuerzas o funciones”. El toque virtual, consiste precisamente en poder sentir de cierta forma un objeto que pertenece al mundo virtual sintético. En una cirugía de corazón, se podría sentir el palpitar del mismo, con un objeto que simule la sensación recibida – retroalimentación táctil –. Tal procedimiento se dice que es interactivo. Pero en otras palabras, queremos compartir sensaciones y comunicarnos en el ambiente virtual a lo largo del tiempo. Nuestros sentidos son excitados o estimulados por efectos que proceden del ambiente virtual, sea cual sea su naturaleza. Un juego en la red entre varios jugadores se dice que es interactivo. Estos son ejemplos de la Simulación Virtual Interactiva. Por lo tanto, la interactividad es la capacidad del usuario para cambiar el resultado de un evento o un proceso. La Simulación Interactiva es la representación de un evento, cuyo resultado es modificable por el usuario. Pero la tendencia va más allá. Con al ayuda de la electrónica, podemos crear sistemas que nos permitan interactuar y navegar en el ambiente virtual. La Realidad Virtual, por lo tanto, nos proporciona los conocimientos para el desarrollo de sistemas inmersivos y no

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inmersivos. Son inmersivos porque nos hacen estar directamente relacionados o interactuar a través de nuestros sentidos con un mundo virtual. Un guante o un casco, e incluso un sistema virtual para el entrenamiento, son sistemas inmersitos, ya que permiten que el usuario pueda sentirse “sumergido” en el interior del mundo virtual. El instrumental quirúrgico para la intervención en cirugía virtual interactiva, se le conoce como haptic, del griego haphe –– lo que concierne a la sensibilidad de toque. Los haptic también se utilizan en otras aplicaciones como los simuladores de vuelo. Los steering wheels de los juegos de autos tienen vibradores–– una especie de haptic para sentir la carretera. Dentro de la Realidad Virtual, además de los sistemas de visualización y el toque virtual, un aspecto importante que incluiremos en este tratado de la Simulación es el sonido. El sonido es otro efecto de sensación producido por los sistemas inmersivos. Existen bibliotecas que proporcionan ciertas funciones para producir salida de audio de alta calidad – high–quality audio, en especial salida multicanal de arreglos 3D de fuentes (sources) de sonido alrededor de un oyente (listener). En resumen, la Realidad Virtual está enfocada a la creación de interfaces de navegación (en el espacio 3D), visuales, táctiles y auditivas (incluso olfativas). La Simulación y la Realidad Virtual se desarrollan en un medio de soportes recíprocos de combinación natural la cual en ciertos aspectos una es complemento de la otra y viceversa. Por último podemos agregar que la Simulación Virtual Interactiva es para propósitos de entrenamiento. Pasos para diseñar una Simulación Virtual Interactiva Para llegar a un completo sistema (hardware y software) desarrollado bajo las tecnologías propias y agregadas de la Simulación Virtual Interactiva, se deben seguir los siguientes pasos: Abstracción del modelo – Cualquier sistema puede ser representado en múltiples niveles de abstracción. El más natural y accesible es la representación visual en 3D. Los modelos matemáticos son muy abstractos y se tornan difíciles de representar en 3D, lo que los hace menos accesibles a las personas y el entendimiento será mínimo. Base de datos – Es el medio que permite la representación de entidades y sus atributos en un ambiente distribuido. Las bases de datos son particionadas en los diferentes ambientes. Cada partición representa un conjunto específico de objetos y parámetros completamente distintos de otros ambientes. Jerarquía de objetos – Establece el orden jerárquico de los modelos, definiendo el movimiento de general a especifico y grados de libertad que se necesite, para cada objeto o conjunto de objetos.

