Трехмерный гранит науки
Визуализация в научных и учебных целях
Сегодня мы поговорим о применении таких 3D-технологий, как моделирование, визуализация и анимация, в науке. Несомненно и очевидно, что архитектурные и дизайнерские проекты приносят студиям неплохой доход; создание рекламных роликов и заставок для телеканалов — тоже интересные коммерческие проекты; стремятся к уровню настоящего искусства трехмерная мультипликация и визуальные эффекты в кинематографе. Давайте же рассмотрим проекты с использованием 3D, которые останутся в истории и, по оценкам специалистов, способствовали развитию науки и техники или просто помогли людям получить необходимые знания и навыки.
Для начала рассмотрим несколько международных программ, основанных на 3D-технологиях. И начнем, как это ни странно, с гуманитарных наук, а именно с истории. Для чего нужна здесь трехмерная визуализация? — спросите вы. Вспомните обычный урок истории. На нем рассказывают об устройстве государства или общества в тот или иной период, о социальном строе, обычаях, традициях. Сохранились многие архитектурные памятники, мы представляем себе моду тех времен. Скучно просто читать в учебнике описание всего этого — мы листаем страницы в поисках картинок, при этом наше воображение просыпается и прошлое уже не кажется безликим. И уж, конечно, все любят смотреть исторические фильмы, хотя критики всегда находят в них неточности в отображении тех или иных событий.
Но вернемся к нашей теме. Один из самых крупных проектов в этой области — «Возрожденный Рим» (“Rome Reborn”). Уже около десяти лет назад группа ученых из Института передовых технологий в гуманитарной сфере (IATH) Университета Вирджинии (США), Лаборатория виртуальной реальности культуры (CVRLab), Экспериментальный технологический центр (ETS), Лаборатория инженерного анализа (INDACO) в Политехническом институте Милана, институт Ausonius, Университет Бордо-3 и Кайенский университет объединили свои усилия в работе над проектом по визуализации трехмерной модели Древнего Рима. Первый день этой модели относится к 21 июня 320 года н.э.
У историков уже давно было накоплено довольно много информации о том, как выглядел Древний Рим, но продемонстрировать это широким массам им до сих пор не представлялось возможным. А тут появилась идея создать не просто модель, а модель города в конкретный период, точно в соответствии с историческими источниками, причем эта модель должна обновляться и может быть использована в образовательных целях. Для этого необходимо не просто показать город как можно более подробно, со всеми его улицами, памятниками и интересными местами, но и иметь возможность продемонстрировать, как отапливались, проветривались и освещались дома, как по улицам передвигались люди и пр. Иными словами, создать архитектурную визуализацию, но не будущего города, а существовавшего чуть меньше двух тысячелетий назад. Очень важно то, что модель должна обновляться, если получены новые археологические данные о том или ином периоде развития города.
Мы не устаем повторять, что любой проект по 3D-визуализации начинается с подбора референс-материалов (справочных). За основу моделирования объектов для Древнего Рима были взяты два источника: результаты археологических раскопок и исследований Древнего Рима с XIX века и региональный каталог Curiosum & Notitia, датируемый IV веком н.э. Тут, конечно, есть свои особенности: некоторые памятники архитектуры не были разрушены временем до основания и достаточно провести цифровую реконструкцию их сохранившихся частей — это, например, строения римского форума и форума Юлия Цезаря, амфитеатр Флавия, храм Венеры, однако большинство обычных зданий известны ученым лишь по описаниям.
Визуализация панорамы с южной стороны римского форума с Капитолийским холмом на заднем плане Model © 2008 The Regents of the University of California. Image © 2008 The Board of Visitors of the University of Virginia
К данному моменту в проекте Rome Reborn смоделировано уже 22 здания и памятника из западной части римского форума, Табулариум, форум Юлия Цезаря, базилика Максенция, храм Венеры, арка Тита, арка Константина, амфитеатр Флавия, Ludus Magnus, Septizodium и Большой цирк. Эти сооружения были созданы с помощью экспертов научного комитета.
