Най-интересните интерактивни 3D симулации в реално време

Автор: Асистент Йоана Иванова, сп. Българска наука, бр. 86, 2016 г.

Тенденциите през последните години показват, че интерактивните мултимедийни технологии решително изместват предхождащите ги линейни мултимедийни приложения, при които потребителят е само пасивен наблюдател на събитията и не участва пряко в тях. Благодарение на технологичната еволюция много от фантастичните елементи, определяни в научната фантастика от 80-те години като върхови технически постижения на бъдещето, вече присъстват в ежедневието ни. Действително, ако се опитаме за момент да погледнем на съвременните технологии през очите на предходните няколко поколения, ще осъзнаем колко дълъг път е извървян от изобретението на Ваневар Буш, по-известно като мемекс, до създаването на глобалната мрежа Internet във вида, в който днес я познаваме, а именно като основно средство за комуникация, представяне и обмен на всякакъв вид мултимедийна информация.

По своята същност компютърната симулация представлява симулация на създаден от човека абстрактен модел на определена система. Необходим е приложен софтуер и мощни компютри, които да извършват множеството сложни изчисления. Интерактивните симулации в реално време се наричат още отворени, защото потребителят може да участва активно в процеса, променяйки алгоритъма. Създаването на интерактивни симулации се извършва посредством езици за програмиране, като най-често това са Java, JavaScript, C++, но съществуват и софтуерни продукти, които използват специализирани езици за програмиране.

Могат да бъдат дадени много примери за интерактивни симулации в реално време от различни научни области, което е доказателство за широкообхватността на симулационното моделиране. Независимо от сферата на приложение предварителните симулации и визуализации във виртуална среда дават възможност за анализ и оценка на получените резултати с цел да се сведе до минимум рискът от възникване на последващи проблеми и грешки. Това се практикува в архитектурата, роботиката, инженерните науки и не на последно място за визуализация на процеси, които не могат да бъдат наблюдавани с „просто“ око. Например, биохимичните реакции, които протичат в живите организми на клетъчно ниво.

Много интересен и достъпен за използване от всеки средностатистически потребител е софтуерът за 3D астрономия Celestia (Селестия), написан на програмен език C++. Продуктът е изключително ценен и полезен за изучаване на космическото пространство чрез симулация в реално време. Първата версия 1.0 на тази „красива“ по думите на създателите си симулация се появява през 2001 г. Едно от многото предимства на продукта е, че е с отворен код и работи на Windows, Linux и Mac OS X. Планетите са представени като 3D обекти с високо ниво на реализъм. С помощта на Celestia потребителите могат да изминат за секунди разстоянията до избрана от тях планета или звезда, отстояща на стотици хиляди светлинни години от нашата планета, като се има предвид, че 1 светлинна година е равна на 9.46053×1012 km[1]. [i]


РЕКЛАМА:

***

[i]Gregorio, Frank. „Celestia User’s Guide For Vesrion 1.5.1.“ http://www.shatters.net/. 2008. 

http://www.celestiamotherlode.net/creators/fsgregs/CelestiaUsersGuide1-5-1.pdf (accessed 2016).

При избор на планета потребителят получава информация за нейните реални размери в километри (радиус, видим диаметър) и разстояние, на което се намира спрямо точката на наблюдение или друг обект. Софтуерът ни предоставя и уникалната възможност да пропътуваме милиони земни години до над 100 000 звезди дори извън галактиката. Например, при селектиране на дадена звезда получаваме информация за наименованието й, разстоянието между нея и наблюдателя, абсолютната звездна величина и яркостта й (яркостта на Слънцето се приема за единица мярка). За удобство при работа при избор на Помощ > Контроли се отваря прозорец с описание на контролите с мишката и клавиатурата.

На Фигура 1 е показанo изображение на звездния куп Плеяди, който е известен още като Седемте сестри (според гръцката митология) и звезден куп 45. Броят на звездите в него надхвърля 7. Поради своята яркост много от тях са видими и с невъоръжено око при добри условия за наблюдение. Звездата Alcyone в самия център на изображението е най-ярката в звездния куп.

С това не се изчерпват възможностите на симулацията. Съществува опция орбитите на планетите да се синхронизират. Могат да бъдат направени и редица допълнителни настройки на параметри (време, местно време и др.), които са от голямо значение при извършване на задълбочени проучвания. Интересно е, че могат да бъдат потърсени слънчеви и лунни затъмнения. За целта е необходимо да селектираме обект от Слънчевата система и да изберем от менюто Навигация > Търсач на затъмнения. В прозореца, който се отваря, е необходимо да зададем планета от падащото меню.