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Modelado 3D – Consiste precisamente en la creación de los modelos en 3D, aplicándoles texturas de materiales diversos, para luego ubicarlos en el ambiente virtual. Aplicación de la física – Esto es, aplicar modelos matemáticos para crear la conducta que tendrá cada modelo 3D acorde con su especialidad. Hay que aclarar que no todos los modelos tienen un comportamiento basado puramente en la física aunque ésta lo explique mejor, por lo tanto debe aplicarse patrones de conductas en relación con la finalidad y funcionamiento del modelo. La trigonometría permite crear patrones de desplazamiento en relación con la velocidad o aceleración del objeto. Así que, la aplicación de la trigonometría y la geometría analítica de forma independiente permiten la recreación de otros modelos matemáticos que afectan la conducta de los modelos tanto como la física. Animación – Con base en el concepto anterior, consiste en ejecutar los modelos que permitan representar la cinética de cada uno, con el fin de integrarlos en el ambiente con sus respectivos spcripts o estructuras de control por software. Estos scripts o controladores pueden ser remotos o locales. Establecimiento de Interfase o Protocolo – Definir las reglas de comunicación y sonido que tendrá el software con los sistemas distribuidos, electrónicos u otros módulos en software o hardware que entregan información o reciben datos de los modelos del ambiente 3D. Elaboración de circuitos electrónicos – Diseñar y construir los circuitos electrónicos de recepción y control del ambiente 3D, basados en microcontroladores o dispositivos de control y comunicación. Justamente, lo que proporciona la Realidad Virtual.

Figura 2. Elementos de la Simulación Virtual Interactiva.

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Propósitos de la Simulación Virtual Interactiva Una vez definida la Simulación Virtual Interactiva, establecer su nivel en la Simulación y sus fundamentos, podemos citar una innumerable lista de propósitos que esta categoría proporciona. En otras palabras, podemos citar otros escenarios. Hemos escuchado hablar mucho del simulador de vuelo, al parecer el producto que encabeza la lista y debido a que es el más común de los sistemas virtuales jamás creado. Precisamente es uno de los propósitos que se tienen al construir modelos de vuelo ya que permiten el entrenamiento en aviación. Pero hay otros y gran cantidad de productos que se pueden tratar bajo esta categoría y no necesariamente deben ser tan extensos como un simulador de vuelo. Se trata de crear prototipos que reemplacen al real con el fin de proporcionar más tiempo de entrenamiento a menor costo. En una escuela de mecánica automotriz., usted tendría que por lo menos tener una serie de piezas mecánicas, un motor y muchos otros accesorios que conforman un auto. Además, debe invertir en la gasolina que se necesita para explicar el funcionamiento del motor, si es que ya esto es un lujo que no puede permitirse. Por otra parte, usted dicta cursos y expide la licencia de conducción y otros documentos necesarios para que su cliente pueda transitar por las carreteras. Un sistema virtual interactivo, le puede ahorrar muchos de los elementos que usted requiere para llevar un negocio de entrenamiento. Virtualmente usted puede contar con un motor de cuatro o seis cilindros, funcionando y sonando como el motor más afinado. Tendría la posibilidad de desarmarlo y armarlo en menos de una hora. Con un sistema electrónico completo, podría encender el auto y por sistemas mecánicos virtuales, explicar el funcionamiento de la caja de embrague y el sistema de frenos. Todo esto sin untarse las manos de grasa. Virtualmente, puede tener la carretera y la ciudad con todos los símbolos de tránsito, para que pueda exponerlos a su cliente. Su alumno puede practicar más horas que si lo hiciera en un auto real. En una escuela técnica o universidad, para la producción de piezas metálicas, se hace una inversión en la adquisición de maquinas de manufactura, ensamblado, troqueles, moldes o fresado. Un sistema virtual puede generar estas piezas bajo el mismo esquema de entrenamiento. El sistema funciona de la misma forma que el equipo real, sólo que las piezas son vistas en la pantalla de un monitor y no necesariamente se deba invertir en la creación de la pieza real. Varios sistemas de estos darían un soporte educativo de mayor capacidad. Otras herramientas virtuales pueden ser, el torno, rectificadoras, mesa de cepillado, taladros o perforadoras y simulación 3D del proceso de mecanizado, que ofrecen un entrenamiento y aplicabilidad a los interesados para que ellos puedan fácilmente operar un sistema real. En otras palabras, un sistema CAD/CAM Virtual. Se debe comparar con el número de licencias y el costo de un producto real. La robótica se considera que en su totalidad debe ser mecano electrónico. Un robot virtual, puede ser manipulado por los estudiantes y de él se evaluará los movimientos y articulaciones

