автореферат диссертации по документальной информации, 05.25.05, диссертация на тему:Информационная система компьютерного моделирования массовых сцен

На правах рукописи

ЛАВРОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МАССОВЫХ СЦЕН

Специальность 05.25.05 - Информационные системы и процессы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О НОЯ 2011

Москва-2011

005001714

Работа выполнена на кафедре прикладной информатики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет культуры и искусств».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ольга Владимировна Шлыкова,

доктор культурологии, профессор

Вячеслав Михайлович Тютюнник,

доктор технических наук, профессор

Михаил Вениаминович Левнер,

кандидат технических наук

Государственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования «Институт повышения квалификации информационных работников»

Защита диссертации состоится 25 ноября 2011 г. в 11.00 на заседании диссертационного совета Д 210.010.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет культуры и искусств» по адресу: 141406, Московская обл., г. Химки, ул. Библиотечная, д. 7, корпус 2, ауд. 218 (зал защиты диссертаций).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Московского государственного университета культуры и искусств.

Автореферат разослан «<*&» октября 201

1 г.

>п Г

Учёный секретарь '' 7 * • -

диссертационного совета "О, IВ.Т. Клапиюк

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Компьютерные технологии все активнее входят во все области человеческой деятельности и современного общества, в частности в кинематограф, театр, рекламу и музейное дело. Одной из важнейших задач в этих областях является сохранение и популяризация культурного наследия. В первую очередь это необходимо для увековечения мировых достижений, консервации исторических артефактов (что, впрочем, является очевидным). Не меньшее значение имеет обеспечение доступа к мировым культурным ценностям, что, к сожалению, не всегда возможно по разным причинам (проблемы сохранности, географической удаленности и т. д.). В силу этого в процессах обучения и популяризации мирового наследия используются самые разные средства доведения информации до пользователя. Компьютерные технологии способны предоставлять для этого небывалые ранее мультимедийные технические возможности, обеспечивая наглядность, доступность и даже возможность визуальной реконструкции событий и памятников на основе оцифровки реальных исторических и культурных артефактов. Для реализации таких возможностей необходимо осуществление компьютерного моделирования событий, часто сопровождаемых массовыми сценами. Под массовой сценой в данном контексте подразумевается группа или группы компьютерных персонажей, имеющих общие цели, набор эмоций, находящихся в одной окружающей среде и осуществляющих в ней определенные действия. Такие модели уже сейчас востребованы в кинематографе, театре, индустрии интерактивных игр, рекламе и все активнее используются в музейном деле.

Однако процесс основательного, качественного, соответствующего действительности моделирования требует больших финансовых и интеллектуальных затрат. Для их снижения возникла идея, с одной стороны, автоматизировать процесс моделирования некоторых элементов компьютерной массовой сцены, требующих большого числа рутинных операций. А с другой, создать информационную систему, своего рода библиотеку типовых мо-

делей, разные комбинации которых позволили бы создавать большое разнообразие сложных сцен в трехмерном пространстве и многократно их использовать. Это должно позволить существенно удешевить, упростить процесс визуализации массовых сцен в кинематографе, телевидении, при реконструкции объектов культурного наследия и т.д., обеспечивая интерактивный доступ к ним.

Применение компьютерных моделей массовых сцен в российской практике, несмотря на востребованность, недостаточно проработано как концептуально, так и технологически. В производственный процесс внедряются единичные программные продукты, а общая теоретическая база, включающая методологию, анализ существующих методов, создание информационных систем для этих целей, находится в зачаточном состоянии.

Таким образом, существует необходимость разработки теоретической и практической основы компьютерного моделирования массовых сцен и построения специализированной информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен, что и определяет актуальность данной работы.

Степень разработанности и изученности темы

Анализ публикаций как иностранных, так и российских ученых показал, что тема исследования является сферой интересов как гуманитарных, так и технических наук. Существуют различные подходы к процессам моделирования и создания специализированных информационных систем. Однако, только появление высокопроизводительной вычислительной техники позволило, используя междисциплинарные подходы, вплотную подойти к проблеме компьютерного моделирования сложных действий, добиваясь достоверных результатов, чему и посвящена работа.

Методологической основой данного исследования при разработке компьютерных моделей массовых сцен являются труды О. М. Белоцерковского о компьютерном моделировании сложных численных экспериментов. Исследования его научной школы доказали, что обеспечение сложных численных

экспериментов в тех сферах деятельности, где натурный эксперимент весьма дорог (а часто и невыполним), требует моделирования реальных ситуаций на ЭВМ. Массовая сцена является таким же дорогостоящим мероприятием, как и масштабный натурный эксперимент. Поэтому компьютерное моделирование в данном случае является полностью оправданным и экономически целесообразным.

В ходе исследования было изучено около 200 различных научных источников по моделированию массовых сцен. В большинстве публикаций исследованы лишь отдельные компоненты массовых сцен или рассмотрено создание массовой сцены под узкие задачи (поведение индивидуумов толпы, поведение толпы, визуализация, взаимодействие толпы с окружающей средой и т. д.).

Особый интерес представляют работы, в которых массовая сцена рассматривается полностью и ставится цель построения завершенной модели массовой сцены. Прежде всего, это работы лаборатории виртуальной реальности федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария): Д. Тель-манн (D. Thalmann) «Симуляция толп» и др., О. Муссе (О. Musse) «Симуляции групп и толпы», Б. Улични (В. Ulicny) «Симуляция толп для культурного наследия» и др. Исследователями был обобщен накопленный опыт по моделированию толпы, но не была предложена универсальная модель массовых сцен.

В России методы компьютерного моделирования также широко и успешно применяются в различных областях. Например, для моделирования макроэкономических процессов В. JI. Макаров А. Р. Бахтизин активно используют мультиагентный подход к моделированию деятельности людских масс. Работы А. М. Алтукова, M. Е. Степанцова, Р. В. Гребенникова, С.Н. Тростянского развивают идеи компьютерного моделирования массовых сцен в социологической и естественнонаучной сферах.

При анализе научных источников, связанных с созданием интеллектуальных информационных систем, для нас большое значение имели работы

А. Д. Дубровина «Интеллектуальные информационные системы» (развивающего учение Г. Г. Белоногова), Т. А. Гавриловой «Базы знаний интеллектуальных систем», Д. В. Гаскарова «Интеллектуальные информационные системы». Данные работы посвящены принципам создания интеллектуальных и экспертных систем (ЭС), нейронных сетей и нечеткой логики.

В процессе создания компьютерных моделей массовых сцен создается объемная библиотека цифровых данных, проблемы сбора, хранения и поиска которых, а также управления ими очень близки к задачам, решаемым при создании электронных библиотек. В результате анализа было выявлено, что зарекомендовавшие себя подходы при создании информационно-библиотечных систем и электронных библиотек, освещенные в работах отечественных авторов ЯЛ. Шрайберга, А.Б. Антопольского, Т.В. Майстрович, Н.Е. Каленова и др., могут являться методологической основой при практической реализации результатов нашего исследования, с развитием этих подходов в область мультимедийной информации.

Объектом исследования является информационная система (ИС) компьютерного моделирования.

Предмет исследования - информационные процессы, связанные с компьютерным моделированием массовых сцен.

Цель данной диссертации - обосновать элементы автоматизированной информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен. Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Доказано, что разработанная функциональная структура информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен, состоящая из 16-ти базовых модулей, обеспечивает создание компьютерных массовых сцен в полном объеме. Предложенный автором пакет программного обеспечения на основе уже имеющихся коммерческих приложений и 18-ти разработанных автором скриптов обеспечивает техническую реализацию данной ИС.

2. Сформулирован комплекс специфических требований к информационной системе компьютерного моделирования массовых сцен, обеспечивающих:

- ее эффективность при создании, хранении и воспроизведении компьютерных массовых сцен;

- привлечение минимального количества персонала с максимальной автоматизацией процесса создания компьютерных массовых сцен;

- нацеленность на потребности пользователей, не имеющих технического образования в области информационных технологий;

- высокий уровень достоверности компьютерных массовых сцен;

- многократное использование любых элементов и компонентов компьютерных моделей массовых сцен;

- обязательное включение окружающей среды в массовые сцены.

