Виртуальность как способ изучения реального мира

1. Реальные и виртуальные миры

Что такое реальный мир? а виртуальный? где следует проложить границу между ними? Те объекты, которые мы видим вокруг себя: чашку, кота, монитор можно потрогать руками, изменить их. Значит они вполне реальны. Даже ветер вполне реальное явление, ведь его воздействие может изменять объекты. Но вот мы смотрим в монитор и видит там изображение человека, бегущего куда-то. Это изображение движется, подчиняясь нашим приказам, отдаваемым с клавиатуры, и мы в это время можем испытывать достаточно большой спектр эмоций и ощущений. Неужели то, что с нами происходит в компьютерных играх, - реальность? А может быть, определять объект в разряд «реальных» по признаку его ощутимости для человека неверно? Тогда что же следует признать критерием реального объекта?

Снова посмотрим на монитор. Бегущий там человек прыгает на крышу многоэтажного дома, дальше на соседнюю крышу... срывается... и бежит дальше. А теперь выглянем в окно. Часто мы такое можем увидеть? Человек, упавший с большой высоты без парашюта, вряд ли побежит дальше. Причина: деформация объекта (обычно необратимая) в следствие действия силы гравитации. Почему же в компьютерной игре на человека не подействовала гравитация? Ответ очевиден: так решил программист, создавший игру. В его власти было отменить физические законы в созданном им мире. Однако вряд ли он сможет отменить их за окном. Реальные объекты всегда подчиняются физическим законам. Программист создает лишь математические описания (представления) объектов и явлений реального или выдуманного им мира, но не сами объекты и явления. Такие представления и называют виртуальными объектами, т.к. они существуют лишь в памяти компьютера (вне памяти виртуальных объектов просто нет).

Несмотря на то, что виртуальные миры могут быть какими угодно и в них могут действовать любые (даже самые невероятные) «законы», наиболее качественными следует признавать те, которые похожи на реальность, подобны ей. Ещё бы... ведь с детства мы привыкли к тому, что огонь обжигает, резиновый мяч брошенный о стену отскакивает, перо и камень падают с разной скоростью и т.д. Если все это «воспроизвести» в виртуальном пространстве, то и человек «попавший» в это пространство будет чувствовать себя как в настоящем мире.

Конечно, подобие реальности не столь принципиально, если иметь ввиду лишь компьютерные игры. Однако подобие физическому миру имеет важное значение в изучении окружающей среды и прогнозировании. Представьте себе, что строится город в районе, где часто происходят ураганы. Дома какой прочности следует строить здесь? Как не просчитать и не сделать ошибку, ценой которой могут стать человеческие жизни? Возможно следует смоделировать дома, «заложив» их физические характеристики в компьютер. Затем, также смоделировать порыв ветра определенной силы и посмотреть его разрушающее воздействие на здания. Если виртуальный ураган разрушит виртуальные дома, ничего страшного, - можно просто поменять характеристики здания и наблюдать воздействие снова. Может оказаться так, что строить дома в выбранной местности экономически не выгодно. И лучше это знать заранее, чем построить, а через какое-то время придти к плачевному выводу. Становится очевидно: представление реальности с помощью компьютера может иметь вполне практическое значение.

2. Моделирование

Теперь поговорим о моделировании. В процессе моделирования создаются объекты-модели, цель которых заместить объект-оригинал при изучении. При этом модель должна содержать значимые для данного исследования (опыта) черты (свойства) оригинала, а незначительные для данного исследования можно опустить (игнорировать). В настоящее время широко применяется компьютерное моделирование, когда описание объекта или явления сохраняется в памяти компьютера, при этом используются специальные программы. Как и любое другое моделирование, компьютерное моделирование может быть различным. Например, математическим, когда какое либо явление или процесс описывается с помощью математических формул, а вести вычисления по ним без компьютера весьма сложно. Также следует выделить графическое моделирование, когда решается задача визуализации явления или процесса. Такое моделирование бывает необходимо, когда существует потребность в наглядном представлении явления из-за его сложности.

Отдельно следует выделить моделирование в реальном времени, при котором моделируемая система реагирует на воздействие из вне, другими словами – взаимодействует с объектами реального мира. Примером системы реального времени может служить игра (когда на действие пользователя в туже секунду наступает изменение поведения героя). Однако область применения моделирования в реальном времени намного шире и имеет важное практическое значение (телевидение, ядерная физика и др.).

3. Четырехмерное пространство и среды трехмерного моделирования

Известно декартово представление пространства как трех взаимно перпендикулярных осей (измерений): X, Y и Z. Это соответствует восприятию человеком длины, ширины и высоты объектов. Однако, помимо обладания этими характеристиками, объекты могут еще и изменяться. Изменение объектов происходит вдоль четвертого измерения – времени. Таким образом, мы получаем четырехмерное пространство, в нем и существуют реальные объекты.

Для того, чтобы смоделировать четырехмерное пространство на компьютере существуют среды трехмерного моделирования. Такая среда позволяет моделировать область пространства, наблюдать его из различных точек (изменять угол зрения), передвигать и изменять объекты. Во многих средах трехмерного моделирования можно не только создавать объекты, но и анимировать их (изменять их положение и свойства во времени).

Компьютерных программ, позволяющих создавать трехмерную графику достаточно много. Одной из них является Blender, изучению некоторых основ работы с которым посвящён данный курс. Blender, по-сравнению с другими средами трёхмерного моделирования, обладает двумя видимыми преимуществами. Во-первых он распространяется под лицензией GNU General Public License, что для конечного пользователя означает бесплатность его распространения и свободу копирования. Во вторых, в нем есть движок позволяющий создавать анимацию реального времени (интерактивные модели).

Вопросы и задания

  1. В чем заключаются отличия виртуального и реального объекта?
  2. Приведите примеры практической значимости создаваемых виртуальных пространств.
  3. Какова цель моделирования? Какие виды моделирования вы знаете?
  4. Какие виды компьютерного моделирования можно осуществить в средах трехмерной графики?

Дополнительная информация

  1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Трёхмерная_графика
  2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Виртуальная реальность
  3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Реальное время
  4. Boralli, F. BsoD/Introduction to Physical Simulation. (http://wiki.blender.org/index.php/Main_Page)
  5. Азимов А. Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики. - М.: ЗАО Центрполиграф, 2006. - 752 с.

Создано