Hardware pro virtuální realitu a simulátory - 3D grafika - 3Dscena.cz: 3D grafika jako na dlani

1. února 2002, 00.00 | Každý systém virtuální reality potřebuje jiný hardware pro zobrazení scény. Existují systémy založené jak na platformě PC, tak profesionální zařízení se systémy superpočítačů SGI nebo jiných výrobců.

Každý počítačový simulátor (letecký, automobilový nebo třeba pro seskok padákem) potřebuje kromě náročných výpočtů AI fyziky pohybu výsledná data zobrazovat. Pro tvorbu 3D modelů použijeme nějaký 3D program, ale jaký program je vhodný pro výstup? Pokud chceme psát jednoduchou hru pro PC, která se pohybuje nad omezeným terénem a příliš nám nezáleží na kvalitě a rychlosti zobrazení, můžeme si nějaký "3D engine" stáhnout z Internetu a rozchodit. Pokud máme vyšší nároky a potřebujeme zobrazovat výsledek pomocí projekčního systému a potřebujeme certifikovaný a ověřený systém (který se může skládat z více projektorů), je nejlépe použít nějaký komerčně vyvíjený systém pro generování obrazu (angl. Image Generator - IG) a patřičně dimenzovaný hardware.

Záběr ze simulátoru letounu L-159 (V.R. Millennium)

V tomto článku bych se chtěl zaměřit na nejčastěji používaný hardware.

Nejlevnějším řešením je jednoprocesorové PC s dobrou 3D grafickou kartou. V oblasti simulátorů se používá převážně rozhraní OpenGL, takže je potřeba, aby karta vykazovala dobrý výkon právě při akceleraci tohoto rozhraní. Dobrými kartami jsou například GeForce, mezi lepší (a patřičně dražší) se řadí karty založené na čipu nVidia Quadro nebo karty firmy 3dLabs (např. WildCat 5110, jejíž cena ale překračuje 100 000,- Kč).

Pokud má simulátor zobrazovat větší část terénu, není většinou možné jej celý načíst do paměti a IG musí tento terén začít tzv. stránkovat. Pokud potřebujete použít stránkování, je vždy téměř nutností použití nejméně dvouprocesorového systému. PC by mělo být obsazeno velkým rychlým diskem (nejvýkonnější ATA a ještě lépe rychlé SCSI).

Jedním z nejvýkonnějších řešení je použití grafických stanic nebo superpočítačů SGI. Mezi nejvýkonnější patří v dnešní době počítače řady SGI Onyx. 

Počítač SGI ONYX 3

Tato platforma umožňuje použití dostatečného počtu procesorů (až 512), spravovaných jedním operačním systémem. Používá procesory MIPS 14000 a v poslední době také Itanium. Systém lze osadit maximálně 1TB RAM, přičemž celková systémová přenosová rychlost může činit až 716 GB/sec. Maximální objem diskové kapacity se pohybuje v miliónech TB. Systém může obsahovat až 16 výkonných grafických jednotek, kdy každá může mít několik výstupů na monitor nebo projektor.

Ukázka simulátoru

Toto řešení je vhodné například pro letecké simulátory nebo simulátory řízení letového provozu, kdy je potřeba zobrazit rozsáhlý terén s velkým rozlišením, při 60 FPS a s dohledností několik desítek km. Výsledný obraz je pak většinou promítán na část kulové plochy soustavou kalibrovaných kvalitních projektorů (SEOS/BARCO).

Projekční systém SEOS

V profesionální oblasti existují také tzv. „proprietární“ systémy, kdy konkrétní IG je vyvíjen s vlastním hardware. Mezi takové systémy patří třeba Quantum3D, MetaVR nebo Evans & Sutherland. Hardware těchto systémů je upraven vždy na míru dané aplikaci tak, aby byl dosahován maximální výkon

Nelze říci, že by v oblasti profesionálních systémů jednoznačně převládalo některé z předchozích řešení. Každý simulátor naopak používá takový hardware, jaký dostatečný pro konkrétní aplikaci a nejsou ojedinělé ani případy, kdy pro danou aplikaci je vyvíjen zcela individuální hardware.

V České republice jsou používány simulátory ve dvou hlavních kategoriích: 

• vojenské
• civilní

V civilní oblasti se téměř výhradně jedná o simulátory pro dopravní letadla a jsou realizovány většinou proprietárními systémy spojenými s řízením pohyblivé kabiny. Pro projekci obrazu se většinou využívá tzv. kolimátorů, což jsou speciálně upravené monitory upevněné na okna kabiny. Při výhledu ven simulují zaostření na nekonečno, takže dodávají pohledu realismus. Existují také systémy pro výcvik personálu řídicí věže s výhledem až 360°. Bohužel lze vzhledem k loňským událostem v USA očekávat v této oblasti jistý útlum ve vývoji.

U vojenských simulátorů je v současné době naopak prudký rozvoj. Jsou budovány simulátory prakticky pro všechnu těžkou techniku; od tanků přes vrtulníky po moderní stíhací letouny. U pozemní techniky bývají použity jednoduché vizuální systémy (větší nároky se kladou na výcvik taktiky než na zobrazení). U leteckých simulátorů se i u nás používají systémy SGI ONYX a projekce na kulovou plochu. (Systém u simulátoru L-39 s videokamerou pohybující se nad plastikovým modelem terénu a letiště již snad patří minulosti)

Typický vojenský simulátor (V.R. Millennium)

V dnešní době se začíná stírat rozdíl mezi výkonnými systémy na bázi superpočítačů a systému s PC. Výkon procesorů a grafických karet roste daleko rychleji než u speciálních řešení (samo SGI používá PC platformu) a tak lze očekávat, že speciální systémy nebudou časem nabízet výhody adekvátní jejich vyšší ceně. Zatím tomu tak ale není...