3. Обоснована структура универсальной компьютерной модели массовых сцен, состоящей из четырех базовых элементов (толпа, окружающая среда, камера, источник света), без которых построение компьютерной модели массовых сцен принципиально невозможно.

Теоретическая значимость исследования заключается в. развитии функциональной структуры ИС и обосновании структуры универсальной компьютерной модели массовых сцен.

Практическая значимость исследования:

1. Внедрена ИС компьютерного моделирования массовых сцен в практику компаний RealTimeSchool и 3DreamTeam для решения кинематографических и рекламных задач, реконструкции памятников культурного наследия и архитектурной визуализации.

2. Разработанные компьютерные модели массовых сцен позволили произвести компаниям RealTimeSchool и 3DreamTeam проект по созданию города (совместно с компанией «Uniform»), создать прототип рекламного ролика для олимпийских игр на основе стадионной толпы и использовать мас-

совые сцены на проектах по реконструкции культурного наследия Vizerra (http://www.vizerra.com).

3. Апробирована методика компьютерного моделирования Бородинского сражения.

4. Разработаны компьютерные модели памятников мировой культуры из списка UNESCO:

- Красная площадь (Россия) по заказу Администрации Президента РФ;

- Монастырь Татев (Армения) по заказу компании «Тройка-Диалог»;

- Староместская площадь (Чехия) по заказу мэрии города Прага;

- Ангкор-Ват (Камбоджа) по заказу компании Datasia Inc.;

- Домик Джорджа Вашингтона в городе Маунт-Вернон (США) по заказу музея Маунт-Вернон.

- А также Тадж-Махал (Индия), Ступа Сваямбунатх (Непал), Мачу-Пикчу (Перу), площадь Сан-Марко (Италия), Ново-Иерусалимский монастырь (Россия), статуя Христа-Искупителя (Бразилия), Стоунхендж (Великобритания), город Петра (Иордания), Кижи (Россия).

Разработанные модели бесплатны для некоммерческого использования и доступны по адресу http://www.vizerra.com (На момент 20.04.2011). На 20.04.2011 сайт посетили более 100 тысяч пользователей.

5. Апробирован курс лекций по технической и программной реализации информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен для студентов специализации «Мультимедиа и веб-технологии», «Информационные технологии в дизайне», читаемый автором в МГУКИ и значительно повышающий уровень компетентности обучаемых в области мультимедийных технологий.

Научная обоснованность и достоверность результатов соискателя

подтверждаются адекватным соответствием результатов многократного компьютерного моделирования массовых сцен с данными, полученными из видеоколлекции различных реальных массовых сцен, а также опытом успеш-

ного применения разработанной информационной системы в коммерческих медийных проектах по созданию массовых сцен.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанная структура универсальной компьютерной модели массовой сцены является основой для построения любых компьютерных массовых сцен. Данная компьютерная модель массовой сцены состоит из четырех базовых элементов (толпа, окружающая среда, камера, источник света). В совокупности они позволяют создать любую компьютерную модель массовой сцены. Главным элементом системы является «толпа», без которой построение массовой сцены принципиально невозможно. Элемент «окружающая среда» выступает вторым по степени важности элементом, который определяет реалистичность поведения толпы в определенной среде. Элементы «камера» и «источник света» также обязательны в разработанной компьютерной модели.

2. Информационная система компьютерного моделирования, состоящая из 16-ти базовых модулей и выполненная посредством общедоступного коммерческого программного обеспечения, позволяет создавать, хранить, воспроизводить компьютерные модели любых массовых сцен. Принципиальным моментом является наличие в ИС 18-ти скриптов, разработанных автором диссертации, поскольку именно они связывают разрозненные компоненты ИС. Созданная система является высокопроизводительной средой для объединения распределенных медийных ресурсов с целью получения максимальной производительности при обработке больших потоков данных и решении задач, требующих больших объемов вычислений (визуализация толпы и окружающей ее среды, прогнозирование поведения толпы в массовой сцене).

3. ИС компьютерного моделирования массовых сцен удовлетворяет следующим необходимым и достаточным пользовательским требованиям:

- обеспечение возможности создания, хранения и воспроизведения массовых сцен;

- привлечение минимального количества персонала с максимальной автоматизацией процесса, т. к. компьютерное моделирование массовых сцен состоит из большого количества рутинных технических операций;

- ориентация на пользователя, не имеющего технического образования в области информационных технологий, например, художника компьютерной графики;

- обеспечение высокого уровня достоверности массовых сцен;

- многократное использование любых элементов и компонентов компьютерных моделей массовых сцен;

- обязательное включение окружающей среды в массовые сцены.

4. Разработанная информационная система компьютерного моделирования массовых сцен позволяет создавать компьютерные модели массовых сцен различных типов на основе библиотеки типовых моделей.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной научно-методической конференции «Электронные изображения и визуальные искусства» (г. Москва, 2006); международной научно-методической конференции «Электронные изображения и визуальные искусства» (г. Москва, 2007); девятой международной научно-методической конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (г. Воронеж, 2009); первой международной научно-методической конференции «Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования» (г. Ижевск, 2009); всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе» (г. Йошкар-Ола, 2009); международной научно-практической конференции «Технологии 3D визуализации в образовании, науке, культуре, бизнесе - перспективы применения» (г. Москва, 2009); международной конференции-выставке «Информационные технологии в образовании» (г. Йошкар-Ола, 2009); двенадцатой международной научно-методической конференции «Computer Graphics and Artificial Intelli-

§епсе» (г. Афины, Греция, 2009); семинарах по искусственному интеллекту (г. Москва, ЦЭМИ РАН).

Личное участие автора заключается в обосновании требований к ИС, в реализации технического, программного и организационного обеспечения ИС, а также в разработке структуры универсальной компьютерной модели массовых сцен.

На основе результатов, полученных в данной исследовательской работе, автор с 2005 года по настоящее время внедряет в учебный процесс МГУКИ авторские программы по учебным дисциплинам «Компьютерный монтаж», «Композитинг» для студентов специализации «Мультимедиа и веб-технологии».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из которых 2 в журналах, рекомендованных ВАК, 10 работ подготовлены автором индивидуально и 3 в соавторстве.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы (230 названий) и 11-ти приложений.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, выясняется степень ее разработанности, определяются объект, предмет, цель и задачи, теоретическая и практическая значимость исследования, раскрывается научная новизна, формулируются положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Подходы к разработке информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен» посвящена анализу предметной области, описанию исследуемой проблемы, анализу предлагаемой универсальной компьютерной модели массовой сцены, формулировке требований, предъявляемых к информационной системе компьютерного моделирования массовых сцен, литературному обзору научных публикаций, посвященных массовым сценам в различных областях и их применению к

областям, рассматриваемым в данной диссертации. Глава содержит три параграфа.

В первом параграфе «Анализ современного состояния информационных систем компьютерного моделирования массовых сцен в мировой и российской практике» дается обзор и анализ работ по исследуемой теме за рубежом и в России.

Анализ показал, что, с одной стороны, существует потребность в компьютерном моделировании массовых сцен как в мире, так и в России. Это обусловлено практическим спросом потребителей на модели такого типа в связи с высокой стоимостью реальных массовых съемок. С другой стороны, тема в теоретическом плане мало исследована, особенно в России. Совокупность этих факторов определяет необходимость разработки теоретической базы компьютерного моделирования массовых сцен, обоснования и реализации информационной системы, позволяющей создавать массовые сцены на большом количестве разнородных проектов, где могли бы использоваться типовые решения и модули.

Во втором параграфе первой главы «Структура универсальной компьютерной модели массовых сцен» теоретически обосновывается и предлагается структура универсальной модели компьютерной массовой сцены.

Для создания компьютерной модели реальных массовых сцен был осуществлен перенос элементов, составляющих реальные массовые сцены, в компьютерную модель на основе анализа видеоматериалов и опроса потенциальных пользователей системы (художников, режиссеров, постановщиков массовых сцен, специалистов по реконструкции событий). На рис. 1 представлена созданная по результатам исследования структура универсальной компьютерной модели массовой сцены, описанная унифицированным языком моделирования 11МЬ.

Структура модели отображает результаты проведенного анализа взаимоотношений между элементами и компонентами массовой сцены. Под элементом подразумеваются сущности первого порядка, без которых не воз-

можна реализация компьютерной модели массовой сцены. Элементы состоят из компонентов первого порядка, которые представляют собой элементооб-разующие блоки. Они содержат компоненты второго порядка, которые представляют собой конкретные объекты, составляющие компьютерную модель.