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que posea. La inversión electrónica es mínima, si se desea controlar a distancia a través de los puertos de comunicación. La academia de medicina se beneficia de un simulador virtual por el hecho de permitir interactuar con un cuerpo virtual, el cual posee todos y cada uno de los órganos que definen la anatomía humana. La escuela de medicina puede permitir a sus estudiantes avanzar más rápido en el conocimiento anatómico y práctica de la cirugía. La geografía física es reproducida en ambientes virtuales, reemplazando al mapa común, ofreciendo un aspecto real de ríos y montañas al estudiante, con un sistema de información completo manipulando coordenadas y midiendo distancias. Los planos topográficos pueden ser ahora mejor estudiados comparando con un ambiente virtual del terreno. La construcción de edificaciones virtuales, permite al propietario vender finca raíz de manera rápida, interactuando dentro de dicha edificación. En un centro comercial virtual se puede orientar mejor a la clientela a la hora de solicitar información relacionada con locales y productos. La carpintería, plomería, instalaciones eléctricas son aspectos que se pueden representar de manera virtual y algunas con funcionamiento. Los lugares turísticos, la simulación urbana y recorridos virtuales de espacios públicos, y en general las maquetas arquitectónicas también pueden ser soportadas por esta categoría La maquinaria minera y agrícola pueden ser reproducidas virtualmente para explicar a los interesados el funcionamiento real de cada maquina y su propósito. Las minas, oleoductos y tuberías en general, pueden ser trazados de manera virtual, compartiendo espacio con el terreno o situación geográfica, que incluso puede operar con un sistema real de orientación y seguimiento de dichas instalaciones. La manipulación de válvulas, control de regadío y acueductos son ahora mejor controlados con sistemas virtuales en caso de establecer una interfaz con el sistema real. La escuela de navegación se beneficia de los dispositivos electrónicos que se conectan a ambientes de mar y océanos virtuales. El aprendizaje de la operación de un GPS, ecosonda, radar y otros, es ahora más fácil con un sistema virtual que represente el interior de un buque. Incluso, las empresas de seguridad y vigilancia, escolta y de policía se pueden ahorrar el gasto en municiones a través de simuladores de tiro virtual interactivo, entrenándose en análisis de tiro bajo situaciones de riesgo y emergencias. La Simulación Virtual Interactiva, está soportada además del diseño 3D y la tecnología de las computadoras por la electrónica, la mecánica, las matemáticas, la física, la geometría analítica, la trigonometría, los métodos numéricos, las

