ИНТЕРПРЕТАТОР  ПРОЕКТА  ВИРТУАЛЬНОЙ  СРЕДЫ  ДЛЯ  ИНТЕРАКТИВНЫХ  КОМПЬЮТЕРНЫХ  СИСТЕМ  В  ИНТЕРНЕТЕ

Грибова  Валерия  Викторовна

д-р  техн.  наук,  ИАПУ  ДВО  РАН,  г.  Владивосток

E-mail:  gribova@iacp.dvo.ru

Федорищев  Леонид  Александрович

мл.  науч.  сотр.,  ИАПУ  ДВО  РАН,  г.  Владивосток

E-mail:  fleo1987@mail.ru

THE  INTERPRETER  OF  A  PROJECT  OF  A  VIRTUAL  ENVIRONMENT  FOR  THE  INTERACTIVE  COMPUTER  SYSTEMS  IN  THE  INTERNET

Gribova  Valeria

Professor,  IACP  FEBRAS,  Vladivostok 

Fedorischev  Leonid

Junior  researcher,  IACP  FEBRAS,  Vladivostok

Работа  выполнена  при  финансовой  поддержке  РФФИ,  проект  №  13-07-00024  и  ДВО  РАН,  проект  12-I-П15-03

АННОТАЦИЯ

В  работе  описан  метод  интерпретации  виртуальных  интерактивных  сред  по  декларативному  проекту.  Описаны  компоненты  архитектуры  интерпретатора,  функциональность  каждого  компонента,  их  взаимосвязи  друг  с  другом.  Представленный  метод  интерпретации  виртуальных  интерактивных  сред  показал  свою  эффективность  на  практике  в  реализованном  прототипе  тренажера  для  офтальмологии.

ABSTRACT

A  method  of  interpretation  of  virtual  interactive  environments  by  a  declarative  project  is  described.  There  are  described  components  of  the  interpreter  architecture,  functionality  of  each  component,  and  their  connections  with  each  other.  The  described  interpretation  method  demonstrated  its  efficiency  in  practice  at  the  completed  prototype  of  the  ophthalmology  simulator.

Ключевые  слова:  виртуальный  мир;  онтологии;  интерпретатор.

Keywords:  virtual  world;  ontologies;  interpreter. 

В  настоящее  время  актуально  применение  компьютеров  для  разработки  так  называемых  виртуальных  сред.  Виртуальная  среда  (от  англ.  virtual  environment)  —  программная  среда,  в  которую  может  быть  погружен  человек  и  где  он  может  взаимодействовать  с  искусственно  созданными  виртуальными  объектами.  Виртуальные  среды  активно  используются  в  военных,  образовательных,  научных,  развлекательных  и  других  целях. 

На  сегодняшний  день  существуют  различные  специализированные  и  универсальные  инструментальные  средства  и  пакеты  прикладных  программ,  облегчающие  создание  виртуальных  интерактивных  сред  благодаря  использованию  современных  достижений  компьютерной  графики,  звука,  устройств  ввода,  программного  интерфейса:  Дельфин,  ToolBook,  Lectora,  CAVE,  WorldToolKit,  Avango,  Lightning,  Juggler,  Unity3D,  Virtools,  библиотеки:  Alternativa3D,  Flare3D  и  многие  другие. 

Однако  все  имеющиеся  средства  ориентированы  на  использование  программистами;  процесс  разработки  связан  с  программированием  нетривиальных  скриптов  или  программ  на  языках  программирования  с  последующей  сборкой  и  компиляцией.  Часто  для  разработки  виртуальных  сред  требуется  использовать  несколько  различных  библиотек  и  инструментальных  средств.  В  результате  процессы  создания  и  сопровождения  таких  сред  оказываются  чрезмерно  трудоемкими. 

Современный  подход  в  области  информационных  технологий  требует  (1)  минимизации  участия  программистов  в  разработке  прикладных  программных  систем  и  максимальное  вовлечение  в  их  разработку  экспертов  предметных  областей;  (2)  осуществление  доступа  через  Интернет  как  к  средствам  разработки  программных  систем,  так  и  средствам  их  использования;  (3)  реализация  условий  для  кооперативной  деятельности  экспертов  предметных  областей  и  программистов  в  создании  и  сопровождении  прикладных  программных  систем;  (4)  поддержка  технологии  создания  прикладных  систем  из  повторно-используемых  компонентов,  что  требует  реализации  идеологии  систематизации  и  накопления  библиотек  повторно-используемых  компонентов.