Кроме связей между ними были проанализированы также количественные соотношения. Количественные соотношения на рис. 1 представлены значками 0..* (от 0 до бесконечности), 1 (один) и 1..* (от одного до бесконечности). Линии, заканчивающиеся стрелками, показывают ассоциации между компонентами. Линии, начинающиеся ромбами, показывают принадлежность компонентов элементам или компонентам более высокого порядка.

Заложенные в предлагаемую нами структуру модели отношения между ее элементами и компонентами позволяют прогнозировать количественные характеристики модели и результаты компьютерного моделирования на ранних стадиях реализации проекта.

Компьютерная модель массовой сцены в нашем исследовании состоит из четырех базовых элементов: толпа, окружающая среда, камера, источник света. Эти базовые элементы являются основой для создания комплексной компьютерной модели массовой сцены. В работе выполнена декомпозиция главного элемента массовой сцены «толпа». Доказывается, что этот элемент является первичным в модели, т.к. именно он определяет начало массовой сцены.

Данный элемент состоит из трех основополагающих компонентов: блок принятия решений, анимационный блок и визуальный блок. В свою очередь данные компоненты также состоят из более мелких образующих компонентов. Блок принятия решений содержит рецепторы, логические узлы и триггеры. Анимационный блок состоит из набора действий и скелета. Визуальный блок содержит геометрические объекты, шэйдеры, текстуры, ткани и волосы.

В третьем параграфе первой главы «Основные требования к информационной системе компьютерного моделирования массовых сцен» обосновывается перечень требований к системе. При этом большое значение придается вопросам практического использования создаваемых моделей. Были обоснованы следующие требования к ИС компьютерного моделирования массовых сцен:

- ее эффективность при создании, хранении и воспроизведении компьютерных массовых сцен;

- привлечение минимального количества персонала с максимальной автоматизацией процесса создания компьютерных массовых сцен;

- нацеленность на потребности пользователей, не имеющих технического образования в области информационных технологий;

- высокий уровень достоверности компьютерных массовых сцен;

- многократное использование любых элементов и компонентов компьютерных моделей массовых сцен;

- обязательное включение окружающей среды в массовые сцены.

В главе детально определены подходы к проектной реализации ИС. Предлагаемая информационная система базируется на применении мультиа-гентной компьютерной симуляции массовой сцены, с последующей визуализацией полученной трехмерной модели и совмещением с окружающей средой.

Во второй главе «Проектирование информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен и ее программно-аппаратная реализация» предложена авторская концепция набора уже имевшихся программных продуктов и разработанных в ходе исследования скриптов, которые в совокупности составляют технологическую основу информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен. Глава состоит из четырех параграфов.

Первый параграф второй главы «Общее устройство информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен» посвящен информационным процессам производства компьютерных моделей массовых сцен в ИС и обоснованию модульной структуры для их программной реализации.

В ходе исследования предложена информационная система компьютерного моделирования массовых сцен. Данная информационная система разработана с учетом всех требований, обоснованных в первой главе.

Структурно процесс по созданию компьютерной модели массовой сцены разделен на четыре блока (см. рис. 2): блок разработки шаблонного индивидуума, блок построения массовой сцены, блок хранения и поиска массовых сцен, блок воспроизведения.

В блоке разработки шаблонного индивидуума создаются шаблоны индивидуума компьютерной массовой сцены, который является интеллектуальными агентами (система, находящаяся в среде, действующая в среде и воспринимающая среду), содержат набор поведенческих правил, движений и набор внешних видов. Это позволяет создавать на базе одного шаблонного индивидуума множество псевдоуникальных индивидуумов, отличных друг от друга по внешнему виду и поведению. Данные о шаблонных индивидуумах хранятся в блоке хранения и поиска. Во время реализации проектов данные об индивидуумах поступают в блок построения массовой сцены.

На этом этапе полученный шаблонный индивидуум помещается в окружающую среду с камерами и источниками освещения, создаются его экземпляры, происходит симуляция массовой сцены, ее визуализация и компози-тинг. В результате создаются видеофайлы с массовыми сценами. Финальные видеофайлы поступают в блок хранения и поиска. Программную реализацию предлагаемой информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен предлагается осуществлять по модульному принципу. Под модулем подразумевается интегрированный компонент ИС, использующий отдельный программный продукт для своего функционирования и связанный с другими компонентами для осуществления информационного процесса производства массовой сцены. Все модули ИС реализуются на основе доступных коммерческих или бесплатных программных продуктов, выбранных в ходе исследования. Скриптовые средства, связывающие отдельные модули, были полностью разработаны автором. Реализация каждого технологического этапа единого процесса реализации ИС программно реализуется только ему свойственными доступными программными продуктами и скриптами, дающими возможность реализовать систему в целом.

Разработка шаблонного индивидуума (агента)

----

Получение сценария, раскадровки

Получение описания и концептуальных рисунков

______ персонаже й

Исходные данные в различных мультимедийных форматах

■•'" МИИ&к!

Сбор и сортировка фотографий

актеров, реквизита и окружения

Таблица в формате ГхГ

В Создание I

!>| анимации ||

............;.....

Файлы (Рх

Г Редактирование I анимации под 1 дерево движений : ......I

;ГНастройка _ | Я физических В*»-| свойств

ШЯ

Файлы гау* и

"" (в- Файлы га\у и

Произвести мультиагентную симуляцию толпы

Построение массовой сцены

Рис. 2. Блок-схема информационной системы компьютерного моделирования

массовых сцен

Во втором параграфе второй главы «Общепроизводственные модули» обоснованы основные инфраструктурные технологические модули информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен. Данные модули позволяют поддерживать работу системы и осуществлять проекты автоматизированным образом, сведя работу пользователей по поддержанию целостности больших объемов проектных данных к минимуму.

К общепроизводственным модулям относятся модуль управления базами данных проектов (реализует блок хранения и поиска в ИС), модуль управления распределенными вычислениями, модуль планирования проекта и модуль воспроизведения массовой сцены. В параграфе раскрываются особенности скриптов для автоматизации процесса создания компьютерных моделей на различных стадиях, а именно: создание нового проекта, генерация первичных данных массовой сцены по составленному проектному плану, управление базой проектных данных и управление распределенными вычислениями.

Третий параграф второй главы «Модули разработки индивидуумов для элемента «толпа»» детально описывает ранее обоснованные модули ИС. В их число входят модуль создания поведения индивидуумов, модуль создания анимации, модуль трехмерного моделирования геометрических частей индивидуумов, модуль создания текстур и модуль создания текстур смещения. В совокупности данные модули позволяют создать полноценного компьютерного индивидуума, который впоследствии помещается в массовую сцену.

Четвертый параграф второй главы «Модули разработки массовой сцены» посвящен обоснованию и описанию модулей создания толпы средствами разработанной автором информационной системы, помещения их в окружающую среду, согласованию этих моделей и обоснованию создания дополнительных программных скриптов.

Модель индивидуумов, реализованная на предыдущем этапе, помещается в окружающую среду, и создаются его экземпляры. Благодаря вариациям персонажа все экземпляры выглядят по-разному и имеют различное поведе-

ние. В модуле симуляции производятся расчеты возможного в данных условиях поведения толпы, состоящей из индивидуумов. В качестве модуля симуляции было выбрано приложение Massive, широко известное в западном кинематографе, но не использовавшееся ранее в российской практике. Приложение позволяет выполнять симуляцию большого числа индивидуумов в окружающей среде с источниками света и управлять виртуальной камерой.

На проектах, приведенных в данной диссертации, окружающая среда создавалась в трехмерных приложениях или была получена путем видеосъемки. В случае использования реальной окружающей среды, реконструированная виртуальная модель камеры помещается в сцену вместе с толпой. При этом виртуальная камера воссоздается на основе реальной съемки в модуле реконструкции камеры и геометрии сцены.

Полученные в результате симуляции данные отправляются в модуль визуализации толпы. Модуль производит на основе данных симуляции последовательность изображений с толпой. Трехмерная модель окружающей среды проходит визуализацию в модуле визуализации окружающей среды.

