Виртуальные маневры

01 декабря 2004 года, 00:00

Первые компьютерные тренажеры появились в начале 1970-х годов в самолетовождении: тогда летчики параллельно с летной практикой стали тренироваться, не поднимаясь с земли, — возле кинопроекционных экранов. Их тренажеры представляли собой копии кабин самолетов со всеми штатными приборами. С современной точки зрения они были достаточно примитивными и имели весьма ограниченные функции и тем не менее приносили немало пользы: обучаясь в таких кабинах, летчики закрепляли свои теоретические знания, в том числе и относительно назначения приборов.

Хроника усовершенствований

Первые тренажеры были стационарными — все движения в машинах происходили только на экране. Сам же участник тренинга, сидя за штурвалом, не ощущал тряски и наклонов аппарата, поскольку кабина, пол и кресло тренажера оставались неподвижными. Но недостатки с имитацией действительности были исправлены довольно быстро: учебную кабину самолета стали устанавливать на специальную платформу, которая могла раскачиваться в различных направлениях, имитируя взлет, воздушные ямы, посадку и другие ситуации.

Сегодня подобных динамических платформ, предназначенных для разных видов техники, существует много: от подвижной копии кресла пилота до макета кабин многоместной летной и наземной техники. В основном динамические платформы различаются по количеству плоскостей, в которых может перемещаться тренажер. Простые платформы могут двигаться только в одной плоскости, более сложные имеют до шести степеней свободы. В последнем случае обучаемые перемещаются во всех трех координатных плоскостях. Для приведения динамических платформ в действие используются гидравлические, пневматические, электромеханические и электромагнитные двигатели. Но далеко не все нюансы движения реальной техники можно сымитировать, даже имея платформу с шестью степенями свободы. Поэтому компьютеру приходится немного обманывать вестибулярный аппарат человека, используя не только динамические воздействия, но и банальные «наклоны» тренажера. Например, создавая эффект езды по кругу, длительного торможения машины или, напротив, разгона, кабина тренажера просто наклоняется в нужную сторону на заданный угол.

Реализовать необходимую динамическую интерактивность платформы гораздо сложнее, нежели сгенерировать правдоподобные картинки на экранах мониторов. Имитируя движение, разработчики сталкиваются с жесткими физическими ограничениями, но за счет усовершенствования конструкции тренажеров, например создания большого свободного хода и использования мощного привода, они создают нужный диапазон механических нагрузок для экипажа. И тогда во время тренингов возникают правдоподобные ощущения езды по кочкам или же прохождения крутого виража. Главная задача изготовителей тренажеров на динамических платформах состоит в том, чтобы человек реально ощущал перегрузки и небольшие перемещения в пространстве, поскольку подобные эффекты существенно повышают результативность тренировок.

Особо значимым при разработке и изготовлении тренажеров является видеоряд. С появлением первых учебных комплексов он стал основой обучающего процесса. Ведь человеку эпохи кинематографа было привычным вживаться в события, запечатленные на кинопленке, и принимать их как реальность. Так, кадры военной хроники на экране учебной машины стимулировали обучающегося быстро реагировать на изменяющуюся обстановку, правильно использовать имеющиеся приборы и привыкать к нестандартным ситуациям. Однако количество отрабатываемых на тренировках ситуаций было небольшим, к тому же взаимосвязь между ними и действиями обучаемого отсутствовала. Иными словами, мир на экране не зависел от его решений, и это было очень большим недостатком тренировки. Лишь по истечении времени с развитием компьютерных технологий программное обеспечение тренажера позволило скоординировать видеоряд с действиями обучающегося, и последний наконец-то оказался непосредственным участником разыгрываемых на экране ситуаций. А машина-тренажер в свою очередь стала имитировать довольно сложные моменты, например пробуксовку или прокол одного из колес автомобиля, обледенение фюзеляжа или отказ рулей высоты у самолета.