Фигура 2 представя таблица с информация за слънчевите затъмнения на нашата планета и нейния естествен спътник Луната, които предстоят през периода от 10 януари 2016 г. до 10 януари 2017 г.

Както е известно, Луната и Марс отдавна са обект на изследване основно на база на спътникови снимки. При избор на Рендерирай > Местоположения от главното меню се визуализират реалните локализации на различните географски обекти с техните наименования. На Фигура 3 са показани някои от местоположенията на планините и долините на Марс. По подобен начин можем да видим множеството кратери, с които е осеяна лунната повърхност.

Фигура 1. Изображение на звезден куп Плеяди, направено със симулационния софтуер Celestia.

Фигура 2. Информация за предстоящите слънчеви затъмнения на планетата Земя за едногодишен период, считано от 10.01.2016 г.

Фигура 3. Някои от географските обекти на Марс (планини и долини)

Разработчиците на симулационния софтуер дават възможност на потребителя да реализира голямо разнообразие от пътувания до завладяващи места в космическото пространство, макар и само като зрител. За тази цел е необходимо да разполага със съответните скриптове, които са достъпни под формата на каталог на официалния сайт на продукта.[i] По този начин във виртуалната среда на симулацията могат да бъдат импортирани и визуализирани както 3D модели на реални космически обекти, сателити и др., така и 3D модели на космически кораби, които са плод на креативното мислене на 3D дизайнерa.

Но независимо в каква степен е необходимо на потребителя да разучава Celestia, софтуерът предлага богати възможности за изследване на множество космически тела и разполага с демо, което се стартира от меню Help на програмата. Поради интерактивността на симулацията, по време на тази наистина завладяваща виртуална обиколка на Вселената, потребителят може да задава обекти, които иска да посети, или да селектира небесните тела, които вижда на екрана. По този начин виртуалният пътешественик се докосва до завладяващата красота на Вселената, която въпреки всички усилия да бъде изучена, в по-широк смисъл си остава загадка.

Следва да преминем към една различна по своето предназначение, но не по-малко забележителна статистическа симулация в реално време. Тя е разработена от специалистите в Kasperski Lab и представлява интерактивна карта на киберзаплахите.3 На база на нея могат да се правят експертни оценки и анализи относно рисковете от кибератаки в световен мащаб. С кликване на мишката върху 3D визуализацията на въртящото се около оста си земно кълбо, можем да изберем държава, за която да получим съответната статистическа информация на кое място се намира тя спрямо останалите страни според интензитета на кибератаките. Освен това симулацията предоставя данни и за вида на регистрираните киберзаплахи, както следва:

  • OAS (On-Access Scan) – показва злонамерен софтуер, детектиран при достъп до обектите по време на операции по отваряне, копиране, изпълнение или записване.
  • ODS (On Demand Scanner) – показва злонамерен софтуер, детектиран, когато потребителят е изисквал това, т.е. при ръчен избор на опцията „Сканиране за вируси“ в контекстното меню.
  • WAV (Web Anti-Virus) – показва злонамерен софтуер, детектиран при отваряне на web страница или сваляне на файлове от даден сайт.
  • MAV (Mail Anti-Virus) – показва злонамерен софтуер, детектиран, когато нови обекти се появяват в приложение за електронна поща (Outlook, The Bat, Thunderbird).
  • IDS (Intrusion Detection System) – показва детектираните мрежови атаки.
  • VUL (Vulnerability Scan) – показва детектираните уязвимости.
  • KAS (Kaspersky Anti-Spam) – показва подозрително и нежелано движение по електронната поща.
  • BAD (Botnet Activity Detection) – показва статистика за идентифицирани IP адреси на жертви на DDoS (Distributed Denial of Service) атаки4 и botnet C&C (command-and-control) сървъри.5 Тези статистики са направени с помощта на системата за DDoS Intelligence (част от решението на Kaspersky DDoS Protection) и се ограничават до данните за ботнет, които са били открити и анализирани от Kaspersky Lab.

На Фигура 4 е показан скрийншот, на който се вижда, че Русия е най-атакуваната страна в конкретния избран момент. Към момента е достъпна информация за 2015 г.
При избор на Statistics от главното меню може да се получи допълнителна информация, включително и графично представяне на статистическите данни. Пример може да бъде даден с броя на регистрираните кибератаки на територията на Русия (Фигура 5). Вдясно от графиката се вижда с какъв вид злонамерен софтуер са реализирани кибератаките и съответният интензитет на използването му.