Совмещение толпы с окружающей средой происходит в модуле компо-зитинга (совмещение элементов изображения в единое целое). Камера и источники света у обеих этих частей массовой сцены синхронизированы в трехмерном пространстве. Две последовательности изображений сводятся в один финальный видеофайл, который является конечным продуктом производства компьютерной массовой сцены.

Таким образом, на базе разработанной информационной системы, компьютерных моделей массовых сцен и программных средств их разработки были созданы все предпосылки для компьютерной реализации разнообразных массовых сцен в зависимости от заранее заданных конкретных условий.

В третьей главе «Внедрение информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен» представлены проекты, на которых были апробированы разработанные в диссертации информационная система и универсальная компьютерная модель массовых сцен.

Первый параграф третьей главы «Апробация информационной системы и универсальной модели при разработке экспериментальных и коммерческих компьютерных моделей массовых сцен» посвящен описанию использования полученных результатов при реализации ряда реальных проектов. Это касается как моделирования отдельных фрагментов события (модели вы-сокоупорядоченных массовых сцен, шествие факельщиков и т.д.), так и компьютерного моделирования исторических событий на примере Бородинского сражения.

Компьютерные модели высокоупорядоченных массовых сцен позволили получить компьютерные толпы, пригодные для использования в целях постановки представлений и рекламы. Данный подход позволяет управлять движением толпы по сплайнам (кривая, соединяющая две или более точек), что дает возможность постановщику построить любые формы движения больших групп индивидуумов данной толпы.

Компьютерная модель массовой сцены, включающая толпу, совмещенную с реальной статической окружающей средой, показала возможность реалистичного сочленения компьютерной толпы с реальной окружающей средой. Компьютерная модель толпы, совмещенной с реальной динамической окружающей средой, показала возможности модуля реконструкции камеры и геометрии сцены и модуля композитинга. Полученные результаты по совмещению компьютерной графики с реальной средой использовались на коммерческих проектах студиями RealTime, 3DreamTeam, Даго, Cinemateka и другими, что отражено в Актах о внедрении исследования.

Компьютерная модель массовой сцены, включающая в себя интеллектуальные неодушевленные объекты, позволила создавать большие модели массовых сцен, включающие интеллектуальную окружающую среду. Данный подход был применен при разработке проекта студии Uniform, состоящего в визуализации большого города, населенного тысячами индивидуумов.

Приведенные в диссертации примеры (Акты о внедрении имеются в Приложениях 10 и 11) подтверждают научную обоснованность, достовер-

ность и применимость полученных результатов на практике. Внедрение разработанной информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен и созданной универсальной модели позволяют решить разнообразные задачи по реализации массовых сцен.

Второй параграф третьей главы «Специфика использования модифицированной информационной системы для разработки проектов по реконструкции мирового культурного наследия» посвящен специфическим особенностям модификации разработанных в исследовании информационной системы и моделей для реализации проектов У1гегга (http://www.vizerra.com) по реконструкции мирового культурного наследия. Показано, как технологии организации массового производства компьютерной графики (в частности массовых сцен и окружающей среды для них), полученные при разработке информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен, позволили создавать компьютерные модели мировых памятников культуры. Описаны технологии для визуализации памятников мировой культуры и интерактивного взаимодействия с ними в реальном времени, реализованные автором в компании ЗЭгеатТеат. Показаны области применения созданной технологии и имеющиеся пределы реализации, связанные с мощностью аппаратного обеспечения. Однако увеличение мощности технических средств должно привести к уменьшению количества ограничений и дальнейшему проникновению технологий создания компьютерных массовых сцен в приложения реального времени.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты и сделаны следующие выводы:

1. Существует потребность в создании информационных систем и моделей компьютерных массовых сцен применительно к кинематографу, телевидению, рекламе, массовым постановкам, компьютерным играм.

2. Требуется дальнейшее развитие технологий компьютерного моделирования массовых сцен.

3. Разработана структура универсальной компьютерной модели массовой сцены, служащая отправной точкой для создания любых типов компьютерных моделей массовых сцен. Программная реализация модели показала ее достоверность.

4. Сформулированы и обоснованы ключевые пользовательские требования к информационным системам компьютерного моделирования массовых сцен:

- обеспечение возможности создания, хранения, поиска и воспроизведения массовых сцен с помощью распространенного программного обеспечения;

- привлечение при моделировании минимального количества персонала с максимальной автоматизацией процесса, поскольку компьютерное моделирование массовых сцен состоит из большого количества рутинных технических операций;

- ориентация на пользователя, не имеющего образования в области информационных технологий;

- обеспечение высокого уровня достоверности с точки зрения рядового зрителя;

- реализация многократного использования любых элементов и компонентов компьютерных моделей массовых сцен;

- обязательное включение окружающей среды в массовые сцены.

5. Доказано, что информационная система компьютерного моделирования массовых сцен, основанная на методах мультиагентной симуляции, эффективнее традиционных подходов, основанных на ручной анимации или системе частиц.

6. Определены базисные элементы при выборе перечня и структуры программных приложений для реализации полуавтоматического компьютерного моделирования массовых сцен:

- использование уже имеющихся приложений в качестве модулей ИС;

- необходимость разработки специальных программ-скриптов, обеспечивающих эффективную совместную работу данных приложений.

7. Технологии организации производства компьютерной графики, полученные при разработке информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен, применимы и при создании компьютерных моделей памятников мировой культуры.

8. Созданная информационная система, модели и технология могут успешно применяться в вузах в процессе обучения по специальностям «Компьютерные технологии», «Мультимедиа и режиссура».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

- в журналах, входящих в Перечень рецензируемых изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией России:

1. Лавров А.А. Нейрокомпьютерное моделирование массовых сцен в социокультурной сфере / А.А. Лавров // Нейрокомпьютеры: разработка, применение.-М.: Радиотехника, 2010. - №8. - С. 63-68.

2. Лавров А.А. Компьютерное моделирование массовых сцен в социокультурной сфере / А.А. Лавров // Информационные ресурсы России. - М.: ФГУ «Российское энергетическое агентство» (РЭА) Минэнерго России, 2010.-№2.-С. 31-32.

- в других научных изданиях:

3. Лавров А.А. Трехмерные интерактивные системы в бизнесе и образовании: практические аспекты применения / А.А. Лавров, А.В. Дегтярева, Н.В. Ильина // Architecture and Modern Information Technologies. - 2009. -№3(8).

URL: http://www.marhi.ru/AMIT/2009/3kvart09/Ilina/article.php (дата обращения: 25.12.2010).

4. Лавров А.А. Компьютерные технологии на страже объектов всемирного наследия: образ будущего / А.А. Лавров, Н.В. Ильина // Architecture and Modern Information Technologies: международный электронный научно-образовательный журнал, - 2009. - № 4 (9). - URL: http://www.marhi.ru/AMIT/2009/4kvart09/Ilyina/Article.php (дата обращения: 25.12.2010).

5. Лавров А. А. Моделирование массовых сцен с использованием муль-тиагентных систем / А.А. Лавров // Научные исследования. - М.: Науком,

2008,-№4.-С. 44-48.

6. Лавров А. А. Разработка концепции библиотеки интеллектуальных агентов компании / А.А. Лавров // Труды российских ученых. - М.: Науком,

2009.-№4(12).-С. 63-68.

7. Lavrov A. A. Achieving Realism in 3D Interactive Systems / A.A. Lavrov, A.K. Gukasyan, N.V. Ilyina // Virtual Worlds and E-Commerce: Technologies and Applications for Building Customer Relationships. - Business Science Reference, 2009. - P. 205-215. (Достижение реализма в трехмерных интерактивных системах)

- в трудах конференций:

8. Лавров A.A. Использование игровых технологий для привлечения пользователей к образовательным информационным ресурсам / А. А. Лавров // Вестник Марийского государственного университета: Применение информационно-коммуникационных технологий в образовании: по материалам шестой Всероссийской научно-практической конференции (20-21 мая 2009 г.) - Йошкар-Ола: Марийский государственный университет, 2009. -№3. - С. 86-88.

9. Лавров A.A. Разработка информационной системы для создания компьютерных массовых сцен в медиавизуальной сфере / A.A. Лавров // Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции с международным участием (24-25 апреля 2009 г.). - 4.2. - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2009. - С. 34-40.