Целью  данной  работы  является  описание  метода  интерпретации  виртуальных  интерактивных  сред  как  облачного  сервиса

Реализация  указанных  выше  требований  может  быть  найдена  в  рамках  декларативного  подхода  к  автоматизации  профессиональной  деятельности  [4,  5].  В  соответствии  с  ключевыми  идеями  данного  подхода  предлагаются  следующие  основные  принципы  проектирования  системы  [1,  2]:

1.Разработка  декларативной  модели  метаинформации  для  формирования  проекта  виртуальной  интерактивной  среды.  Данные  декларативные  модели  [1,  2]  необходимы  для  того,  чтобы  в  их  терминах  разработчики-эксперты  предметной  области,  дизайнеры,  программисты  могли  определять  и  модифицировать  структуру  конкретного  проекта  виртуальной  интерактивной  среды. 

2.Разработка  декларативного  проекта  виртуальной  интерактивной  среды  в  терминах  метаинформации.  Проект  виртуальной  интерактивной  среды  является  конкретизацией  модели  метаинформации,  т.  е.  проект  уточняет  множество  конкретных  характеристик  и  значений  терминов  этой  модели. 

3.Обеспечение  функционирования  виртуальной  интерактивной  среды  через  интерпретацию  его  декларативного  проекта  и  генерацию  по  нему  виртуального  мира.  Интерпретатор  проекта  и  генератор  виртуального  мира  необходимы  для  уменьшения  трудоемкости  разработки  и  сопровождения  виртуальных  интерактивных  сред  [3].

4.Реализация  и  использование  всего  программного  комплекса  как  облачного  сервиса.  Использование  технологии  облачных  вычислений  дает  новый  уровень  гибкости  для  управления  и  сопровождения  программных  средств,  а  также  значительно  расширяет  аудиторию  пользователей  [6]. 

Общая  архитектура  системы  состоит  из  информационных  и  программных  компонентов.

Информационными  компонентами  системы  являются:  декларативные  модели  метаинформации,  декларативные  проекты,  различные  ресурсы  (3d-модели,  текстуры  и  др.),  внешние  функции.

Программными  компонентам  системы  являются:  редактор  проекта;  редактор  виртуального  мира;  редактор  внешних  функций;  интерпретатор.

На  основе  представленных  информационных  компонентов  с  помощью  приведенных  редакторов  строится  декларативный  проект  виртуальной  среды,  который  интерпретируется  в  трехмерную  виртуальную  среду,  отображаемую  пользователю  в  браузере.  Процесс  интерпретации  декларативного  описания  проекта  сцены  в  работающую  программную  систему  выполняет  интерпретатор. 

Интерпретация  декларативной  модели  проекта  заключается  в  создании  на  основе  этой  модели  программной  виртуальной  среды,  обеспечении  интерактивного  взаимодействия  с  пользователем  в  соответствии  с  заданными  в  декларативной  модели  интерактивными  возможностями  и  сценарием  (см.  рис.  1). 

Рисунок  1.  Интерпретация  декларативной  модели

Интерпретатор  выполняет  следующие  задачи  (см.  рис.  1):

1.Инициализация  виртуальной  сцены  по  ее  декларативному  проекту.

2.Инициализация  интерактивного  взаимодействия  пользователя  с  созданной  виртуальной  сценой  на  основе  описания  действий,  представленных  в  проекте.

3.Динамическая  обработка  событий  виртуальной  среды  (действий  пользователя)  с  применением  и  изменением  декларативного  проекта.  Изменение  виртуальной  среды.

4.Обработка  и  оценка  (интерпретация)  выполненных  действий  в  соответствии  с  декларативным  описанием  сценария  (если  сценарий  задан  в  проекте).

На  рис.  2  представлена  упрощенная  архитектура  интерпретатора.