Приходится считаться и с изменениями ландшафта, произошедшими за многие века. Его воссоздают с поправками на время, в точном соответствии с древними описаниями.
После того как будут в целом созданы панорамы, разработчики перейдут к интерьерам, мебели, статуям, памятным монументам, украшениям зданий, декоративной скульптуре и т.д. Люди, животные, растения, различные объекты наполнят модель города, когда всё будет готово.
Для чего же все это нужно, в чем практический смысл? Возможно, многие из вас уже видели трехмерную модель Древнего Рима, появившуюся в слоях Google Earth. Так вот, весь предыдущий рассказ был о создании этого красивого и, согласитесь, увлекательного дополнения. К тому же планируется снимать трехмерные фильмы, где в качестве декораций выступит данная модель. Ну и, конечно, эта модель найдет свое применение в школах на уроках истории, а также в исторических музеях.
Трехмерная историческая анимация, безусловно, повысит интерес школьников к истории. Современные дети выросли на компьютерных играх, и выучить ход сражения им гораздо проще по анимационному ролику в стиле игровых моделей. Создавать подобные ролики не слишком сложно, но они могут стать отличным пособием для учителей на уроках.
Трехмерная модель демонстрирует анатомию и функции сердца очень точно. Врачи, заглянувшие в разрез, чтобы рассмотреть сердце, увидели то же самое, что и во время операции. Heart Works (Glassworks)
Теперь перейдем к другому примеру. Поговорим о такой науке, как медицина. Все мы знаем, что студенты-медики много времени проводят в анатомическом театре, практикуясь на трупах, так как других способов обучения до сих пор не придумано. А вот и нет! Осенью прошлого года в Великобритании был сделан маленький шаг в большое будущее трехмерной науки — было создано виртуальное сердце.
Два года назад Сью Райт (Sue Wright), консультант кардиоанестезии из Кардиологического госпиталя в Лондоне, обратилась в Glassworks — компанию, специализирующуюся на высококлассных спецэффектах, включая гремлинов для рекламы Sprite, танцующий язык для шоколадных батончиков Aero и драконов в рекламе «Банка Ирландии».
В качестве основы для 3D-визуализации выступало настоящее человеческое сердце. Аниматоры специально наблюдали за операциями на открытом сердце, чтобы понять, на что похоже бьющееся сердце, а затем проводили консультации с множеством медиков.
Вообще-то, трехмерную модель человеческого сердца создавали и раньше. В медицине давно оценили и активно применяют возможности 3D, но только сейчас удалось воспроизвести биение сердца. Каждый сосуд и клапан созданы с такой точностью, что доктора уверены в том, что эта модель сможет стать жизненно важным инструментом в кардиологической практике. Работа аниматоров, по признанию врачей-кардиологов, просто поражает. Хирурги, анатомы, кардиологи, УЗИ-терапевты говорят, что компьютеризованный образ — это самый большой шаг вперед со времен Леонардо да Винчи, изменившего представление о сердце 500 лет назад.
Аниматоры идут следом за художником эпохи Возрождения, чьи рисунки, показавшие, как сосуды и клапаны сердца открываются и закрываются, мышцы расширяются и сокращаются, а кровь втекает и вытекает, были столь четкими и точными, что оказали влияние на методику операций, проводимых современными хирургами.
Современные технологии визуализации дают возможность создавать трехмерные модели молекул, которые позволяют не только объяснять школьникам химические законы, но и проводить виртуальные опыты и исследования именитым ученым, моделировать различные процессы и явления в науке. «Молекула» (On3D)
Филипп Бонхеффер (Philipp Bonhoeffer), руководитель кардиологического отделения детского госпиталя Great Ormond Street, отметил: «Рисунки и графики делают гораздо больше, чем слова, при изучении анатомии. Леонардо да Винчи был первым, кто нарисовал образы сердца. Мы с радостью рассмотрим и эти. Великолепно». Он добавил: «Геометрия соответствует работающему сердцу настолько, что я никогда раньше не видел ничего подобного. Это чрезвычайно поражает. Молодые люди, которые смогут изучать анатомию и строение сердца в 3D, никогда не поймут, как было сложно нашему поколению, не имевшему подобного инструмента».
3D-модель сердца отображается на мониторе. Чтобы усилить ее реалистичность, сердце помещено в трехмерный манекен. Таким образом, его можно исследовать, как во время операции. Технологический потенциал здесь огромен, ведь наработки могут быть использованы и для визуализации других органов.
Представьте, что в недалеком будущем можно будет заранее визуализировать ход любой операции. Отработать ее сначала в цифровой трехмерной операционной, а потом уже проводить на пациенте. Это поможет избежать многих ошибок и продумать действия во внештатных ситуациях.
Теперь поговорим о визуализации того, что мы не можем увидеть невооруженным глазом, — о моделях химических и физических процессов. Все по школе помнят учебные модели атомов, молекул, химических соединений и пр. Конечно, они помогали понять строение данных элементов, но как трудно было представить процессы, происходящие с ними и между ними, — все эти диффузии, броуновское движение и прочие увлекательные и загадочные явления природы оставались для большинства сложными теоретическими определениями. Не для всех, конечно, но для большинства. А теперь взглянем на те же самые демонстрационные модели, но уже выполненные в цифровом трехмерном пространстве. Мы можем не только воспроизвести с высокой точностью клетку, но и создать анимацию, например, на тему ее деления или других физических и химических процессов.
Раньше у нас было два способа изучать звездное небо: либо рассматривать планеты через телескоп в обсерватории, либо посещать планетарий. Теперь же и на домашнем компьютере, и в классе можно изучать звездное небо точно так же, как в планетарии. «Планета Земля» (On3D)
В научных институтах создано множество специальных программ для проведения виртуальных химических и физических опытов в таких областях, как аэро- и гидродинамика: обтекание автомобиля, судна, самолета, ракеты, зданий и сооружений; вентиляция внутренних отсеков; движение газов и жидкостей по магистралям и трубопроводам; моделирование турбомашин; моделирование процессов горения; моделирование процессов изготовления деталей: литье металлов, расчет процессов затвердевания и кристаллизации; экология, управление микроклиматом: распространение загрязнений и примесей в атмосфере и водной среде, отопление, вентиляция и кондиционирование и т.д.
И наконец, мы добрались до самой романтичной области научной 3D-визуализации — астрономии. Раньше у нас было два способа изучать звездное небо: либо рассматривать планеты через телескоп в обсерватории, либо посещать планетарий. Оба эти варианта были доступны только для жителей больших городов. Теперь же созданы программы, позволяющие на домашнем компьютере путешествовать к далеким планетам, рассматривать их с разных сторон, а как известно, и в телескоп не увидишь обратную сторону того или иного небесного тела. Можно узнать больше о звездах, созвездиях, галактиках, об атмосфере планет и их рельефе. Подобные программы еще и интерактивны и позволяют получать информацию о космических объектах. Как эффектно выглядят анимированные ролики о космосе, и говорить не нужно — достаточно посмотреть любой фантастический фильм. В зависимости от мощности компьютера можно выбрать степень детализации изображения, а также визуальные эффекты, которые будут сопровождать вас в вашей личной космической одиссее. Доступны и дополнительные визуальные эффекты звездных путешествий, например блики линзы. В базах данных подобных программ собрано более 2 млн космических объектов — труд не одного поколения астрономов.
На этом мы пока остановимся, но не думаем, что остановится развитие трехмерной реальности. При достаточных инвестициях наука и образование могут получить удивительный инструмент в виде моделей 3D-графики.
on3D.ru — проект 3D-анимации
и компьютерной графики
РА SOLEANS
 |
|