10. Лавров A.A. Теоретические задачи компьютерного моделирования массовых сцен в социокультурной сфере / A.A. Лавров // Электронная культура: материалы «круглых столов» лодейнопольского междисциплинарного семинара (2006-2008 гг.). - М.: МГУКИ, научный совет РАН по методологии искусственного интеллекта, 2009.- С. 123-124.

11. Лавров A.A. Мультиагентный подход к компьютерному моделированию массовых сцен в социокультурной сфере / A.A. Лавров // Искусственный интеллект: философия, методология, инновации: материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Москва, МИРЭА, 11-13 ноября 2009 г. под ред. Д.И.Дубровского и Е.А.Никитиной. -М.: Связь-Принт, 2009. - С.161-163.

- в учебных изданиях:

12. Лавров A.A. Видеодизайн и композитинг в приложении Adobe After Effects / A.A. Лавров // Учебная программа по специальности 351400 «Прикладная информатика (в менеджменте)», квалификация «информатик-менеджер». - М.: МГУКИ, 2008. - 12 с.

13. Лавров A.A. Видеодизайн и композитинг в приложении Adobe After Effects / A.A. Лавров // Кафедра мультимедийных технологий и информационных систем: Приоритеты и точки роста. - М.: МГУКИ, 2008. - С. 246-254.

Подписано в печать: 19.10.11

Объем: 1,5 усл.пл. Тираж: 100 экз. Заказ № 506 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Ленинградский пр-т, д. 74, корп. 1 (495) 790-47-77; www.reglet.ru

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МАССОВЫХ СЦЕН.

1.1. Анализ современного состояния информационных систем компьютерного моделирования! массовых сцен в мировой и российской практике.

1.2. Структура универсальной компьютерной модели массовых сцен

1.3. Основные требования к информационной'системе компьютерного моделирования массовых сцен.

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МАССОВЫХ СЦЕН И ЕЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.

2.1. Общее устройство информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен.

2.2. Общепроизводственные модули.

2.3. Модули разработки индивидуумов для элемента «толпа».

2.4. Модули разработки массовой сцены.

ГЛАВА 3. ВНЕДРЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МАССОВЫХ СЦЕН.

3.1. Апробация информационной системы и универсальной модели при разработке экспериментальных и» коммерческих компьютерных моделей массовых сцен.

3.2. Специфика использования модифицированной информационной системы для разработки проектов по реконструкции мирового культурного наследия.

Актуальность проблемы

Компьютерные технологии все активнее входят во все области человеческой деятельности и современного общества, в частности, в кинематограф, театр, рекламу и музейное дело [194-199; 202-203, 205; 214, 217, 221, 226230]. Одной из важнейших задач в этих областях является сохранение и популяризация культурного наследия. В первую очередь это необходимо для увековечения мировых; достижений; консервации исторических артефактов; (что, впрочем, является? очевидным); Нёменыпее значение имеет обеспечение доступа к мировым культурным; ценностям; что, к сожалению, не всегда возможно- по разным причинам; (проблемы сохранности, географической удаленности и т. д.). В силу этого в процессах обучения и популяризации мирового наследия используются самые разные- средства доведения информации до пользователя [201, 204, 207-212, 215-216, 218-220, 222]. Компьютерные технологии способны предоставлять для этого небывалые ранее мультимедийные технические возможности [200; 206, 213], обеспечивая наглядность, доступность, и даже возможность визуальной реконструкции событий и памятников на основе оцифровки реальных исторических и культурных артефактов. Для реализации таких возможностей необходимо осуществление компьютерного моделирования; событий; часто сопровождаемых массовыми сценами1.

Такие модели уже сейчас востребованы в кинематографе, театре, индустрии интерактивных игр, рекламе и все: активнее используются в музейном деле.

Однако процесс основательного, качественного, соответствующего действительности моделирования требует больших финансовых и интеллек

1 Под массовой сценой в данном контексте подразумевается группа или группы компьютерных персонажей, имеющих общие цели и эмоции, находящихся в одной окружающей среде и осуществляющих в ней определенные действия. туальных затрат. Для их снижения возникла идея, с одной стороны, автоматизировать процесс моделирования некоторых элементов компьютерной массовой сцены, требующих большого числа рутинных операций. А с другой, создать информационную систему [223-225], своего рода библиотеку типовых моделей, разные комбинации которых позволили бы создавать большое разнообразие сложных сцен в трехмерном пространстве и многократно их использовать. Это должно позволить существенно удешевить, упростить процесс визуализации массовых сцен в кинематографе, телевидении, при реконструкции объектов культурного наследия и т. д., обеспечивая интерактивный доступ к ним.

Применение компьютерных моделей массовых сцен в российской практике, несмотря» на востребованность, недостаточно проработано как концептуально, так и технологически. В производственный процесс внедряются единичные программные продукты, а общая теоретическая база, включающая, методологию, анализ существующих методов, создание информационных систем для этих целей, находится'в зачаточном состоянии.

Таким- образом, существует необходимость разработки теоретической и практической основы компьютерного моделирования массовых сцен и построения специализированной» информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен, что и определяет актуальность данной работы.

Степень разработанности и изученности темы

Анализ публикаций как иностранных, так и российских ученых показал, что тема исследования является сферой интересов как гуманитарных, так и технических наук. Существуют различные подходы к процессам моделирования и создания, специализированных информационных систем.

Проблема компьютерного моделирования массовых сцен стала активно обсуждаться с 80-х годов XX века. Только появление высокопроизводительной вычислительной техники позволило, используя междисциплинарные подходы, вплотную подойти к проблеме компьютерного моделирования сложных действий, добиваясь достоверных результатов.

Методологической основой данного исследования при разработке компьютерных моделей массовых сцен являются работы О. М. Белоцерковского о компьютерном моделировании сложных численных экспериментов [5, 6]. Исследования его научной школы доказали, что обеспечение сложных численных экспериментов в тех сферах деятельности, где натурный эксперимент весьма дорог (а часто и? невыполним), требует моделирования реальных ситуаций на ЭВМ. Массовая сцена является таким же дорогостоящим мероприятием, как и масштабный'натурныйэксперимент. Поэтому компьютерное моделирование в данном; случае является; полностью оправданным и экономически целесообразным.

В; большинстве работ исследованышишь отдельные компоненты массовых сцен или рассмотрено создание массовой; сцены под узкие задачи, (поведение индивидуумов толпы, поведение толпы,.визуализация;; взаимодействие толпы с окружающей средой и т. д.).

Большинство работ ориентировано1 на управление толпой в целом! при самоуправляемых реалистичных индивидуумах толпы. Этот подход используется в работах С. Баека (S. Back) [49], Л. Кермела (L. Kermel) [92], А. Лернера (А. Lerner) с коллегами [98], Л. Шрассо (L. Prasso) [115], К. Рсйнолдса (С. Reynolds) [119, 121, 122]. Особый интерес представляют работы, в которых массовая?сцена рассматривается полностью и ставится цель построения.завершенной модели массовой сцены. Прежде всего, это работы лаборатории виртуальной реальности федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария): Д. Тельманн (D. Thalmann) «Симуляция толп» и др. [140], О. Муссе (О. Musse) «Симуляции групп и толпы» [108], Б. Улични (В; Ulicny) «Симуляция толп для культурного наследия» [148] и др.

Анализ работ таких авторов, как А. Браун (А. Braun) [56, 57], С. Дони-кян (S. Donikian) [68], H. Гомез (N. Gomez) [74], Д. Хелбинг (D. Helbing) [80, 81, 82], П. Томпсон (P. Thompson) [141] и других по моделированию массовых сцен в областях социологических, естественных и психологических наук показал, что модели, созданные в них, не могут быть использованы в нашем случае без изменений. Основной причиной этого является отсутствие реалистичной визуализации массовой сцены для конечного зрителя, т. к. данные науки требуют, прежде всего, высокоточной модели поведения массовой сцены, а не ее фотореалистичного представления исследователю. Многие из симуляций массовых сцен в этих областях являются двухмерными. Однако ряд положений, почерпнутых в данных областях (социология, естественные науки, психология) [31, 32, 37, 38], были полезными для- компьютерного' моделирования- массовых сцен в, нашем случае. Данные положения касаются.моделирования толпы в целом и ее индивидуумов.