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ecuaciones diferenciales, las comunicaciones, y muchas otras ciencias al igual que ofrece soporte a muchas disciplinas. En esta categoría se puede dar un apoyo importantísimo a los juegos de video, por su parecido estructural con los productos desarrollado bajo este entorno. Si bien los juegos de video se desarrollan bajo ciertas fórmulas de la física y matemáticas, están orientados al entretenimiento en entrenamiento informal y por lo tanto implica una metodología basado en la Teoría del Juego, orientado a las estrategias de pensamiento y niveles a superar. Por lo general la posición del Avatar (uno en el juego) y otros elementos se ejecutan en una Simulación Local, pero puede interactuar en red con otras entidades al nivel de Simulación Distribuida. Metodología para el desarrollo de simulaciones A continuación se explica de manera general y formal, la metodología para el desarrollo de simulaciones aplicable a todas las categorías existentes. Conforme vayamos introduciéndonos más en el concepto de la Simulación Virtual, conoceremos aspectos relevantes de la metodología. Este procedimiento metodológico está basado en la norma DOD Instruction 5000.61 de 2003, DoD Modeling and Simulation (M&S) Verification, Validation, and Accreditation (VV&A). A partir de 1996 el DoD ha implementado algunas políticas, normas para la asignación de responsabilidades y procedimientos resumidos en lo que se denominó VV&A del Modelado y la Simulación (M&S)5. A continuación se describe algunas de las normas más importantes del Modelado y la Simulación actualizadas el 13 de Mayo de 2003. Es posible que para la edición de este documento, se haya actualizado esta norma, pero para dar a conocerla al lector, esta es la primera y suficiente para el objetivo esperado. VV&A Instruction 5000.61 del DoD Esta norma indica que debe ser esencial que todas las simulaciones estén probadas para establecer su exactitud y conveniencia para los problemas específicos. Este proceso se conoce como Verificación, Validación, y Acreditación. Éstos se aplican en un Ciclo del desarrollo de la simulación que asuma que el sistema del mundo real que será replicado, está identificado y su modelo conceptual, explicado más adelante, está definido. Estos tres aspectos forman los puntos de un triángulo donde VV&A se utiliza para asegurar que la transformación a partir de un punto al siguiente sea exacta.

5 Tomado de las aplicaciones de las Oficinas de Modelado y Simulación de los Estados Unidos.

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Figura 3. Proceso del desarrollo de la Simulación. El ciclo de desarrollo de la simulación El sometimiento de un software de simulación para su aprobación tiene previos y posteriores procesos en el ciclo de desarrollo que acompañan al VV&A. A continuación se describe completamente dicho proceso: Espacio del problema – Aquí se establecen los objetivos del proyecto, definir las limitaciones del mismo y las interfaces e interoperabilidad con el sistema o sistemas externos. En esta etapa se detecta que existe una necesidad informática. Podemos analizar con detenimiento el problema como causa de un efecto que espera ser solucionado y con la convicción de que así se hará. El hecho de plantear una solución a un problema, en cierto grado se refiere a que se conoce las causas que lo producen y que se tienen herramientas para el desarrollo de dicha solución. El problema debe ser identificado en principio por los que lo padecen y no por quien dará la solución. Este último propone a través de un diseño apropiado, unas respuestas que deben ser estudiadas por el interesado a resolver el problema y opinar cuál se ajusta a la realidad y qué modelos son los más prácticos. Definir el Modelo Conceptual – Descripción del sistema basado en algoritmos, entrada requerida y generación de la salida. Determina el uso apropiado de la simulación. Incluye la cantidad de tiempo, número de personas, equipo para producir y operar el modelo. Un modelo conceptual debe ser una abstracción del modelo al nivel más alto. Diagramas de flujo programáticos, algoritmos estructurales, cuadros sinópticos, esquemas de tablas relacionales, análisis de comportamientos y cualquier tipo de descripción que permita establecer todos los parámetros, procesos y funcionalidades de la simulación. El modelo conceptual

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encierra prácticamente todo lo que implica y aporta la simulación, desde la forma de entrada de los datos, cómo son procesados y bajo qué aspectos muestra una información útil. En general, los aspectos esenciales del mundo real se deben capturar en el modelo conceptual que representa el problema a tratar. Recolección de datos de entrada – Datos necesarios para la operación y evaluación del modelo. Por lo general son datos que permiten la ejecución de la simulación, aportan a la configuración de ciertos parámetros bajo la cual la simulación debe ser ejecutada. Algunos cambiarán su valor para convertirse en información. Construcción del modelo – Se realiza una representación lógica y matemática del sistema descrito en el modelo conceptual. Esto es, crear un software que muestre la funcionalidad de la simulación, ya sea por módulos o subprogramas que manejen de forma directa, los archivos de datos que afectan el modelo global. Al nivel de hardware, se establece la construcción de un prototipo6 o dispositivo que demuestre la funcionalidad mecánica o electrónica del modelo físico. VV&A – Expliquemos de manera independiente este proceso en el cual se somete a consideración la simulación actualmente en desarrollo.