Рисунок  2.  Архитектура  интерпретатора

Архитектура  интерпретатора  состоит  из  двух  основных  частей:  клиентской  и  серверной.

На  клиентском  компьютере  выполняется  задача  рендеринга  (генерации  изображения)  трехмерной  сцены  виртуальной  интерактивной  среды,  осуществление  взаимодействия  между  пользователем  и  средой,  отображение  интерфейса.  Ставятся  задачи,  независимые  от  внешних  обработок,  т.  е.  такие,  которые  могут  быть  выполнены  на  локальном  компьютере  пользователя.

На  сервере  происходит  вся  логическая  и  дополнительная  внешняя  обработка  действий,  и  затем  эта  информация  пересылается  для  отображения  в  браузер  пользователя.  Серверная  часть  не  зависит  от  параметров  локального  компьютера  пользователя  и  структуры  клиента.

Задача  инициализации  заключается  в  отображении  декларативного  описания  проекта  виртуальной  сцены  в  его  трехмерное  представление  в  каждом  состоянии  виртуальной  сцены.  По  декларативному  проекту  генератор  сцены  строит  трехмерную  виртуальную  сцену:  генерируются  объекты  сцены,  загружаются  необходимые  медиа-данные  (3d-модели,  текстуры),  с  объектами  виртуальной  сцены  связываются  анализаторы  событий,  устанавливается  управление  сценой.  Сгенерированная  сцена  отображается  пользователю,  который  может  с  ней  взаимодействовать  (взаимодействовать  с  объектами  сцены),  управляя  подвижной  камерой.

Интерактивное  взаимодействие  пользователя  с  виртуальной  сценой  происходит  за  счет  действий,  также  описанных  в  проекте.  Могут  быть  заданы  два  вида  действий  по  способу  выполнения:  командные  и  интерактивные  [1].

Командные  действия  на  клиентском  компьютере  интерпретируются  в  соответствующие  элементы  интерфейса  с  предоставлением  выбора  нужных  команд  для  пользователя.

Интерактивные  действия  на  этапе  инициализации  и  последующей  интерпретации  динамически  связываются  с  необходимыми  объектами  в  соответствии  с  их  текущими  состояниями.

В  процессе  работы  интерактивного  приложения  интерпретатор  отслеживает  и  изменяет  свойства  и  связи  объектов,  событий  и  действий  в  зависимости  от  момента  времени  и  состояний  объектов.

Рассмотрим  выполнение  двух  действий:  А1  и  А2  и  их  связи  с  событиями  и  объектами.  Действие  A1  в  момент  времени  t1  посредством  события  E1  связано  с  произвольными  объектами  {Oa11…Oa1n}  из  множества  объектов  сцены,  а  в  момент  времени  t2  посредством  события  E2  связано  с  объектами  {Oa11…Oa1m}.  Действие  A2  в  момент  времени  t1  посредством  события  E1  связано  с  произвольными  объектами  {Oa21…Oa2n}  из  множества  объектов  сцены,  а  в  момент  времени  t2  посредством  события  E1  связано  с  объектами  {Oa21…Oa2m}.  Из  декларативного  описания  действий  следует,  что: 

1.Независимо  от  событий  для  действия  A1  множества  {Oa11…Oa1n}  и  {Oa11…Oa1m}  могут  как  совпадать,  так  и  не  совпадать  или  даже  могут  быть  пустыми;  аналогично  для  действия  A2.

2.Для  разных  действий  A1  и  A2  множества  объектов,  с  которыми  связаны  эти  действия  в  один  момент  времени  t1  (t2),  являются  независимыми  (и  в  частности  могут  пересекаться).

С  учетом  представленных  выше  требований  интерпретатор  в  процессе  работы  программы  устанавливает  новые  и  убирает  ненужные  обработчики  событий  на  объекты,  связанные  с  выполнением  соответствующих  действий.

В  процессе  (и  результате)  выполнения  действия  для  его  обработки  могут  быть  получены  и  потребованы  различные  параметры,  например,  координаты  щелчка  мышки  по  объекту.  По  декларативному  проекту  интерпретатор  определяет  требуемые  параметры  для  обработки  действия,  получает  их  из  имеющейся  информации  в  виртуальной  среде  и  затем  передает  для  обработки  на  сервер.  На  сервере  реализуется  либо  стандартная  обработка  параметров  действий,  либо  специфическая,  которая  определена  в  проекте.

