Simulátor

Simulátor  - simulátor (zpravidla mechanický nebo počítačový), jehož úkolem je simulovat řízení jakéhokoli procesu, aparátu nebo vozidla.

Nejčastěji se nyní slovo „simulátor“ používá ve vztahu k počítačovým programům (obvykle hrám). Piloti , kosmonauti , strojvůdci rychlovlaků trénují pomocí počítačově mechanických simulátorů, které naprosto přesně reprodukují interiér kabiny aparátu .

Simulátory jsou softwarové a hardwarové nástroje, které vytvářejí dojem reality zobrazením některých skutečných jevů a vlastností ve virtuálním prostředí. Ke studiu simulačních modelů se často používají počítačové experimenty [1] . Simulace se také používá při vědeckém modelování přírodních nebo lidských systémů, aby se získal přehled o tom, jak fungují. Simulaci lze použít k demonstraci možných účinků alternativních podmínek a postupů. Simulace se také používá, když skutečný systém nelze použít, protože nemusí být k dispozici, nebo může být nebezpečné nebo nepřijatelné se na něm podílet, nebo je projektován, ale ještě není postaven, nebo prostě neexistuje [2] .

Klasifikace a terminologie

Historicky se simulace aplikovaná na různá pole vyvíjela do značné míry nezávisle, ale výzkum 20. století v teorii systémů a kybernetice v kombinaci s rozšířením používání počítačů ve všech těchto oblastech vedl k určitému sjednocení a systematičtějšímu pohledu na koncept.

V případě fyzikálního modelování jsou fyzické objekty nahrazeny skutečnými věcmi. Tyto fyzické objekty jsou často vybírány, protože jsou menší nebo levnější než skutečný objekt nebo systém.

Interaktivní simulace je specifický druh fyzikální simulace, často označovaný jako simulace člověka ve smyčce, ve které fyzikální simulace zahrnuje lidské operátory, jako je letecký simulátor, simulátor plachtění nebo simulátor jízdy .

Spojitá simulace  je simulace založená na spojitém čase spíše než na diskrétních krocích času pomocí numerické integrace diferenciálních rovnic [3] .

Diskrétní modelování událostí studuje systémy, jejichž stavy mění své hodnoty pouze v diskrétních časech [4] . Modelování epidemie může například změnit počet nakažených v době, kdy se náchylní lidé nakazí a nakažení se uzdraví.

Hybridní simulace (někdy kombinovaná simulace) odpovídá kombinaci simulace spojité a diskrétní události a jejím výsledkem je numerická integrace diferenciálních rovnic mezi dvěma po sobě jdoucími událostmi, aby se snížil počet nespojitostí [5] .

Offline simulace je simulace, která běží na jedné pracovní stanici sama o sobě.

Distribuovaná simulace využívá více než jeden počítač najednou, aby byl zaručen přístup k různým zdrojům (např. operační systémy pro více uživatelů nebo distribuované datové sady ).

Paralelní simulace urychluje provádění simulace tím, že současně rozděluje pracovní zátěž mezi více procesorů, podobně jako u vysoce výkonných počítačů [6] .

V interoperabilní simulaci lokálně interaguje více modelů, simulátorů distribuovaných po síti; klasickými příklady jsou architektura na vysoké úrovni [7] a seriózní hry, kde jsou seriózní herní přístupy (např. herní enginy a metody interakce) integrovány s interoperabilním modelováním [8] .

Pojem přesnosti simulace se používá k popisu toho, jak přesně napodobuje protějšek v reálném světě. Přesnost můžete zhruba rozdělit do následujících úrovní:

Nízká úroveň je minimální simulace potřebná k tomu, aby systém reagoval na vstupy a poskytoval výstupy.

Střední úroveň – automaticky reaguje na podněty, s omezenou přesností.

Vysoká úroveň – téměř k nerozeznání nebo co nejblíže skutečnému systému.

Tréninkové simulace:

Počítačová simulace

Počítačová simulace je pokus simulovat reálnou nebo hypotetickou situaci na počítači tak, aby člověk viděl, jak systém funguje [1] . Změnou proměnných v simulaci lze předvídat chování systému. Jedná se o nástroj, který umožňuje prakticky zkoumat chování zkoumaného systému. Počítačové modelování se stalo důležitou součástí modelování mnoha přírodních systémů ve fyzice, chemii a biologii [9] , v ekonomii a společenských vědách (například výpočetní sociologie), stejně jako v inženýrství. Dobrý příklad užitečnosti využití počítačů lze nalézt v oblasti modelování síťového provozu. S takovou simulací se chování modelu bude měnit s každou simulací v souladu se sadou počátečních parametrů přijatých pro dané prostředí. Tradičně se formální modelování systémů provádělo pomocí matematického modelu, který se pokouší najít analytická řešení pro predikci chování systému ze souboru parametrů a počátečních podmínek. Počítačová simulace se často používá jako doplněk nebo náhrada simulačních systémů, pro které nejsou možná jednoduchá analytická řešení v uzavřené formě.