La Validación es el proceso de determinar el grado en el cual un modelo conceptual es una representación exacta de esa porción del mundo verdadero, es decir, que refleje los aspectos o ámbitos del problema. Esto es, determinar si el software y por ende un prototipo, es consistente con el mundo real a través de comparación y experimentación con el grupo de datos. En paráfrasis, la validación se describe a menudo como contestar a la pregunta, “¿estamos construyendo el producto adecuado?”. En caso de no lograr el propósito, una falla o desacierto, se remite al modelo conceptual. La Verificación es el proceso de determinar que el software es una “puesta en práctica” exacta del modelo conceptual. Este proceso asegura que el software realiza las operaciones descritas en el modelo conceptual. La verificación se describe a menudo como contestar a la pregunta, “¿estamos construyendo adecuadamente el producto?”. En caso de no lograr con el objetivo, se remite a la etapa de construcción del modelo, desarrollo del software o prototipo. La Acreditación es la aceptación o certificación oficial del software o prototipo. La Acreditación es la determinación de sí la simulación es aceptable para el propósito especificado. La acreditación define el sistema de los problemas para los cuales una simulación es un modelo útil. En la acreditación se puede alcanzar el grado de Credibilidad, según el DoD, es la

6 Definido formalmente como prototipo experimental, lo cual indica que no necesariamente debe ser el desarrollo inmediato del producto final.

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relevancia que el usuario ve en un modelo y la confidencia de que el modelo puede servir a sus propósitos.

Diseño experimental – Identifica los métodos para generar las respuestas esperadas, así como las estrategias para selección de los escenarios a simular. Cuando hablamos de escenario, nos referimos a la descripción de un ejercicio. Este término también se aplica para describir un terreno, ambiente o conjunto de condiciones iniciales y tiempo de eventos significativos para el alcance de objetivos en un entrenamiento. También se refiere a la descripción conceptual de las capacidades, conductas e interacciones entre entidades en la unidad de tiempo, así como a las condiciones relevantes del medio ambiente. El término escena (scene) se refiere a un conjunto cualquiera de objetos tridimensionales (modelos, cámaras, luces) que se visualizan en pantalla. Ejecución de la Simulación – Permite la ejecución dependiendo de los resultados obtenidos en el Diseño Experimental. Según el DoD, es la ejecución en tiempo real de una aplicación de simulación. Recolección de información de salida – Organiza y Almacena la información de salida. Permite hacer un control de la simulación, buscando posibles errores esporádicos que permitan modificar oportunamente el modelo en software o prototipo. Analizar la Información – Un estudio sobre la información arrojada en la salida puede ser establecido por gráficas, tabulación y otros. Este análisis puede ser estadístico, matemático o conceptual. Documentación de los Resultados – La documentación permite llevar un historial de los resultados para estudios futuros. Conocer la historia, nos evita a repetir los errores del pasado y proyectarnos mejor hacia el futuro. Expansión del modelo – Identificar los modelos que pueden ser útiles en otros proyectos y permitir la extensión de los actuales. Es de aclarar, que esta metodología se aplica sólo en la etapa de diseño y construcción de los modelos y prototipos de simulación, lo cual quiere decir, que una vez implementada, debe existir una metodología de ejecución que es establecida para los usuarios. Aspectos esenciales del desarrollo de la Simulación Existen ciertos aspectos que se deben tener en cuenta a la hora de desarrollar un producto de simulación para cualquier categoría existente.

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Por lo general ningún modelo es una representación perfecta o exacta del

sistema real. Un modelo perfecto debería ser una copia o instancia del sistema mismo. Las imperfecciones son completamente normales, razonables y aceptables, pero se debe siempre buscar o tender al mejoramiento continuo. La experimentación con los modelos en busca de fallas y errores que podrían afectar el entorno global son difíciles de detectar conforme pasa el tiempo.