Целый ряд работ по теме моделирования массовых сцен носит чисто прикладной характер, а вопрос разработки универсальной модели массовых сцен в них не затрагивается [49, 64, 65, 92, 98, 115, 120, 142]. Этот вывод был сделан по результатам анализа поисковых запросов в- библиотеках Association for Computing Machinery и Institute of Electrical and'Electronics Engineers. По-видимому, это связано с тем, что большая часть работ по разработке массовых сцен происходит в компьютерных компаниях, медиахолдингах, прикладных структурах под конкретные целевые проекты.

В России решения-компьютерного моделирования также широко и успешно применяются в различных областях. Например, для моделирования макроэкономических процессов. В. JL Макаров [30] и А. Р. Бахтизин [4] активно используют мультиагентный подход к моделированию людских масс. Работы А. М. Алтукова «Моделирование групповой динамики толпы, паникующей в ограниченном пространстве» [1], M. Е. Степанцова «Моделирование движения толпы при заданной конфигурации препятствий» [37], Р. В. Гребенникова «Модель поведения толпы на основе локальных потенциальных полей» [10], С. Н. Тростянского «Имитационное моделирование формирования эффекта толпы» [40] развивают идеи компьютерного моделировании массовых сцен в социологической и естественнонаучной сферах.

При анализе научных источников, связанных с созданием интеллектуальных информационных систем, для нас большое значение имели работы А. Д. Дубровина «Интеллектуальные информационные системы» (развивающего учение Г. Г. Белоногова) [13], Т. А. Гавриловой «Базы знаний интеллектуальных систем» [7], Д. В. Гаскарова «Интеллектуальные информационные системы» [8]. Более подробный их анализ представлен в разделе 1.1 диссертации.

В процессе создания компьютерных моделей массовых сцен и системы управления- этими моделями создается, объемная библиотека цифровых данных, проблемы сбора; хранения и поиска которых, а также процессы управления ими, очень близки к тем задачам; которые решаются.при создании*информационно-библиотечных систем (ИБС) и классических электронных библиотек. Поэтому были проанализированы научные работы ведущих специалистов Россиив этой!сфере. В результате анализа было выявлено, что зарекомендовавшие себя подходы к организации ИБС и-электронных библиотек, освещенные в работах отечественных авторов Я-. Л. Шрайберга («Разработка принципов построения программно-аппаратурного и технологического1 обеспечения автоматизированных- библиотечно-информационных систем и сетей») [44], А. Б. Антопольского и Т. В. Майстрович («Электронные библиотеки: принципы создания: Научно-методическое пособие») [2], Н. Е. Калено-ва («Комплексная,автоматизация библиотечной технологии БЕН РАН») [14], могут являться методологической основой для воплощения результатов нашего исследования с развитием этих подходов в область мультимедийной информации.

Объектом исследования является информационная система (ИС) компьютерного моделирования.

Предмет исследования — информационные процессы, связанные с компьютерным моделированием массовых сцен.

Цель данной диссертации — обосновать элементы автоматизированной информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Доказано, что разработанная функциональная структура информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен, состоящая из 16-ти базовых модулей, обеспечивает создание компьютерных массовых сцен в полном объеме. Предложенный автором пакет программного обеспечения на основе уже имеющихся коммерческих приложений и 18-ти разработанных автором скриптов обеспечивает техническую реализацию данной ИС.

2. Сформулирован комплекс специфических требований к информационной системе компьютерного моделирования массовых сцен, обеспечивающих:

- ее эффективность при создании, хранении и воспроизведении компьютерных массовых сцен;

- привлечение минимального количества персоналах максимальной автоматизацией процесса создания компьютерных массовых сцен;

- нацеленность на потребности пользователей, не имеющих технического образования в области информационных технологий;

- высокий уровень достоверности компьютерных массовых сцен;

- многократное использование любых элементов и компонентов компьютерных моделей массовых сцен;

- обязательное включение окружающей среды в массовые сцены.

3. Обоснована структура универсальной компьютерной модели массовых сцен, состоящейиз четырех базовых элементов (толпа, окружающая среда, камера, источник света), без которых построение-компьютерной модели массовых сцен принципиально невозможно.

Теоретическая значимость исследования заключается в развитии функциональной структуры ИС и обосновании структуры универсальной компьютерной модели массовых сцен.

Практическая значимость исследования

1. Внедрена ИС компьютерного моделирования массовых сцен в практику компаний RealTimeSchool и 3DreamTeam для решения кинематографических и рекламных задач, реконструкции памятников культурного наследия и архитектурной визуализации.

2. Разработанные компьютерные модели массовых?сцен.позволили произвести компаниям^ RealTimeSchool и 3DreamTeam проект по созданию города совместно с компанией «Uniform», создать прототип рекламного ролика для олимпийских игр на основе стадионной толпы и использовать массовые сцены на проектах по реконструкцииv культурного наследия Vizerra (http ://www. vizerra. com).

3. Апробирована методика компьютерного моделирования Бородинского сражения.

4. На основе разработанных технологий компьютерного моделирования созданы компьютерные модели памятников мировой культуры из списка UNESCO:

- Красная площадь (Россия) по заказу Администрации Президента РФ;

- Монастырь .Татев (Армения) по заказу компании «Тройка-Диалог»;

- Староместская площадь (Чехия) по заказу мэрии-города Прага;

- Ангкор-Ват (Камбоджа) по заказу компании Datasialnc.;

- Домик Джорджа Вашингтона в,городе Маунт-Вернон (США) по заказу музея Маунт-Вернон.

- А также Тадж-Махал (Индия), Киево-Печерская лавра .(Украина), Ступа Сваямбунатх (Непал), Мачу-Пикчу (Перу), площадь Сан-Марко (Италия), Ново-Иерусалимский монастырь (Россия), статуя Христа-Искупителя (Бразилия), Стоунхендж (Великобритания), город Петра (Иордания), Кижи (Россия), площадь Святого Петра (Ватикан), мечеть Сердце Чечни (Россия).

Разработанные модели бесплатны для некоммерческого использования и доступны по адресу http://www.vizerra.com (На момент 20.04.2011). На 20.04.2011 сайт посетили более 100 тысяч пользователей.

5. Апробирован курс лекций по технической и программной реализации информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен для студентов специализации «Мультимедиа и веб-технологии», «Информационные технологии в дизайне», читаемый автором в МГУКИ и значительно повышающий уровень компетентности обучаемых в области мультимедийных технологий.

Научная» обоснованность и* достоверность результатов, соискателя подтверждаются? адекватным соответствием результатов многократного компьютерного моделирования массовых сцен с данными, полученными из видеоколлекции различных реальных массовых сцен, а также опытом успешного применениям разработанной информационной системы в коммерческих медийных проектах по созданию массовых сцен.

На защиту выносятся следующие положения:.

1. Разработанная структура универсальной компьютерной модели массовой сцены, является основой для построения любых компьютерных массовых сцен. Данная компьютерная модель массовой сцены состоит из четырех базовых элементов (толпа, окружающая среда, камера,, источник света). В совокупности они позволяют создать любую компьютерную модель массовой сцены. Главным элементом системы является «толпа», без которой построение массовой сцены принципиально невозможно: Элемент «окружающая среда» выступает вторым по степени важности элементом, который определяет реалистичность поведения, толпы в определенной среде. Элементы «камера» и «источник света» также обязательны в разработанной компьютерной модели.

2. Информационная система компьютерного моделирования, состоящая из 16-ти базовых модулей и выполненная посредством общедоступного коммерческого программного обеспечения, позволяет создавать, хранить, воепроизводить компьютерные модели любых массовых сцен. Принципиальным моментом является наличие в ИС 18-ти скриптов, разработанных автором диссертации, поскольку именно они связывают разрозненные компоненты ИС. Созданная система является высокопроизводительной средой для объединения распределенных медийных ресурсов с целью получения максимальной производительности при обработке больших потоков данных и решении задач, требующих больших объемовг вычислений (визуализация толпы и окружающей ее среды, прогнозирование поведения толпы в массовой сцене).