Existuje několik softwarových balíků pro provádění počítačových simulací (např. simulace Monte Carlo , stochastická simulace , simulace s více metodami), které značně zjednodušují zpracování dat.

Počítačová věda

V informatice má simulace několik specializovaných významů: Alan Turing použil termín „simulace“ k označení toho, co se stane, když univerzální stroj provede tabulku přechodů stavů (v moderní terminologii počítač spustí program), který popisuje přechody stavů, vstupy. a výstupy objektu diskrétního automatu [10] . V počítačové architektuře se typ simulátoru, běžně označovaný jako emulátor , často používá ke spuštění programu, který musí běžet na nějakém nepohodlném typu počítače (jako je nově navržený počítač, který ještě nebyl postaven, nebo zastaralý počítač který již není dostupný) nebo v přísně kontrolovaném testovacím prostředí . Simulátory byly například používány k ladění firmwaru nebo někdy komerčních aplikačních programů před stažením programu do cílového počítače. Vzhledem k tomu, že provoz počítače je simulován, jsou veškeré informace o provozu počítače přímo dostupné programátorovi a rychlost a provádění simulace lze libovolně měnit.

Simulátory lze také použít k interpretaci chybových stromů nebo testování logiky VLSI před jejím vytvořením. Symbolické modelování používá proměnné k označení neznámých hodnot.

V oblasti optimalizace se fyzikální modelování procesů často používá ve spojení s evolučními výpočty k optimalizaci řídicích strategií.

Modelování ve vzdělávání a odborné přípravě

Simulace je široce používána pro vzdělávací účely . Používá se, když je příliš drahé nebo nebezpečné, aby umožnilo účastníkům používat skutečné vybavení v reálném světě. V takových situacích získají realistický zážitek v bezpečném virtuálním prostředí. Pohodlí často spočívá v umožnění chyb během školení v prostředí kritickém pro zabezpečení. Simulace ve vzdělávání jsou poněkud podobné vzdělávacím simulacím. Jsou zaměřeny na konkrétní úkoly. Termín " mikrosvět " se používá k označení výukových simulací, které modelují nějaký abstraktní koncept spíše než napodobují realistický objekt nebo prostředí, nebo v některých případech modelují reálné prostředí zjednodušeným způsobem, aby pomohly studentovi porozumět klíčovým konceptům. Obvykle může uživatel vytvořit strukturu v mikrokosmu, která se bude chovat v souladu s modelovanými koncepty. Seymour Papert byl jedním z prvních, kdo pochopil hodnotu mikrosvětů a programovací jazyk Logo vyvinutý Papertem je jedním z nejznámějších mikrosvětů.

Modelování projektového řízení se stále častěji používá k školení studentů a odborníků. Zlepšuje proces učení, přispívá k rychlé asimilaci informací [11] .

Sociální modelování lze použít ve společenských vědách k ilustraci sociálních a politických procesů v antropologii, ekonomii, historii, politologii nebo sociologii, typicky na úrovni střední školy nebo univerzity. Například v simulaci občanské společnosti, ve které účastníci převezmou roli v simulované společnosti, nebo v simulaci mezinárodních vztahů, ve které se studenti účastní jednání, budování aliancí, obchodu, diplomacie a použití síly. Takové simulace mohou být založeny na fiktivních politických systémech nebo na současných či historických událostech. Příkladem druhé je reakce Barnard College na sérii historických vzdělávacích her [12] . National Science Foundation také podpořila vznik interaktivních her, které se zabývají přírodovědným a matematickým vzděláváním [13] .

V posledních letech se sociální modelování stále více využívá pro školení zaměstnanců rozvojových agentur a charitativních organizací. Například model Karan byl poprvé vyvinut Rozvojovým programem OSN a nyní je ve vysoce revidované podobě používán Světovou bankou pro školení personálu v nestabilních a konfliktem postižených zemích [14] .

Využití simulace pro profesionální vojenský výcvik často zahrnuje letadla nebo obrněná bojová vozidla, ale může být také zaměřeno na výcvik ručních zbraní a jiných zbraňových systémů. Zejména virtuální střelnice se staly normou ve většině vojenských výcvikových procesů.