Реалистичность «картинки», которую человек видит через окуляры приборов или лобовое стекло, является сегодня одним из основных показателей качества тренажерных комплексов. И это понятно, ведь чем правдоподобнее картинка, тем легче соотнести тренажер с реальностью, тем проще вжиться в управление техникой и забыть о том, что рычаги, ручки и окна — не настоящие.

Основной проблемой для программистов здесь является все та же интерактивность, поскольку заранее подготовить и предугадать все нужные ракурсы, направления движений, ландшафты и пейзажи разыгрываемых ситуаций очень сложно. Компьютеру приходится синтезировать, то есть создавать на основе информации, находящейся в памяти, то изображение, которое должен видеть обучаемый с той точки, куда он успел долететь с учетом перемещения в пространстве его самого и его товарищей по учебному тренажерному классу. Примерами таких общедоступных «картинок» могут служить современные компьютерные игры, для которых визуальные параметры изображения также являются одним из основных показателей качества продукта.

Высокая реалистичность синтезируемого изображения может быть достигнута, например, путем увеличения подробности моделей, описывающих окружающую реальность. Но поскольку мощность доступных компьютеров всегда ограниченна, создателям тренажеров приходится идти на различные уловки, чтобы обеспечить должное качество изображения, не используя суперкомпьютеры. Наиболее частым приемом «обмана» является применение нескольких уровней детализации моделей на картинке. Чем дальше от наблюдателя находится объект, тем менее подробной является его модель. Например, отдельно стоящее дерево может быть представлено в виде столбика с картонным листом, вырезанным в форме кроны. А вот те объекты, которые находятся в непосредственной близости от центра событий в разыгрываемой на экране ситуации, будут изображены детально: на дереве появятся структура коры и четко нарисованные ветви.

Немаловажной частью внешнего вида трехмерных моделей является их текстура («раскраска модели»). И здесь зачастую используются фотографии реальной техники и объектов, что позволяет достигнуть необходимых уровней достоверности. Причем, если в компьютерных играх обычно используют фантастические пейзажи, то на экранах боевых тренажеров, напротив, работают только с реальными территориями и моделями, будь то аэропорты, улицы городов или же военные базы потенциального противника. Для заполнения этой базы данных используются аэрофотоснимки и снимки, сделанные из космоса, привлекаются данные радарных установок и градостроительные планы. Полный комплект таких моделей стоит порой не меньше, чем собственно динамическая платформа, компьютерные стойки, кабина и кинопроекционная система с большим разрешением.

Отдельной проблемой является и динамическое моделирование поведения осваиваемой техники. Например, самолет должен правильно визуально и динамически отзываться на все манипуляции с закрылками, рулями и силой тяги, поскольку только правильное реагирование позволяет обучить достоверной практике пилота, сидящего в кресле тренажера.

Известные производители тренажеров при их разработке и изготовлении используют сегодня собственные многопроцессорные компьютеры и специальные операционные системы. Однако уже давно стало возможно создание учебных комплексов на основе обычных компьютеров и массовых операционных систем.

Компьютерные игры не только являются донорами новых идей и технологий для тренажеров, но иногда и сами становятся элементами обучения. Так, знаменитая Counter Strike используется рядом американских спецподразделений в процессе тренировок, а онлайн-экшен «America`s Army: Special Forces» была специально разработана военным ведомством для отработки навыков стрельбы и тактического взаимодействия у новобранцев.

Чудо-техника

Современные компьютерные комплексы, представляющие поистине чудеса техники, применяются в самых разных сферах. На них обучаются космонавты и летчики, водители и механики, представители военных профессий, врачи разных специальностей, в том числе дантисты и хирурги, и многие другие. Например, пилоты воздушных кораблей тренируются теперь в режиме реальных ощущений: компьютерные тренажеры предлагают им во время тренировки переживать и вертикальные взлеты, и воздушные ямы. Причем для усложнения условий «полета» за окном кабины-тренажера могут возникать грозовые фронты и ураганы, создавая тем самым обстановку, приближенную к реальности.