3. ИС компьютерного моделирования массовых сцен удовлетворяет следующим необходимым и достаточным пользовательским требованиям:

- обеспечение возможности создания, хранения и воспроизведения массовых сцен;

- привлечение минимального количества персонала с максимальной автоматизацией процесса, т. к. компьютерное моделирование массовых сцен состоит из большого количества рутинных технических операций;

- ориентация- на< пользователя, не имеющего технического образования в области^ информационных технологий; например, художника- компьютерной графики;

- обеспечение высокого уровня достоверности массовых сцен;

- многократное использование любых элементов и компонентов компьютерных моделей массовых сцен;

- обязательное включение окружающей среды в?массовые сцены.

4. Разработанная информационная система компьютерного моделирования массовых сцен позволяет создавать компьютерные модели массовых сцен различных типов на основе библиотеки типовых моделей.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на российских и международных конференциях, симпозиумах, школах-семинарах:

- Международная научно-методическая конференция «Электронные изображения и визуальные искусства» (Москва, 2006).

- Международная научно-методическая конференция «Электронные изображения и визуальные искусства» (Москва, 2007).

- Девятая международная научно-методическая конференция «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2009).

- Первая международная научно-методическая конференция «Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования» (Ижевск, 2009).

- Всероссийская научно-практическая конференция «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе» (Йошкар-Ола, 2009).

- Международная научно-практическая конференция «Технологии 3D визуализации в образовании, науке, культуре, бизнесе - перспективы применения» (Москва, 2009).

- Международная конференция-выставка «Информационные технологии в образовании» (Йошкар-Ола; 2009).

- Двенадцатая международная научно-методическая конференция «Computer Graphics and Artificial Intelligence» (Афины, Греция, 2009).

- Семинары по искусственному интеллекту (Москва; ЦЭМИ РАН).

Личное участие автора заключается*в обосновании требований к ИС, в реализации технического, программного и организационного обеспечения ИС, а также в разработке структуры универсальной компьютерной модели массовых сцен.

На основе результатов, полученных в данной* исследовательской работе, автор с 2005 года по настоящее время внедряет в учебный процесс МГУКИ авторские программы по учебным дисциплинам «Компьютерный монтаж», «Композитинг» [17, 18] для студентов специализации «Мультимедиа и веб-технологии».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из которых 2 в журналах, рекомендованных ВАК, 10 работ подготовлены автором индивидуально и 3 в соавторстве.

Выводы по главе 2

1. Разработана информационная система компьютерного моделирования: массовых сцен, основанная, на методах мультиагентной симуляции. Мультиагентная симуляция позволяет сократить время на управление отдельными индивидуумами. Благодаря;тесному взаимодействию модулей ИС достигнута передача данных с этапа на этап и автоматизация рутинных процессов.

2. Унифицированы методы создания? компонентов-, элемента «толпа». Наибольшее время- производства требует создание компонентов элемента «толпа»: Кроме того, его компоненты: имеют наибольшее количество сложных компонентов, что является фактором- риска- для возникновения производственного брака при ослаблении контроля над этими элементами. Проблема, решена унификацией методов создания данных компонентов. и созданием инструментов автоматизации рутинных процессов и контроля результатов на выходе из соответствующих модулей ИС.

3. Обоснованы набор и структура программных приложений для реализации полуавтоматического компьютерного моделирования массовых сцен. Среди всех доступных приложений.симуляции; компьютерной1;графики, пла-нирования--.и автоматизации были^выбраны наиболее доступные,.ношршэтом: достаточно мощные- программы. Полученный набор приложений позволяет выполнять полный цикл производственных операций по созданию компьютерных массовых сцен. Каждое из приложений выполняет свою уникальную задачу в рамках данной ИС. Вывод любого приложения из ИС приводит или к неработоспособности системы (например, Massive или Maya), или снижению? эффективности функционирования (например, Nuke,, After Effects или Mudbox).

ГЛАВА 3.

ВНЕДРЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МАССОВЫХ СЦЕН

3.1. Апробация информационной системы и универсальной модели при разработке экспериментальных некоммерческих компьютерных моделей массовых сцен

Описанная в предыдущих главах информационная система компьютерного моделирования массовых, сцен позволяет решать различные задачи по реализации массовых сцен. В данной главе* будут рассмотрены проекты, на которых была апробирована; данная? информационная система и структура универсальной компьютерной модели массовых сцен.

Первые: экспериментальные проекты, на информационной- системе* автор1 выполнил полностью сам - такие компьютерные модели, как: толпа на стадионе, паника в толпе, а также- массовое представление. К более поздним трудоемким проектам-были привлечены 2 художника и 1 аниматор:

Экспериментальным путем в ходе: 10 экспериментальных проектов с 4 сотрудниками* (включая? автора); было, установлено^ что ■ нетехнические специалисты способны быстро (втечение;нескольких недель при: наличишопыта; трехмерного моделирования) обучиться- пользованию всеми модулями системы кроме модуля, отвечающего за. создание искусственного интеллекта агента. В более поздних проектах было найдено решение в; виде создания нескольких шаблонных типов логики агента и вывода основных его настроек в пользовательский интерфейс. Данныйшодход позволил аниматору без помощи технического специалиста осуществлять тонкую настройку поведения агентов массовой сцены.

Полученная структура универсальной компьютерной модели массовой сцены представляет собой шаблон, на основе которого могут быть построены более сложные компьютерные модели. В рамках данной диссертации автором построены следующие модели: но компьютерное воссоздание сцен с большой массовкой на этапе производства визуальных эффектов.

В конце 2005 г. в связи с приближением 200-летней годовщины Отечественной войны 1812 г. в компании RealTimeSchool было принято решение провести ряд экспериментов для выявления возможностей' компьютерной реконструкции крупных батальных сцен. В качестве тестового проекта было выбрано одно из наиболее масштабных сражений — Бородинская битва [29].

В ходе предыдущих проектов за-2007 г. был разработан процесс, позволяющий создавать большие реалистичные толпы и, используя различные технологии, размешать их в необходимой окружающей среде, получая тем самым полноценные массовые сцены.

Проект состоит из трех компонентов:

1. Сбор историко-иллюстративных сведений о Бородинском сражении.

2. Разработка технологий для создания войск и пиротехники.

Как было сказано в предыдущих главах, для создания реалистичной массовой, сцены требуется наличие большого количества'справочных материалов. Выданном проекте потребовалось спроектировать принципиально новые типы индивидуумов, которые способны участвовать в. симуляции, боя:. Это предполагает намного более сложный интеллект и расширенный набор действий.

Для получения данных о Бородинском сражении и его участниках были привлечены коллеги из интернет-проекта «1812» [156]. Было получено большое количество иллюстративных, документальных материалов, а также видеосъемки современной реконструкции Бородинского сражения;

Наибольшую сложность представляет второй этап, ввиду разработки многочисленных технологий для создания войск, ландшафта и сложной пиротехники.

Наиболее сложная проблема — создание войск и обеспечение их взаимодействия между собой. Этот этап был разделен на отдельные задачи для

3. Обеспечение взаимодействия солдат между собой, окружающей средой и управление их формациями. Русский и французский пехотинцы имеют одинаковый набор логических элементов. Отличается лишь переменная, отвечающая за определение союзников и врагов. В данной сцене для определения чужих солдат использовалось не машинное зрение, а «слух». Этот подход существенно снижает сложность вычислений. Враги и союзники отличаются частотой звука. При обнаружении врага солдат начинает атаку в его направлении. Данный подход уже был успешно применен в проекте «Компьютерная модель массовой сцены, включающая в себя интеллектуальные неодушевленные объекты» (см. Рис. 34). В обоих случаях агенты совершают действия, обнаруживая объект, но в случае с пехотинцами оба агента являются активными участниками взаимодействия.

4. Визуализация полученной трехмерной сцены. Получаемая на выходе сцена будет иметь размер, исчисляемый гигабайтами. Для решения такой задачи должны быть использованы 64-битные системы с большим объемом оперативной памяти, о которых речь шла во второй главе.

Рис. 44. Снятое на камеру поле с расставленными по нему маркерами (обведены красными линиями) для последующего совмещения движения окружающей среды с войсками

3.2. Специфика использования модифицированной информационной, системы для разработки проектов по реконструкции мирового культурного наследия Технологии организации производства компьютерной графики, полученные при разработке информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен, позволили создавать компьютерные модели мировых памятников культуры в проекте Л^гегга.