Obecné systémy interakce s uživatelem pro virtuální simulaci

Virtuální simulace jsou speciální kategorií simulací, které využívají simulační hardware k vytvoření simulovaného světa pro uživatele. Virtuální simulace umožňují uživatelům interakci s virtuálním světem . Virtuální světy fungují na platformách integrovaných softwarových a hardwarových komponent. Systém tedy může přebírat vstup od uživatele (např. sledování těla, rozpoznávání hlasu/zvuku , fyzické ovladače) a poskytovat výstup uživateli (např. vizuální displej, audio displej, hmatový displej) [15] . Virtuální simulace využívají výše uvedené režimy interakce k vytvoření pohlcujícího zážitku pro uživatele .

Vstupní zařízení pro virtuální simulaci

Pro virtuální simulaci je k dispozici široká škála vstupního hardwaru:

Sledování těla : Technika zachycení pohybu se často používá k zaznamenávání pohybů uživatele a převedení zachycených dat na vstup pro virtuální simulace. Například, pokud uživatel fyzicky otočí hlavu, pak bude tento pohyb nějakým způsobem zachycen hardwarem a převeden do vhodného posunu v zorném poli ve virtuálním prostředí.

Fyzické ovladače : Fyzické ovladače poskytují vstup do simulace pouze prostřednictvím přímé manipulace uživatelem. Ve virtuální simulaci je haptická zpětná vazba z fyzických ovladačů vysoce žádoucí v řadě simulačních prostředí.

Rozpoznávání hlasu/zvuku : Tuto formu interakce lze použít buď k interakci s agenty v simulaci (jako jsou virtuální lidé), nebo k manipulaci s objekty v simulaci (jako jsou informace). Hlasová interakce údajně zvyšuje ponoření uživatele. Mohou být použity náhlavní soupravy s mikrofony, hrudní mikrofony nebo může být místnost vybavena strategicky umístěnými mikrofony.

Aktuální výzkum v systémech uživatelského zadávání

Výzkum budoucích systémů pro zadávání dat je velkým příslibem pro virtuální simulaci. Systémy jako rozhraní mozku a počítače (BCI) nabízejí uživatelům virtuálních simulací příležitost k dalšímu zvýšení úrovně ponoru. Lee, Keinrath, Scherer, Bischof, Pfurtscheller prokázali, že naivní subjekty mohou být trénovány tak, aby relativně snadno používaly BCI k navigaci ve virtuálním bytě [16] . Pomocí BCI autoři zjistili, že subjekty se mohly volně pohybovat ve virtuálním prostředí s relativně minimálním úsilím. Je možné, že se tyto typy systémů stanou standardními vstupními modalitami v budoucích virtuálních simulačních systémech.

Hardware výstupu virtuální simulace

K dispozici je široká škála výstupního hardwaru pro poskytování signálu uživatelům ve virtuálních simulacích:

Vizuální displeje poskytují uživateli vizuální podnět.

  • Pevné displeje se mohou pohybovat od běžného stolního displeje až po 360stupňové zabalené obrazovky a stereo displeje . Běžné stolní displeje mohou mít velikost od 15 do 60 palců (380 až 1520 mm). Obtékání obrazovek se běžně používá v tom, co je známé jako Cave Automatic Virtual Environment (CAVE) . Stereoskopické 3D obrazovky vytvářejí 3D obraz buď se speciálními brýlemi nebo bez nich, v závislosti na provedení.
  • Displeje umístěné na hlavě jsou namontovány na pokrývce hlavy uživatele. Tyto systémy se připojují přímo k virtuální simulaci, aby uživateli poskytly více pohlcující zážitek. Hmotnost, obnovovací frekvence a zorné pole jsou některé z klíčových proměnných, které je určují. Těžké displeje jsou přirozeně nežádoucí, protože časem způsobují únavu. Pokud je rychlost aktualizace příliš pomalá, systém nemůže aktualizovat obraz dostatečně rychle, aby odpovídal rychlému otáčení hlavy uživatele. Proto pomalé tempo obnovy narušuje pocit ponoření. Zorné pole nebo úhlový rozsah světa, který je aktuálně viditelný, se může lišit systém od systému a bylo zjištěno, že ovlivňuje uživatelský pocit ponoření.

Zobrazení zvuku : Existuje několik různých typů audio systémů, které uživateli pomáhají slyšet a lokalizovat zvuky v prostoru. K vytvoření 3D zvukových efektů lze použít speciální software, který vytvoří iluzi, že zdroje zvuku jsou umístěny ve 3D prostoru kolem uživatele.

  • Pevné reproduktorové systémy lze použít k zajištění dvou nebo vícekanálového prostorového zvuku . Externí reproduktory však nejsou tak účinné při vytváření 3D zvukových efektů jako sluchátka.
  • Sluchátka nabízejí přenosnou alternativu ke stacionárním reproduktorům. Mají také další výhodu v maskování skutečného hluku a podporují různé zvukové efekty [15] .

