: архив : архив журнала "625" : 1999 : #8

SIGGRAPH
Евгений Ростов

Первая часть обзора, опубликованная в прошлом номере журнала, была посвящена компьютерным платформам, программам графического моделирования и анимации; платам-акселераторам; системам нелинейного и многослойного монтажа и комбинирования изображений. В этой части обзора будут рассмотрены специализированные системы ввода в компьютер внешней информации, 3D-сканеры, системы виртуальной реальности и виртуального прототипирования. В области компьютерной графики эти системы занимают не менее важное место, чем те, о которых было рассказано в первой части, и на Siggraph им было отведено значительное место.

Начнем с дальних родственников хорошо знакомой всем компьютерной мыши. Подразделение компании Logitech - фирма LogiCad3D - демонстрировала семейство 3D Motion Controllers в составе MAGELLAN Classic, известной в Европе под названием SpaceMouse, MAGELLAN Plus и CYBERPUCK. Все устройства имеют возможность независимо управлять панорамированием, масштабированием и вращением 3D-объектов одной рукой. Имеются и программируемые кнопки для ввода дополнительной управляющей информации.

Семейство 3D Motion Controllers фирмы LogiCad3D

Еще дальше в "мышиной" технологии продвинулись ученые из немецкого Национального исследовательского центра информационных технологий, создавшие Cubic Mouse - прототип "кубической мыши". Это действительно куб с тремя стержнями, установленными на трех перпендикулярных сторонах куба, и с дополнительными кнопками. Каждый из стержней представляет собой один из осей координат X, Y и Z и позволяет легко управлять перемещениями и деформациями 3D-объектов и поверхностей по каждой координате с большой степенью точности. Выглядит все довольно необычно, однако разработчики утверждают, что Cubic Mouse станет стандартным устройством во многих виртуальных системах уже в следующем году.

Однако для того, чтобы " взять в собственные руки" виртуальный объект, даже самой нетривиальной мыши будет недостаточно. Для этого существуют специальные виртуальные перчатки CyberGlove - изделие, созданное в компании Virtual Technologies по ее собственной технологии. Перчатки преобразуют с высокой точностью в реальном времени движения руки и пальцев в угловые координаты. Программное обеспечение Virtual Hand Suit 2000 конвертирует эти данные в "графическую руку", которая отражает все движения физической руки. CyberGlove оснащены 22 датчиками: по три датчика гибкости на каждый палец, четыре датчика захвата, датчик свода ладони, а также датчики гибкости и захвата движения запястья. Датчики, чрезвычайно тонкие и незаметные, размещаются на очень легкой эластичной перчатке. Это изделие нашло широкое практическое применение в областях цифровой фотопечати, виртуальной реальности, биомеханики и анимации. В дополнение к CyberGlove предлагается система CyberGrasp, которая представляет собой очень легкий экзоскелетон, который дополняет CyberGlove и обеспечивает обратную связь по усилию каждого пальца и кисти в целом. С помощью этой системы обратной связи пользователи имеют возможность исследовать физические свойства созданных на компьютере 3D-объектов и управлять ими в виртуальном мире. Усилие захвата, создаваемое сетью сухожилий, направляется на кончики пальцев через экзоскелетон. Имеются шесть сервоприводов, по одному на каждый палец и один на кисть, которые могут быть индивидуально запрограммированы на предотвращение проникновения пальцев пользователя в виртуальный объект. Высокочастотные сервоприводы расположены в маленьком модуле Actuator, который может быть размещен на рабочем столе или в рюкзаке GraspPack, резко увеличивая эффективное рабочее пространство.

Система WindowVR компании
Virtual Research System, Inc.