На момент написания данной работы в рамках компании ЗБгеашТеаш разработаны технологии визуализации памятников мировой культуры и интерактивного взаимодействиям ними в реальном времени, что предоставляет пользователю возможность совершать интерактивные прогулки по ним и взаимодействовать с объектами среды, получая' о них информацию. Эти свойства приложения позволяют использовать его в учебной деятельности и для-демонстраций в виде трехмерных интерактивных экскурсий. На сегодня-созданы компьютерные модели 17 памятников мировой культуры.

Компьютерные игры представляют собой* приближенную-к современному компьютеризированному кинематографу подсистему, на которой можно-проследить-реализацию ранее приведенных положений по мультиагент-ным системам.

Компьютерные игры рассматриваются в данной диссертации по той причине, что приложение Л/ггегга (разработанное автором в рамках компании ЗБгеатТеат для реконструкции интерактивных памятников культурного наследия) базируется на технологиях компьютерных игр.

Массовые сцены, в современных компьютерных играх пока не получили широкого распространения. Основной причиной этого являются высокие требования к ресурсам, компьютера для отображения массовых сцен в реальном времени. Тем не менее, ситуация.постепенно меняется — появляются;раз-личные варианты отображения массовых сцен в компьютерных играх. С наибольшим успехом увеличение количества персонажей в кадре происходит в случае, когда большое количество персонажей важно для самого процесса

Был осуществлен эксперимент по применению базовой модели массовых сцен в проекте Vizerra (рис. 48). Модель показала себя применимой и в этом проекте, но с поправкой на ограничения приложений реального времени, таких, как:

- ограничение на количество уникальных персонажей;

- ограничение на количество текстур и их размер;

- ограничение на количество геометрических частей и количества полигонов в них;

- ограничение на количество шэйдеров и их сложность;

- ограничение на количество анимационных движений;

- ограничение на количество костей в скелете персонажа;

- невозможность использовать сложную логику, так как сложная логика не может быть просчитана в реальном времени на обычном компьютере.

Следует отметить, однако, что наблюдается явная тенденция к уменьшению количества ограничений, связанная с увеличением мощности аппаратного обеспечения.

В настоящее время продолжается разработка массовых сцен для проекта Vizerra.

Автором за последние 7 лет обучено более 300 специалистов технологиям композитинга и совмещения движения в школе компьютерной графики RealTimeSchool и на кафедре мультимедийных технологий и информационных систем МГУКИ, проведено специализированное мероприятие по технологии совмещения движения для специалистов компьютерной*графики [15] и сделано более 10*докладов по этим, темам на различных профессиональных конференциях, посвященных компьютерной графике. Автор являлся сертифицированным преподавателем Adobe Systems Inc. в области видеодизайна и композитинга (приложение Adobe After Effects) [17, 18].

2. Информационная система компьютерного моделирования массовых сцен успешно применена для разработки ряда типовых моделей, таких, как компьютерные модели высокоупорядоченных массовых сцен; компьютерная массовая сцена на стадионе; компьютерная толпа, совмещенная с реальной статической окружающей средой; компьютерная толпа, совмещенная с реальной динамической окружающей средой; компьютерная модель массовой сцены, включающая в себя интеллектуальные неодушевленные объекты; компьютерная модель «Шествие факельщиков»; компьютерная модель Бородинского сражения.

3. Технологии организации производства компьютерной графики, полученные при разработке информационной системы компьютерного моделирования массовых сцен, применены при создании компьютерных моделей мировых памятников культуры в рамках проекта Vizerra.

1. Богомазова Т.Г. Электронная коммерция в музее: панацея или неизбежность / Т.Г. Богомазова // МУЗЕЙ. 2006. - № 4. - С. 25-30.

2. Борисова М. «Не-музейные» технологии в работе музеев с посетителями: плюсы и минусы / М. Борисова // Музей. 2010. - №8. - С. 14-18.

3. Бороноева Т. А. Художественный музей и современные информационные технологии / Т. А. Бороноева // Электронные библиотеки: перспективы развития. Улан-Удэ, 2009: - С. 61-67.

4. Браккер Н.В. Россия: Интернет и культурное наследие. Материалы международной конференции EVA2002 Электронный ресурс. / Н.В. Браккер, Л.А. Куйбышев. Киев, 2002. - URL: http://www.cpic.ru/indexr.htm (дата обращения: 25.12.2010).

5. Браун Р.Д. Искусство создания танцевальной музыки на компьютере / Р.Д. Браун. Mi: Экономика, 1998: - 447 с.

6. Вартанова Е.Л. Новые проблемы и приоритеты цифровой эпохи //Информационное общество. -2001. -№3. С.50-56.

7. Виртуальные реальности: Науч.тр. Центра профориентации / Под ред. Носова- H.A. Центр виртуалистики Института человека РАН. Вып. 4.- М.: Центр профориентации, Центр виртуалистики, 1998. 212 с.

8. Всемирный Саммит по информационному обществу / сост. Е.И. Кузьмин, В.Р. Фирсов; М-во культуры и массовых коммуникаций РФ, Рос. ком. прогр. ЮНЕСКО "Информация для всех", Рос. библ. ассоц., РНБ.- СПб.: РНБ, 2004.- 135 с.

9. Галеев Б.М. Компьютер и искусство // Человек. — 2001. — №4. -С.114-125.

10. Дукельский В.Ю. Виртуальный проект в пространстве музея Текст.: [реферат] / В.Ю. Дукельский, A.B. Лебедев; авт. реф. Р.Ф. Перцов-ская // Справочник руководителя учреждения культуры. 2008. — № 1. - С. 82-87.

11. Дубина И.Н. Современное телекоммуникационное искусство: становление новой парадигмы творчества Электронный ресурс. / И.Н. Дубина. URL.: http://www.teterin.ru/context.htm (дата обращения: 25.12.2010).

12. Иванов В.П; Трехмерная компьютерная графика / A.C. Батраков, В.П. Иванов. -М.: Радиосвязь, 1995. 223 с.

13. Информационные технологии: доступ к культурному наследию: седьмая ежегодная конференция АДИТ-2003: тезисы-докладов / Некоммер: партнерство^ "Автоматизация деятел. музеев и информ. технологии" (АДИТ) и др. . М.: ИнформСистемы, [2003]. - 144 с.

14. История в сети* Текст.: обзор музейных сайтов- // Отечество. -2007.-№2 .-С. 7.

15. Мошкович М. Виртуальные студии: техника и технологии / М. Мошкович; пер. с англ.: О. Е. Катина, Г. П: Грошева. — Жуковский: Эра, 2001.-215 е., [4] л. ил. : ил. + 1 эл. опт. диск (CD-ROM).

16. Розина И.В*. Информационные виртуальные ресурсы: доступ к культурному наследию Электронный ресурс. / И.В. Розина // Информационное общество и культура (экспресс-информация) . -2010. вып. 1/2010 -С.141-145.

17. Русский музей: виртуальный филиал // МУЗЕЙ. 2006. - № 1 . -С. 20-23.

18. Титова О. Ю. Программное обеспечение1 музея: внедрение новых информационных технологий для сохранения архитектурного наследия / О. Ю. Титова // Справочник руководителя учреждения культуры. 2004. -№1.- С. 62-68.

19. Смольков В.Н., Тютюнник В.М. Системный подход к эффективности реальных информационных систем // Науч.-техн.информация. Сер.1. Организация и методика информ. работы. 1990. - № 2. - С. 13-14.

20. Смольков В.Н., Тютюнник В.М. Современное состояние комплексной оценки эффективности информационных процессов // Информация и науч. исследования культуры: Сб: науч.тр. / НИИ Культуры. М., 1988. - С.66-83.

21. Тютюнник В.М. Математическая модель информационной системы как открытой динамической системы // Компьютер, хроника. 2001. -№ 6, июнь. - С.69-71.

22. Штернин С.Л. Информационные технологии для театров: современные методы работы с профессиональной информацией / С. Л. Штернин // Справочник учреждения культуры. М., 2003. - №11. - С. 34-42.

23. Электронные изображения и визуальные искусства: Материалы междунар. конф. «Новые информационные технологии в сфере культуры, Кооперация между Россией и Европейским Союзом: Препринт / УА8АЫ,

24. Соединенное Королевство, Центр по проблемам информатизации сферы культуры М-во культуры РФ, Гос. Третьяковская галерея. М., 1998 - 2009.