Компьютерная графика от космоса до грузовика

Cегодня, пожалуй, любой школьник может что-то рассказать о трехмерной компьютерной графике. Первыми заказчиками систем визуализации в эпоху холодной войны стали военные – американские и советские. Затем кошельки раскрыли голливудские кинематографисты – публика жаждала новых спецэффектов. Позже подтянулся и бизнес. Игра «Дальнобойщики» производства компании «СофтЛаб-Нск» и лаборатории Института автоматики и электрометрии СО РАН вошла в двадцатку самых продаваемых компьютерных игр на американском рынке, а ее последняя версия стала единственным российским продуктом, попавшим в 100 самых продаваемых игр XXI века. Компания-издатель «1С» объявила о выходе новой версии «Дальнобойщиков» в ноябре этого года.

Вопрос организации инновационной системы в Академгородке нередко обсуждается с точки зрения конкуренции между институтами и коммерческими инновационными компаниями. Ведь от большой науки государство сегодня ждет прикладных разработок и их внедрения в производство. Эту проблему призван решить федеральный закон №217, позволяющий создавать в институтах и вузах коммерческие компании. С начала 90-х годов разработки институтов зачастую «уходили» в компании вместе с сотрудниками. Однако из любого правила есть исключения. Лаборатория программных систем машинной графики Института автоматики и электрометрии СО РАН, изначально работавшая над созданием систем для авиационных и космических тренажеров, стала одним из немногих примеров многолетнего продуктивного сотрудничества академического института и коммерческой инновационной компании. Под руководством д.ф.-м.н. Михаила Лаврентьева в лаборатории трудятся около 20 человек, которые разрабатывают современные системы компьютерной графики.

– Михаил, расскажите, пожалуйста, о ваших разработках и их практических приложениях.

– Мы создаем трехмерные изображения, которые можно просматривать в реальном времени. В голливудских фильмах все привыкли видеть компьютерную графику. Сегодня ее качество настолько высоко, что обычному человеку не отличить от натурных съемок. Но в фильмах мы не можем оглянуться или перейти на другую точку – видеоряд диктует оператор. Для тренажерных систем и компьютерных игр возможность самому управлять сценой в реальном времени – одно из главных условий. Наша задача – удовлетворить требованиям качества изображения в этих условиях. Вы перемещаетесь в другую точку – и оттуда не просто видны другие предметы, но иначе падают тени и блики, другое освещение, другая перспектива.

– Ваши основные заказчики – государство или бизнес?

– К большому сожалению, работать с авиацией мы пока прекратили – от нее не поступает заказов. Зато для космоса работа продолжается. Сейчас мы делаем компьютерную графику для тренажера стыковочного узла МКС. На этом тренажере перед полетом проходят подготовку все экипажи, их учат производить стыковку в ручном режиме. Такое оборудование мы уже делали для космической станции «Мир». Астронавты готовятся в макете кабины и видят на экране полную достоверную картину, которую они будут наблюдать в космосе. Учитываются абсолютно все параметры – дата и время стыковки, положение Земли и Солнца, линия тени. В системе содержатся данные о шести тысячах навигационных звезд, а видимые из них отображаются именно в том положении, в котором они будут во время стыковки. Система установлена в Центре подготовки космонавтов, и объем работы по этому проекту у нас небольшой – на уровне поддержки. Более плотно мы работаем с Российскими железными дорогами по проекту тренажера сортировочной станции. Но задачи, выполняемые нами для космонавтов и РЖД, ничуть не сложнее, чем работа по созданию компьютерных игр. Мировая индустрия компьютерных игр по объему вложений является вторым приложением компьютерной графики.

– Очередная версия игры «Дальнобойщики» уже объявлена к выходу компанией «1С». Расскажите, пожалуйста, об этом проекте.

– Это новая версия гонок большегрузных автомобилей высокой степени реалистичности. Если модуль космического корабля стыкуется достаточно медленно, то автомобиль несется с бешеной скоростью. И так же быстро меняется пейзаж вокруг него. Он едет утром, днем, вечером и ночью, иногда под дождем, иногда под солнцем, при свете луны или уличных фонарей. Под колесами может быть сухой асфальт или поблескивать лужи, в которых отражается небо и окружающий город. Все визуальные эффекты в мельчайших подробностях проработаны нашими сотрудниками для максимального соответствия действительности, и каждая картинка сменяется 50 раз в секунду – вдвое чаще, чем в кино.

– Как вы взаимодействуете с компанией «СофтЛаб-Нск», основным исполнителем при создании систем компьютерной графики?

– На мой взгляд, взаимодействие выстроено довольно органично. Сотрудники лаборатории пишут научные статьи о разработанных алгоритмах, выступают на конференциях и работают по хоздоговорам. Компания – потребитель этих алгоритмов, она использует их в коммерческих целях и помогает привлекать хоздоговоры в институт. Сотрудники лаборатории работают в компании по совместительству. Так продолжается уже более 15 лет, за которые лаборатория смогла сохраниться, а компания вырасти. В этот процесс активно вовлечен университет, где преподают наши сотрудники и где лаборатория и компания черпает себе будущие кадры. Это взаимовыгодный процесс. У студентов есть выбор между научной карьерой в институте и интересной работой в успешной крупной компании. Важно, что свои магистерские диссертации они пишут по тематике, которая реально востребована в этой компании – они видят, где на практике используются их усилия. Такие мощные перспективы привлекают самых сильных студентов с факультета информационных технологий, физического и механико-математического факультетов НГУ. Некоторые из них остаются в науке, другие переходят на работу в компанию, третьи совмещают оба направления. Но главное – удалось выстроить четкую схему работы, определить общий вектор и поле совместной деятельности.

– Сложно представить, что расчеты, применяемые для создания компьютерных игр, могут стать предметом кандидатской диссертации.

– Существуют разные виды компьютерных игр. Так называемые casual games – простейшие игры, в которые играют, чтобы занять остатки времени после обеденного перерыва, не требуют многих лет работы и сложных алгоритмов. Но мы работаем над созданием игр с элементами компьютерного тренажера, в котором используются разнообразные физические модели. Расчет динамики грузовика на дороге – это бесконечные системы сложных уравнений. Крупные производители автомобилей расходуют миллионы долларов на разработку новых моделей. Любой дизайн в первую очередь должен быть функциональным, поэтому при виртуальных испытаниях новых машин на компьютерных симуляторах и тренажерах учитывается их аэродинамическое сопротивление, управляемость, устойчивость и целый ряд физических эффектов. Все это позволяет существенно сэкономить средства корпорации к моменту, когда она сочтет нужным выпустить полученную модель «в железе». Но эти расчеты для нашей игры – лишь небольшая часть. Ведь кроме динамики автомобиля в ней есть сюжет и правила, окружающие пейзажи, освещенность, погодные условия и многое другое. Переезжая через реку, вы видите на ней небольшую рябь, – вода не может быть гладкой, как стекло. Для реалистичного создания этих мелких волн требуются отдельный алгоритм. «Настоящие» облака – еще один алгоритм. В общей сложности одна игра – это сотни алгоритмов, позволяющие игроку в полной мере ощутить себя водителем многотонного грузовика. По каждому из них в мировой научной литературе множество публикаций. Но ни один из этих алгоритмов на практике невозможно использовать как универсальную, готовую к использованию модель. При создании таких систем много нюансов и задач, которые заставляют модифицировать, совмещать имеющиеся разработки и создавать собственные.

Мария ШКОЛЬНИК