Виртуальная реальность (VR) занимала воображение компьютерщиков и технологов на протяжении многих лет, но из-за технологических ограничений использовалась преимущественно в тренажерных комплексах. В общественных местах VR практически не применялась, прежде всего из-за несовершенства виртуального шлема (Head Mounted Display - HMD): его было сложно зафиксировать на голове, он был очень чувствителен к нагрузкам и создавал определенный риск для тех, кто его носил, по причине слишком большого "эффекта погружения". Ко всему прочему, такое оборудование было невозможно использовать в случае группового взаимодействия. Один из ведущих поставщиков шлемов виртуальной реальности и миниатюрных ЖК-дисплеев - компания Virtual Research Systems, Inc. - нашла решение этой проблемы, продемонстрировав на Siggraph'99 свою новую систему - WindowVR. Система представляет собой плоский дисплей (возможны варианты с 15-, 17- и 21-дюймовыми конфигурациями), закрепленный на Г-образной подвижной рама и имеющий возможность перемещений вокруг собственной оси и в пространстве. Дополнительно система оснащена двумя рукоятками, похожими на джойстик, позволяющими осуществлять навигацию в виртуальном пространстве. Создав полностью интегрированное решение виртуальной студии - с дисплеем, отслеживанием положения и встроенной системой навигации, - WindowVR реализовала более дружественный подход к проблеме виртуальной реальности и развеяла заблуждение о необходимости виртуального шлема. Система, в отличие от виртуального шлема, позволяет взаимодействовать с окружающим виртуальным пространством естественным и интуитивным образом. Дисплей не требует руководства: любой посетитель музея или выставки, взявшись за его рукоятки, может сразу начать с ним работать. Другие посетители могут следить за происходящим, идя рядом с ним.

3Space FASTRAK компании Polbemus, Inc.

Непосредственное отношение к телевидению имеют системы датчиков оцифровки движения реальных актеров. Эти системы применяются для оживления виртуальных персонажей и уже знакомы российским зрителям по телевизионным программам студий "Пилот" и BS Graphics. Существуют три вида таких систем: механические, электромагнитные и оптические. Механические системы наиболее громоздки и менее точны, однако они имеют самые привлекательные ценовые характеристики. Так, стоимость FullBody Tracker немецкой фирмы X-IST Realtime Technologies GmbH начинается с 15 тысяч долларов. В области электромагнитных датчиков - два вечных конкурента - компании Ascension Technology Corporation и Polhemus, Inc. Они демонстрировали два типа своих систем: с проводным соединением с головным компьютером (MotionStar и 3Space FASTRAK соответственно) и беспроводные (MotionStar Wireless и STARTRAK соответственно). Системы обеих компаний примерно одинаковы как по техническим, так и по ценовым показателям. Оборудование от Ascension позволяет использовать большее количество датчиков на одном актере (20 против 16 у Polhemus), однако беспроводные системы Polhemus могут работать большее время без подзарядки батарей (4 часа против 2 у Ascension). Цены на полные комплекты колеблются от 40 до 80 тысяч долларов в зависимости от количества датчиков и способа передачи данных.

Система MotionStar компании Ascension Technology Corporation

Практически нет ограничений по количеству датчиков на одном актере у оптических систем оцифровки движения. Это позволяет передавать движения с максимальной точностью. Однако эти оптические системы, в отличие от предыдущих, не позволяют в реальном времени оживлять текстурированные персонажи и используются в основном при производстве программ. Наиболее известный производитель оптических систем - компания Motion Analysis Corporation. Производители всех трех типов систем стараются сотрудничать с производителями программ трехмерной графики и имеют интерфейсы по передаче данных в Alias|Wavefront Maya, SoftImage|3D и 3D Studio MAX. Однако существует ряд компаний, специализирующихся на разработке программного обеспечения для анимации персонажей в реальном времени. Одной из таких компаний является быстрорастущая израильская DreamTeam. Ее программное обеспечение Typhoon может работать практически со всеми известными механическими и электромагнитными системами и активно используется некоторыми телекомпаниями для подготовки шоу-программ, а также для интерактивных передач с виртуальным персонажем в прямом эфире.

Заканчивая тему систем оцифровки движений, нужно сказать, что ряд компаний, которые имеют эти технологии в своем арсенале, c удовольствием делятся (естественно не бесплатно) своими наработками. Так, компании Pepper's Ghost Production и Digimation предлагали специально для пользователей 3D Studio Max новую библиотеку оцифрованных движений Mybridge Variations, включающую более 40 видов движений.

Однако прежде, чем оживить виртуального актера, его необходимо создать. Для этого, конечно, существует большое количество программ трехмерного моделирования. Однако часто более удобным и рациональным бывает создание трехмерной модели оцифровкой уже существующего в природе реального объекта. Осуществить эту задачу помогают 3D-сканеры. Самые простые из них, как, например, Microscribe3D фирмы Immersion Corporation, позволяют осуществить оцифровку реального объекта в 3D-модель посредством специального механического щупа, которым следует последовательно обвести контуры реального объекта. Это довольно длительная и кропотливая работа, однако в результате получается вполне приемлемая модель. Единственное ограничение - размеры сканируемого объекта, которые должны быть таких размеров, чтобы объект умещался в сфере диаметром 30 см.