El valor inherente de un modelo estará representado en el grado en el cual

soluciona un problema o permite un entrenamiento aceptable. Por lo general, diferentes problemas requieren diferentes modelos. No

existe un modelo universal que atienda a su vez diferentes problemas. Reutilizar códigos no aporta al verdadero desarrollo de la simulación.

La mayoría de los modelos valiosos se ajustan a los requerimientos del

cliente y no a las preferencias del programador. Un gran modelo para una solución puede ser un terrible problema para

otras soluciones. Los modelos que se apliquen al desarrollo de un sistema mecánico de cierta marca de vehículo, pueden ser un desastre para otro vehículo.

Ventajas y desventajas de la Simulación La primera y gran ventaja de la Simulación y desde el punto de vista de la ciencia e ingeniería, es permitir responder a las preguntas What if...? ¿qué pasa sí...?, lo que se define en la ciencia como, problema directo y ¿qué debo hacer para?, lo que en la Ingeniería se conoce como problema inverso. Estas dos preguntas encierran y responden al dilema de la simulación, para la evaluación y desarrollo de un proyecto permitiendo focalizar de antemano la finalidad de para qué estamos desarrollando un producto de simulación. El problema directo nos permite entrenarnos de la forma tradicional, en que nos sometemos a un proceso para alcanzar un resultado u objetivo, pero con la posibilidad de extender las capacidades del sistema real. También nos permite experimentar cuando hacemos el cambio de ciertos patrones o variables, que no son comunes tratar en un hecho real. Una de las finalidades y ventajas de la simulación es la posibilidad de experimentar sobre todo cuando el modelo real es peligroso. Un ejemplo puede ser la simulación de ¿qué pasaría si se derrama combustible en un río?

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Cuando hablamos del problema inverso, la simulación nos permite entrenarnos, conociendo el fin pero no los medios. Es decir, ¿qué debo hacer para lograr un objetivo que ya se conoce? Conocemos el objetivo, pero vamos descubriendo cuál es la mejor forma para llegar a esos objetivos. No todos los procedimientos son iguales. Un ejemplo puede ser la tarea de extraer el vehículo que ha caído al río. Otras ventajas son: Desarrollo de la cognición – Efecto de conocer. Permite comprender el porqué de las cosas. La simulación reduce la incertidumbre y estimula la percepción. Entrenamiento – Posibilita el estudio de sistemas reales y la capacitación de los operarios. Toma de decisiones – Se refiere a la destreza adquirida para el análisis inmediato de un procedimiento con el fin de emitir órdenes. Detección de problemas – Permite detectar y diagnosticar problemas con relación al aspecto simulado. Evita desacuerdos – Permite el acuerdo y conformidad de aspectos puntuales en la solución de un problema. Ahorro monetario – Las simulaciones reducen los costos que implica el entrenamiento en el modelo real. Pero también la simulación tiene sus desventajas que podríamos llamar más bien desventajas externas de la simulación, las cuales podemos catalogar en tres aspectos relevantes: costos, resultados y competitividad. Veamos cada uno de ellos: Resultados inapropiados – Quizá lo más peligroso de un producto de simulación inadecuado son los resultados inapropiados que arroja, sobre todo cuando se aprende a tomar decisiones sobre estos. Competitividad desleal – Esto es, además de los altos costos, crear productos funcionales con modelos matemáticos inadecuados. Los programas de simulación también son susceptibles a la corrupción. Altos costos – Las simulaciones mal planificadas, podrían demandar altas inversiones y gastos de diseño e implementación. Saber invertir en un producto de simulación es tanto como saber obtener beneficios de la adquisición.