Отдельный класс составляют стрелковые тренажеры, предназначенные для обучения стрельбе из боевого и служебного оружий. Они позволяют проводить отработку правильного хвата оружия, техники прицеливания и спуска курка на макетах, вполне соответствующих реальному оружию.

Боевые патроны при этом не расходуются, и полностью исключается возможность несчастных случаев. К несомненным достоинствам тренажеров следует отнести их низкую стоимость и быструю окупаемость, возможность проведения тренировок с использованием практически любого вида оружия, простоту установки и настройки.

Наиболее перспективны стрелковые тренажеры, в которых оружие не связано соединительным кабелем с системным блоком компьютера. Лазерный излучатель при этом размещен в стволе оружия, а электронная схема, управляющая его работой, и элементы питания — внутри магазина оружия. Такая схема дает стрелку полную свободу передвижения на огневом рубеже. Во время прицеливания на экране монитора компьютера непрерывно отображается точка прицеливания, а после спуска курка показывается отклонение точки попадания от точки прицеливания. Если стрелок не попал в мишень, то указывается направление промаха.

Сегодня с помощью специальных тренажерных комплексов представители различных родов войск, не выезжая на полигон, проводят всевозможные тренировки, в том числе и в прицельной стрельбе из разного рода орудий. Причем во время стрельбы на тренажерах не только просчитывается траектория полета пули или снаряда с учетом ветра и складок местности, но и имитируется отдача от выстрела и вылет пустой гильзы.

Применение тренажеров в военном деле в целом трудно переоценить. Ведь стоимость реального обучения на полигонах и цена современных боеприпасов достигают десятков и сотен тысяч долларов за единицу. Неизбежные при обучении аварии и необходимость многократного повторения упражнений приводят к ускоренному износу техники. Четырехчасовой выход в поле современного танкового взвода обходится в 5 000—10 000 долларов, и это при условии, что учебные стрельбы ведутся так называемым вкладным стволом (стоимость такого выстрела всего 3,5 доллара). Реальный же боеприпас, например, в ВВС США для ПТУР «Тоу» стоит 5 000 долларов. Или же другой пример: использование в танковом батальоне тренажера для стрельбы из танковой пушки сегодня дает экономию 0,3—2 миллиона долларов в год. В Соединенных Штатах тренажеры широко применяются при подготовке механиков-водителей, наводчиков, командиров танков, а также для совместной тренировки экипажа и обучения технических специалистов.

Универсальным является созданный фирмой «Дженерал Электрик» тренажер огневой подготовки COFT, предназначенный для повышения квалификации личного состава в управлении танками серии «Абрамс» и БМП «Бредли». Это устройство включает учебную танковую башню, видеосистему, цифровую ЭВМ и пульт управления инструктора. На нем можно выполнять более 680 упражнений продолжительностью по 10 минут каждое. Прежде чем выйти на стрельбище или на полигон на новой технике, экипаж танка (БМП) проводит не менее 6 часов занятий на тренажере. COFT воссоздает шум двигателя, лязг гусениц, выстрелы пушки и отдачу. В окулярах прицелов с помощью оптической системы и ЭВМ моделируются цветное изображение местности, неподвижные и движущиеся цели.

Для обучения стрельбе ночью или в условиях плохой видимости используется особый тепловизионный прицел. Попадание в цель имитируется световой вспышкой. Наводчик и командир танка могут следить за траекторией полета снаряда и видеть место его разрыва. Одновременно имитируется и огонь противника. Члены экипажа отрабатывают наведение орудия на цель, обучаются пользоваться различными прицелами, действовать в условиях применения оружия массового поражения, отражать атаки противника с тыла.