Для тех, кто не любит ждать и хочет получить результат значительно быстрее, были придуманы лазерные 3D-сканеры и 3D-сканеры, построенные на базе цифровой фотокамеры, фотографирующей объект под разными углами. И тех и других устройств на выставке было представлено в достаточном количестве.

Компания Dimension 3D System демонстрировала два фотосканера: 3D ScanBook и 3D ScanStation. 3D ScanBook может сканировать объекты размером до 20 см и весом до 3 кг. Он применяется в основном для создания 3D-объектов для Web. 3D ScanStation - более мощный сканер. Он сканирует объекты длиной до 80 см и весом до 50 кг. Известная компания Minolta Corporation продемонстрировала свои системы для 3D-оцифровки: Minolta 3D 1500 и VIVID 700. Minolta 3D 1500 представляет собой небольшую камеру размером 242x77x76 мм, которая имеет специальную вспышку с щелевидной решеткой. После того, как с нескольких позиций делаются снимки объекта, специальное программное обеспечение автоматически преобразует двухмерные изображения решеток в фотореалистичную трехмерную модель. Minolta 3D 1500 так же, как и 3D ScanBook от Dimention 3D System, используется для создания 3D-моделей для Web и может сканировать объекты размерами от небольшой фотокамеры до 20-дюймового компьютерного монитора. Для таких приложений, как компьютерная графика, 3D-игры, виртуальная реальность и анимация, целесообразно использовать более сложную систему - VIVID 3D Color Digitizer.

Цифровой 3D-фотоаппарат Minolta 3D 1500

Из лазерных 3D-сканеров наиболее интересную модель представила компания Cyra Technologies. Система Cyrax при помощи технологии, специально разработанной компанией, позволяет сканировать и превращать в 3D-модели объекты размером с автомобиль и даже многоэтажное здание. Совместная видеопрезентация компаний Cyra Technologies и Lidar, на которой демонстрировался процесс сканирования католического собора и транспортного самолета, была даже включена в программу электронного театра Siggraph.

Интересный программный продукт ULTIMA3D для разработчиков виртуальной реальности показала компания VARTEC. По словам разработчиков, благодаря ULTIMA3D теперь каждый сможет создать приложение VR, работающее в режиме реального времени, даже не имея опыта программирования.

Фабрика сцен ULTIMA3D, запатентованная по всему миру, позволяет существенно сократить время работы. Программное обеспечение ULTIMA3D может быть использовано как одним человеком, так и целой командой разработчиков. Этот пакет помогает на протяжении всего цикла разработки: на этапах раскадровки, использования медиа-компонент, в процессе интеграции и генерации VR-приложения. Созданное приложение может работать как самостоятельно, так и в рамках стандартной программы просмотра Web.

Значительная часть экспозиции была посвящена промышленным системам CAD/CAM/CAE. Однако на этих системах, имеющих непосредственное отношение к компьютерной графике, но далеких от тематики "625", подробно останавливаться не стоит. В качестве примера, очень интересного, на мой взгляд, хочу привести системы быстрого прототипирования (rapid prototiping) компании 3D Systems. Эти устройства позволяют по трехмерным моделям еще не существующего объекта довольно быстро построить его реальную копию. Происходит это следующим образом: под управлением компьютера, на котором установлено программное обеспечение с трехмерной моделью будущего изделия, в специализированной установке при помощи направленного лазера из жидкости особого состава послойно полимеризуется прообраз будущего изделия со всеми внутренними полостями и сложными наружными поверхностями. После окончания процесса полимеризации изделие подвергается ультрафиолетовой обработке для придания ему твердости и высоких механических свойств. Таким образом можно создать в единичном экземпляре полный прототип будущего промышленного изделия со всеми его сложными и часто замысловатыми поверхностями. Подобная установка стоит немалых денег (более полумиллиона долларов), однако многие западные промышленные предприятия уже не представляют себе технологического процесса создания нового изделия без этапа быстрого прототипирования.

Программа создания трехмерных ландшафтов World Builder компании "Аниматек"

Среди участников выставки и конференции были и представители Российской Федерации. К сожалению, их было немного: на одном из стендов можно было встретить сотрудников российской компании "Аниматек", представлявших версию 2.2 программы создания реалистичных трехмерных ландшафтов World Builder; в рамках специальной сессии Web3D RoundUP выступал Георгий Пачиков, руководитель компании Parallel Software. Хочется верить, что на Siggraph'2000 наших соотечественников будет значительно больше.