В  декларативном  проекте  может  быть  указано,  каким  образом  должны  измениться  объекты  сцены.  Это  может  быть  изменение  состояний  объектов,  включающее  изменение  значений  логических  атрибутов  объекта  или  презентационных  атрибутов.  Могут  быть  изменены  связи  составных  объектов  с  другими  объектами  сцены  в  иерархии  родительский-дочерний  объекты.

Для  изменения  состояний  объектов  интерпретатор  должен  пройти  по  всем  описанным  в  модели  атрибутам  нового  состояния  объекта  и  выполнить:

1.Изменение  визуального  отображения  объекта  сцены  (связанное  с  такими  презентационными  атрибутами  объекта,  как:  трехмерная  модель  объекта,  текстура,  координаты,  повороты,  коэффициенты  масштабирования)  на  клиентском  компьютере.

2.Изменить  логические  и  презентационные  атрибуты  объектов  в  декларативном  проекте  в  состоянии  и  на  сервере. 

Обработка  действий  интерпретатором  может  зависеть  от  множества  различных  параметров,  включающих  атрибуты  объектов,  параметры  сцены  в  целом.  Алгоритм  получения  результата  может  быть  реализован  во  внешнем  модуле.  Поэтому  основная  обработка  информационных  результатов  находится  на  серверной  части,  на  которую  с  клиента  отправляется  соответствующее  сообщение.  На  клиентском  компьютере  выделяются  следующие  подзадачи:

1.Сформировать  сообщение  серверу  о  необходимости  выполнения  некоторого  алгоритма  для  получения  результата.

2.Получить  ответное  сообщение  от  сервера  с  результатом  выполнения.

3.Отобразить  пользователю  результат  обработки.

Задача  интерпретатора  —  найти  результат,  соответствующий  всем  полученным  параметрам,  отобразить  его  пользователю  в  виртуальной  среде,  получить  оценку  этого  результата,  выполнить  объяснение  этого  результата  в  соответствии  со  сценарием,  заданным  в  декларативной  модели.

В  работе  рассмотрен  метод  интерпретации  виртуальных  интерактивных  сред  по  его  декларативному  проекту.  В  настоящее  время  создан  и  экспериментально  исследован  прототип  системы,  с  помощью  которого  реализован  пробный  тренажер  обследования  зрения  по  таблицам  Сивцева  для  офтальмологии.  Полнофункциональный  инструментальный  комплекс  реализован  и  находится  в  состоянии  тестирования  и  внедрения  в  облачную  платформу  IACPaaS.  Данный  программный  комплекс  планируется  использовать  при  создании  интерактивных  виртуальных  сред  для  решения  различных  задач.

Список  литературы:

1.Грибова  В.В.,  Петряева  М.В.,  Федорищев  Л.А.  Разработка  виртуального  мира  медицинского  компьютерного  обучающего  тренажера  //  Дистанционное  и  Виртуальное  Обучение.  —  2011.  —  №  9.  —  С.  56—66.

2.Грибова  В.В.,  Федорищев  Л.А.  «Виртуальная  реальность  в  образовании:  система  разработки  интернет-проектов»  //  НИТО,  2012.  —  С.  116—118.

3.Грибова  В.В.,  Федорищев  Л.А.  Разработка  виртуальных  интерактивных  сред  на  основе  онтологического  подхода  //  КИИ,  2012.  —  С.  144—151.

4.Клещев  А.С  Роль  онтологии  в  программировании.  Ч.  1.  Аналитика  //  Информационные  технологии  2008.  №  10.  —  С.  42—46.

5.Концер  Т.  «Облачные»  вычисления:  всё  как  сервис  //  PC  Week/RE.  —  2009.  —  №  32.  —  с.  12—13.

6.Соснин  П.И.  Создание  и  использование  онтологий  проектов  в  разработке  автоматизированных  систем  //  КИИ  2010,  Тверь.  —  2010.  Том  2.  —  с.  187—195.