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El soporte de la Realidad Virtual Como ya nos hemos podido dar cuenta, la Simulación Virtual está estrechamente relacionada con la Realidad Virtual. De hecho, la Realidad Virtual es una metodología de simulación para la construcción de mundos virtuales. Ahora podemos mirar el concepto de la Realidad Virtual como la herramienta de soporte para la elaboración de dispositivos para el entrenamiento en la especialidad que se necesite. La Realidad Virtual se refiere simplemente a un mundo generado por computador con el cual el usuario puede interactuar, por lo tanto, tenemos la capacidad de modificarlo. Pero apartándonos un poco de la finalidad de entrenamiento la cual nos interesa prioritariamente en este documento, miremos cuál es la verdadera tendencia de la Realidad Virtual. Poco de sabe de la denominada “presencia” y de cómo medirla y es justamente este fenómeno el que mantiene en constante crecimiento a la ciencia de la Realidad Virtual. De los principales adelantos que se han desarrollado con la Realidad Virtual, está el tratamiento de personas que padecen de fobias como el miedo a lugares, a la oscuridad, temor a ciertos animales y a las alturas. Aunque se dice que debe ser considerada como de carácter transitorio, por ahora podemos decir que la Realidad Virtual es simulación por computadora basada en modelos gráficos, acústicos y táctiles, orientada a la visualización de situaciones y variables complejas, durante la cual el usuario se mantiene inmerso haciendo uso de ciertos dispositivos en esos mundos que simulan ser reales. Dentro de las principales características de la Realidad Virtual podemos citar: Respuesta a la analogía del "mundo compuesto de objetos", obedeciendo a las

reglas en su relación con la Inteligencia Artificial. Es dinámica y opera en tiempo-real.

Permite la inmersión del usuario dentro del ambiente computarizado,

ofreciendo una experiencia interactiva y multisensorial. Requiere del principio de la incertidumbre. Se desarrolla bajo lenguaje gráfico tridimensional y la electrónica.

Algunas variables que son responsables para definir la presencia son: Extensión de la información sensorial, la cual percibimos a través de nuestros

sentidos, ojos, oídos, tacto. A mayor información sensorial, conduce a un alto nivel de presencia.

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Control de la relación de sensores para el ambiente, lo que tiene que ver con la habilidad del usuario de manipular o controlar sensores, como la cámara, con la cual el usuario visualiza el ambiente, lo que incrementa el nivel de presencia.

Capacidad para modificar el ambiente físico, como abrir puertas, o mover

objetos lo que incrementa el nivel de presencia aún más. CONCLUSIONES Muchos países están desarrollando sus propios sistemas virtuales para el entrenamiento y la educación. La sola enseñanza a través de medios no inmersitos como los ofrecidos por Internet o la mal llamada “Educación Virtual”, obliga a los educandos o entrenados simplemente pasar de un medio como el libro de papel a una pantalla como la del computador, sin permitirles disfrutar, compartir y “hacer” de lo que se está aprendiendo. El mundo cambiante requiere de nuevos sistemas para la educación y el entrenamiento de personas comunes. La Realidad Virtual, la Electrónica, La Simulación, las Redes de Comunicación y la Física, se encuentran en un entorno que permitirá a muchos adquirir mejores habilidades para desarrollar sus tareas diarias. Esta es la denominada Simulación Virtual Interactiva. Referencias: Roger D. Smith, Chief Scientist, (1999) ModelBenders, LLC. Simulation, The Engine Behind The Real Word. Roger D. Smith, Vertical Interface Methodology for Connecting Constructive and Virtual Level Simulations, Century University Rudolph P. Darken, A Hybrid Virtual Environment Interface To Electronic Warfare Information. Naval Research Laboratory. Washington D.C. Lt.Col. Robert H. Bolling, (1995) The Join Theatre Level Simulation In Military Operations Other Than War. Joint Warfighting Centre. Ft, Monroe, Virginia. Dr. Rosemary Garris. BA. Naval Air Warfare Centre Training System Division. COLLISION AVOIDANCE TRAINING VIA NETWORKED SIMULATIONS Distributed Interactive Simulation of Combat, OTA, September 1995.