4За повече информация посетете следния линк: http://www.arbornetworks.com/ddos-attacks

5За повече информация посетете следния линк:

https://www.damballa.com/downloads/r_pubs/WP_Botnet_Communications_Primer.pdf

[i] За повече информация посетете следния линк:

http://www.celestiamotherlode.net/catalog/scripts.php

3За повече информация посетете следния линк:

https://cybermap.kaspersky.com/

Фигура 4. Данни от интерактивната статистическа симулация на киберзаплахите в реално време за Русия.

Фигура 5. Графично представяне на броя регистрирани кибератаки на територията на Русия за периода 01.10.2015 – 07.10.2015 г.

Както се вижда от разгледаните до момента примери, симулациите винаги са придружени от визуализации с високо ниво на сложност. По своята същност те са своеобразен графичен израз на математическите формулировки. Тенденциите са визуализациите, реализирани чрез средствата на 3D компютърната графика, да изместят двумерните, ако те не се изискват специално поради определени научно-технически съображения.

Създаването на 3D модели става с помощта на специализиран софтуер (3DS Max, AutoCAD, Maya, SketchUp и др.). След експортиране в подходящ файлов формат от работната програма, 3D обектите могат да бъдат импортирани в графичната среда на софтуерни продукти, предназначени за други цели. Например, софтуер за разработване на компютърни игри (Unity) или продукти за провеждане на различни експерименти и симулации. Възможностите са неизброими предвид развитието на новите технологии през последните години. Помислено е и за 3D дизайнерите, които искат да имат свое интерактивно портфолио, достъпно on-line. Редица сайтове предоставят тази възможност на своите потребители. Всеки 3D модел, включително и анимиран, който отговаря на техническите изисквания за качество и записан в подходящ формат (obj, fbx, dae, stl), може да бъде импортиран във виртуална среда на съответния сайт. С помощта на мишката е лесно потребителите да завъртат и преместват модела, за да го разгледат от всички страни, както и да добавят допълнителни настройки за осветеност, разположение на камерата, материали и др.

На Фигура 6 е пoказан 3D модел на нощна лапма от типа „Levitating Galileo Gravitator”6, създаден от автора със софтуера 3DVIA Shape.

6За повече информация посетете следния линк:

http://thesteampunkhome.blogspot.bg/2007/04/levitating-galileo-spheres.html

Фигура 6. 3D модел на нощна лампа от типа „Levitating Galileo Gravitator”,

създаден от автора със софтуер 3DVIA Shape.7

73D моделът се съдържа в Приложение към разработката, достъпна на следния линк:

http://procon.bg/system/files/it4sec_reports_114.pdf

На Фигура 7 е представен моделът, импортиран в интерактивна среда on-line с добавени настройки за осветеност и виртуална среда „Milkyway”.8

Фигура 7. 3D модел на нощна лампа от типа „Levitating Galileo Gravitator”, импортиран в интерактивна виртуална среда.

В заключение може да обобщим, че избраните за дискутиране примери в материала далеч не изчерпват разнообразието от възможности за интерактивно симулационно моделиране, но всеки от тях е представителна извадка на определена група продукти за симулация и визуализация. Симулационното моделиране е област, която позволява прилагането на иновативни методи за изследване на една система, взаимовръзките между изграждащите я обекти и тяхното взаимодействие. Симулациите способстват за извършване на сложни изчисления и провеждане на научни експерименти в сигурна среда с високо ниво на реализъм, като по този начин се избягват рискове от различен характер и финансови инвестиции, надхвърлящи възможностите дори на силно развити в икономическо отношение държави.

[1] За повече информация посетете следния линк:

http://www.celestiamotherlode.net/catalog/scripts.php

3. За повече информация посетете следния линк:

https://cybermap.kaspersky.com/

4. За повече информация посетете следния линк:

http://www.arbornetworks.com/ddos-attacks

5. За повече информация посетете следния линк:

https://www.damballa.com/downloads/r_pubs/WP_Botnet_Communications_Primer.pdf

6. За повече информация посетете следния линк:

http://thesteampunkhome.blogspot.bg/2007/04/levitating-galileo-spheres.html

7. 3D моделът се съдържа в Приложение към разработката, достъпна на следния линк:

http://procon.bg/system/files/it4sec_reports_114.pdf

8. www.sketchfab.com


Европейска нощ на учените 2022 г.: