Откуда вообще взялись разработки по виртуальной реальности в Новосибирске?

Здесь, в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, было три лаборатории. Две из них делали большие компьютерные графические станции, которые занимали целые комнаты. Третья лаборатория, где я был студентом, делала программное обеспечение для этих графических компьютеров. Начинка таких компьютеров была призвана сделать видеоизображение всего что угодно, то есть, по сути, это видеокарта.

Необходимо было программировать эту «видеокарту», писать для нее код и транслятор этого кода, язык, на котором моделировались трехмерные объекты, транслятор этого языка и моделировать на нем. Во время перестройки одна лаборатория распалась, так как кончились деньги. Вторая не выдержала конкуренцию со стороны видеоплат и вынуждена была переквалифицироваться в разработчики ПО. Наша компания организовалась как раз на основе людей, которые составляли третью, программную лабораторию. И мы по-прежнему делаем программное обеспечение для визуализации различных тренажеров.

Как и когда появилась «космическая тема»?

В 1985 году к нам в Институт Автоматики приехал космонавт Алексей Архипович Леонов. Ему показали первую в стране систему виртуальной реальности «Аксай» и выполнили на виртуальном самолете маневр «бочка» на высоте 3 метра над полосой. На такой высоте это конец для любого летчика. Алексей Архипович выкрикнул непечатное слово и чуть не разбил головой коллиматор.

В этот исторический день было принято решение, что «Аксай» надо срочно ставить в Центр подготовки космонавтов. Собственно, с этого момента и начался наш путь в тренажеростроение для ЦПК. Например, сейчас наша система визуализации стоит на тренажере стыковки с Международной космической станцией, и все космонавты проходят через эту систему.

— Объясните подробнее.

Корабль «Союз», когда подлетает к станции с Земли, он должен к ней пристыковаться. И все космонавты должны уметь пристыковаться на ручном управлении. Сначала стыковка была к «Миру», сейчас к МКС. Новая станция больше и разнообразнее, модулей там стало больше. Можно пристыковаться к ней снизу, сверху, а можно сзади. Причем космонавты при этом могут находиться как в «Союзе», так и внутри станции – управлять стыковкой. Мы каждый год дорабатываем эту систему, вносим какие-то новые «красивости», моделируем все, вплоть до возможных помех в телеканале станции.

— То есть может быть много технических помех?

Да, помехи техники, причем аналоговой. В некоторых, и даже во многих местах на МКС техника до сих пор аналоговая. То есть реальный аналоговый сигнал со всеми возможными помехами — срывом развертки, кадровой частоты, «снегом», падением контрастности, засветкой-пересветкой и так далее. Как-то я спрашиваю у космонавта Волкова, правильно ли мы моделируем эти помехи. Он говорит: «Ну, вроде все так». Потом не выдержал и говорит: «Да мне все равно. Я смотрю только на прицел. Сзади 7 тонн и спереди 400 тонн. Главное, чтобы они не “вмазались” друг в друга».

— Как выглядит сам тренажер стыковки к МКС?

Космонавт заходит в замкнутое, как на станции, пространство, где есть имитаторы джойстиков управления маневровыми двигателями и система контроля, с помощью которых он контролирует виртуальное сближение и стыковку. И вот мы там делаем систему визуализации, рисуем картинку. К самой физике и динамике процесса нас не подпускали. Мы отрабатываем по координатам, позициям, скоростям, которые нам передают и рисуем трехмерный вид.

— Какие новые разработки актуальны сейчас? Над чем вы работаете?

Мы уже третий год делаем, и сейчас как раз завершаем работу над так называемым тренажером ВИН, то есть визуально-инструментального наблюдения. Можно сказать просто, что это тренажер космического фотографа. Здесь две цели. Первая – это ознакомиться с видом Земли с борта станции в условиях облачности, под разными углами, с разным приближением. И второе – это собственно тренажер фотографа. Есть несколько моментов, которые на Земле не очевидны, а когда человек прилетает в космос, то оказывается, что он просто не успевает сделать фотографию.

Руководитель отдела виртуальной реальности ЗАО "СофтЛаб-НСК" Василий БартошЗемля проносится очень быстро. У космонавта примерно 15 секунд на поиск объекта и максимум 60 секунд на его фотографирование. Это в лучшем случае, если объект прямо по курсу и если при этом корабль «Союз», который практически все время «торчит» перед иллюминатором и мешает. Космонавт должен вести фотоаппарат, компенсируя бег Земли. При этом он должен правильно фокусироваться. Земля вроде бы и на «бесконечности», а не совсем. Если телеобъектив наведется на облака, то поверхность Земли будет нерезкой. При этом все это надо проделать через иллюминатор диаметром 23 сантиметра.

— То есть пока такой тренажер еще не используется?

Пока нет. Мы его еще не доделали. Пока есть только картонный макет иллюминатора. Через несколько месяцев мы его сделаем из материалов, близких к тем, что на станции.

— Сейчас у космонавтов получается мало снимков хорошего качества?

В принципе, да. Смотрите. Людей первым делом нужно научить сориентироваться по Земле, по пролетающим облакам, в разрывах которых видно планету. Во-вторых, надо научить сфотографировать объект. Казалось бы, сейчас уже летают спутники и много фотографируют в бешеном разрешении. Но, тем не менее, снимки космонавтов все равно востребованы.

Спутнику же не скажешь, что надо повернуться на 20 градусов влево, чтобы он снял такой-то вулкан. Спутники фотографируют только то, что находится прямо под ними. Задачу по такому обучению поставил Центр подготовки космонавтов. Сейчас они проходят это чисто теоретически, ориентируются по картам. Но теперь уже начали первое ознакомление, видят, как Земля выглядит из иллюминатора.

— Что будет представлять собой этот тренажер ВИН?

Рабочее место – это монитор высокого разрешения с макетом иллюминатора и фотоаппарат аналогичный бортовому, к которому мы снаружи «прилепили» микродисплей на правильном расстоянии через специальные удлинительные кольца. Получилась такая длинная «колбаса». На микродисплей подаем изображение Земли с компьютера. Человек при этом надевает на лоб специальный датчик, и при любом движении изображение на мониторе как бы «подыгрывает» движению его головы.

Фототренажер для космонавтовКосмонавт вертит этим фотоаппаратом со всеми устройствами. То есть, когда человек смотрит в видоискатель фотоаппарата или, оторвавшись от него, смотрит через макет иллюминатора, у него должно создаваться ощущение того, что он находится на борту МКС и смотрит на Землю через иллюминатор. Космонавты должны понимать механику этого процесса, правильно кадрировать, захватывать объект, фокусироваться.

— Когда планируется начать обучение космонавтов на тренажере?

По плану, завершение работ — в декабре этого года. То есть мы уже должны передать систему в пользование Центра подготовки космонавтов. Здесь требуется изготовление корпуса, который все вместе держит в себе, и обязательно с системой, которая «обезвешивает» фотоаппарат. Достаточно будет просто пальцем придерживать, чтобы он не улетел, как это и происходит в невесомости.

— В чем основная сложность в создании таких тренажеров? Или вы все давно отработали?

Нет, мы многое отрабатываем по ходу. Может это и хорошо. То есть в начале работы есть главное понимание — понимание того, что мы можем сделать и что сможем придумать, как сделать. Например, появились услуги по 3D-печати в нашем технопарке (технопарк новосибирского академгородка). Заказывать единичную конструкцию на заводе — дорого и неэффективно. А здесь 3D-модель приносишь, и они ее тут же печатают — на трехмерном принтере спекается довольно крепкая пластмасса. При этом стоимость пропорциональна весу. Так мы планируем сделать корпус для тренажера фотографа.

— Почему ЦПК заказывает что-то именно в Новосибирске?

Есть несколько компаний, с которыми они работают давно, и количество этих фирм, как правило, не меняется. Когда у ЦПК появилась потребность в подобном тренажере, они ее высказали, и мы взялись. Этот проект был очень рискованным. Довольно давно новых тренажеров не разрабатывалось из-за того, что финансирование было практически нулевым лет десять и даже больше. То есть это дело новое, наукоемкое и рисковое. Может получиться, а может не получиться. Мы посчитали, что это все мы сделаем, и они нам доверились.

— Какие еще проекты вы планируете реализовать для ЦПК? Будет тренажер для работы в открытом космосе?

Да, но это пока только проект. К сожалению, финансирование идет не так как нам хотелось бы. То есть оно может быть, а может и не быть. А сам проект очень интересный. Мы уже заявились, что беремся за него. Космонавт выходит в открытый космос, и у него есть задача или несколько задач. Необходимо что-то сделать снаружи. Проблемы начинаются сразу – по какой дороге туда пройти? Дорога эта может быть неочевидной и непростой. Где-то надо правильно перехватиться руками.

В одном месте есть поручни, а в другом нет. Чтобы эту траекторию пройти виртуально и запомнить весь алгоритм перехвата, мы предлагаем такой тренажер внекабинной деятельности, когда человеку нужно просто запомнить траекторию, потом правильно по ней пройтись, и, наконец, совершить те действия с аппаратурой, которые ему заданы. Мы уже сделали станцию МКС довольно подробно, так, что на наружной поверхности уже есть практически все крепления.

Фототренажер для космонавтовПравда, пока мы не задавались целью, чтобы они были на 100% достоверны. Поэтому сейчас, когда такой вопрос встал, мы видим, что часть наружных объектов нужно переместить на несколько сантиметров в одну или другую сторону. То есть нужны небольшие «косметические» переделки. А дальше нужно развивать алгоритмический поход, облет станции.

— Но ведь сейчас космонавтов тоже не отправляют на станцию без такой подготовки?

Сейчас космонавты изучают станцию только в гидробассейне, причем только тот модуль, который туда загружен. Бассейн довольно маленький и всю станцию (даже только весь ее российский сегмент), конечно же, не вмещает. А перегружать модули довольно дорого и долго – примерно неделю с задействованием большого количества людей.

А здесь, чтобы просто познакомиться со станцией, траекторией и задачей будет достаточно простого ноутбука с программой, которую мы планируем сделать. Конечно, невесомость мы на ноутбуке не сымитируем, но он и не для этого. Предполагается, что все операции по подготовке к невесомости уже проведены в гидробассейне, либо в летающей лаборатории, когда они пикируют на Ил-76 и создается невесомость на борту.

— Какие еще задачи в этой области что называется «назрели»?

Все задачи связаны с развитием этих самых виртуальных тренажеров. В перспективе это более дешевое направление, нежели все тренажеры делать натурально, в «железе». Мне называли такую цифру, что изготовление комплексного тренажера — макета космического модуля, требует 1 миллиард рублей. Виртуально же это гораздо дешевле, раз в 30-50. Раньше в СССР всякий модуль сразу делался в трех экземплярах. Один шел на орбиту, другой – резервный, и третий шел в Центр подготовки космонавтов. Сколько это стоило, никто не знает. Сегодня же все делается в единственном экземпляре. А ЦПК должен делать макеты сам.

Можно ли при неограниченных финансовых ресурсах, например, полностью воссоздать жизнедеятельность космонавтов?

Можно. В целом, мы как раз идем по пути виртуализации всего процесса. Мы можем в виртуальном пространстве имитировать большинство операций, которые должен уметь выполнять космонавт на борту станции, за бортом, в ходе космических полетов, высадках на Марс, Луну, и так далее.

— То есть фактически можно отправлять людей в космос без космоса?

Да. Все подобные операции мы можем выполнять в виртуальном пространстве. Появляется много новых технических приемов, которые мы можем реализовывать для «погружения» в виртуальную среду.

Фототренажер для космонавтовЭто шлемы, проекционные комнаты, экраны на которых можно имитировать хождение. То есть ты двигаешься по виртуальному миру, смотришь, перемещаешься и, в соответствии с этим, система позиционирования все это отслеживает и подстраивает картинку. Пока мы такие шлемы не разрабатываем, хотя это тоже есть в планах.

— Вы создали такую известную компьютерную игру как «Дальнобойщики». То есть работа для ЦПК схожа с созданием таких игр?

Да, конечно. Технологии одни и те же. Правда, я бы сказал, что компьютерные игры более сложные. Большая игра должна запускаться на миллионе компьютеров, работать и не «падать». Это требует очень тщательной отладки, проектирования и программирования. Тренажеры более специфичны, но там требуется работоспособность только на некоторых компьютерах. В этом смысле с отладкой проще.

— Кто-то еще к вам обращается за разработкой подобных тренажеров?

Мы уже давно работаем с железной дорогой – делаем тренажеры операторов сортировочных горок вместе с Сибирским университетом путей сообщения (СГУПС). В прошлом году начали делать первый тренажер аварийных ситуаций для угольной шахты «Распадская».

Также, например, к нам обратились специалисты из Новосибирского медуниверситета (НГМУ). Есть интерес сделать нечто вроде экспертной системы, которая помогала бы будущему врачу по уже наработанной базе клинических случаев принимать свои решения. Интерес к виртуальным тренажерам растет.

Беседовал Дмитрий Михалев

Фототренажер для космонавтов