Геймеры со стажем убеждены, что даже самое захватывающее кино со стрельбой, погонями и взрывами автомобилей не может сравниться по увлекательности с хорошей сетевой «стрелялкой». И производители тренажеров уже давно подумывают о выпуске более дешевых, но вполне реалистичных игровых вариантов для самых азартных геймеров.

Наземный космос

Первыми серьезными проектами в этом направлении стали тренажерные комплексы транспортных кораблей «Союз» и орбитальных станций «Салют-6», а затем и «Салют-7». Но наиболее успешно применялся комплекс тренажеров орбитальной станции «Мир». Пятнадцать лет его эксплуатации подтвердили действенность таких тренировок. По этому же пути пошли разработчики из Минатома, построившие комплекс по подготовке дежурных смен для АЭС. Комплекс по программе «Мир» лег в основу разработки имитаторов полетов для Международной космической станции (МКС). Принцип подготовки кадров для МКС прост: каждая странаучастница строит у себя по заранее оговоренной программе тренажерные средства и тренирует своих членов экипажа. Окончательная отработка действий экипажей происходит в России (Звездный городок) и в Хьюстоне (центр NASA). По мере разворачивания новых элементов МКС земные тренажеры дополняются новыми элементами. Комплекс по программе «Мир» модернизировался до последних дней существования станции на орбите, и опыт его эксплуатации показал, что земные модели космических кораблей порой живут и развиваются интенсивнее своих небесных двойников.

Компьютеризированный имитатор, конечно, не способен заменить работу с реальной техникой. Однако все, кто хоть раз побывал в кабине современного динамического тренажера, полностью согласны с тем, что он действительно помогает подготовиться к работе с незнакомой техникой и правильно оценить ее потенциальные возможности.

Что есть что

Трехмерная модель — геометрическое описание объекта. Состоит из вершин, каждая из которых представлена тремя координатами (x; y; z) и описанием плоскостей (граней), ограниченных прямыми, проходящими через вершины. Например, кубик описывается восемью точками-вершинами и шестью плоскостями-гранями.

Текстура — изображение, наносящееся на плоскости трехмерной модели. Представляет собой массив точек разных цветов. Чем больше таких точек входит в изображение и чем большее количество цветов может принимать каждая точка, тем подробнее и реалистичнее текстура.

LOD (Level of Detail) — уровни детализации. Способ уменьшения нагрузки на компьютер. Детализация объектов изменяется динамически в зависимости от того, насколько хорошо виден объект, иначе говоря, чем дальше от наблюдателя, тем меньше деталей.

Эффективные тренинговые системы должны воздействовать на максимально возможное количество органов чувств человека. Например, при добавлении звука к видеоряду он заведомо может быть разного качества: не только стереофоническим, но и квадрофоническим, окружая обучаемого буквально со всех сторон. Звуковой канал восприятия стал неотъемлемой частью всех компьютерных игр. Причем он теперь представляет собой не просто приятную музыку и звуки природы, но и конкретную информацию о приближающейся коннице или еще не видимом противнике.

Компьютерные тренажеры применяют и разрабатывают не только военные и авиаторы, не меньший интерес к их возможностям проявляют и автомобильные магнаты. Первые автомобильные тренажеры появились еще в 80-е годы прошлого века, и сегодня ни одна крупная автомобильная выставка не обходится без специальных аттракционов, позволяющих посидеть в кабине реального автомобиля, проносясь по виртуальным дорогам. Причем, как и положено, на этих дорогах будут встречные грузовики и обгоняющие спорткары, и вполне возможно, что за рулем некоторых из них будут сидеть водители, находящиеся в соседних тренажерах. Школу высшего водительского мастерства на такой игрушке, конечно, не освоишь, но приобрести основные навыки езды в дневное и ночное время, а также на скользкой дороге вполне можно.

Любовь Лукина, Анатолий Поляков

Рубрика: Ярмарка идей
Просмотров: 7200