Hmatový displej : Tyto displeje poskytují uživateli pocit dotyku ( taktilní technologie ). Tento typ výstupu je někdy označován jako vynucená zpětná vazba.

  • Hmatové dlaždicové displeje používají různé typy ovladačů, jako jsou nafukovací bubliny, vibrátory, nízkofrekvenční subwoofery , kolíkové ovladače a/nebo tepelné ovladače k ​​vytvoření dalších vjemů [15] .
  • Displeje koncových efektorů mohou reagovat na uživatelské vstupy odporem a silou. Tyto systémy se často používají v lékařských aplikacích pro vzdálené operace, které využívají robotické nástroje [17] .

Vestibulární displej : Tyto displeje poskytují uživateli pocit pohybu ( simulátor pohybu ). Často se objevují jako pohybové základny pro virtuální simulace vozidel, jako jsou simulátory řízení nebo letecké simulátory . Pohyblivé základny jsou upevněny na místě, ale pomocí aktuátorů pohybujte strojem způsobem, který způsobuje pocity naklánění, naklánění nebo naklánění. Stroje se také mohou pohybovat takovým způsobem, že vytvářejí pocit zrychlení ve všech osách (například základna pohybu může vyvolávat pocit pádu).

Lékařské simulátory

Lékařské simulátory se stále více vyvíjejí a používají k výcviku lékařských profesionálů v terapeutických a diagnostických postupech, stejně jako v lékařských konceptech a rozhodování. Simulátory byly navrženy pro výuku postupů od základů, jako je odběr krve až po laparoskopickou chirurgii a traumatologii [18] . Jsou také důležité při vytváření prototypů nových zařízení pro úkoly biomedicínského inženýrství . V současné době se simulátory využívají k výzkumu a vývoji nových metod léčby a časné diagnostiky v medicíně [19] .

Mnoho lékařských simulátorů má počítač propojený s plastickým modelováním odpovídající anatomie. Sofistikované simulátory tohoto typu využívají figurínu v životní velikosti , která reaguje na injekční podání drog a lze ji naprogramovat tak, aby vytvářela simulace život ohrožujících mimořádných událostí. V jiných simulacích jsou vizuální složky procedury vykreslovány technikami počítačové grafiky , zatímco smyslové složky jsou vykreslovány hmatovými zpětnovazebními zařízeními ve spojení s fyzikálními simulačními rutinami počítanými v reakci na akce uživatele.

Lékařské simulace tohoto druhu často používají CT nebo MRI skeny dat pacientů ke zvýšení realističnosti. Některé lékařské simulace jsou vyvinuty pro širokou distribuci (například webové simulace [20] a procedurální simulace [21] , které lze prohlížet prostřednictvím standardních webových prohlížečů ) a mohou komunikovat pomocí standardních počítačových rozhraní, jako je klávesnice a myš .

Dalším důležitým lékařským využitím simulátoru je použití placeba , které napodobuje aktivní lék ve studiích účinnosti léku.

Zlepšení bezpečnosti pacientů

Bezpečnost pacientů je v lékařském průmyslu problémem. Je známo, že pacienti jsou zraněni a dokonce umírají kvůli špatnému řízení a nedostatku nejlepších standardů péče a vzdělání. Podle Národního programu pro zřízení simulačního lékařského vzdělávání je „schopnost zdravotnického pracovníka inteligentně reagovat na neočekávanou situaci jedním z nejdůležitějších faktorů při vytváření pozitivního výsledku v urgentní medicíně , ať už k ní dojde na bojišti, na dálnici nebo na nemocničním oddělení." Eder-Van Hook, autor výše uvedeného národního programu, také poznamenal, že lékařské chyby zabíjejí až 98 000 lidí s odhadovanými náklady 37 až 50 milionů USD a 17 až 29 miliard USD v nežádoucích účincích, kterým lze předejít. akcí za rok.

Simulace se používá ke studiu bezpečnosti pacientů i ke vzdělávání zdravotníků [22] . Studium bezpečnostních opatření pro pacienty a zdravotní péči je náročné, protože neexistuje žádná experimentální kontrola (složitost pacienta, odchylky systému/procesu), aby se zjistilo, zda intervence přinesla významný rozdíl [23] . Příkladem inovativního modelování pro studium bezpečnosti pacientů je ošetřovatelský výzkum. Autoři použili vysoce věrné modelování ke studiu chování sester orientovaného na bezpečnost v obdobích, jako je zpráva o změně pracovního plánu [22] .

Hodnota falešných intervencí při jejich převedení do klinické praxe je však stále kontroverzní. Existují pádné důkazy o tom, že simulační trénink zlepšuje týmovou sebeúčinnost a kompetence v fiktivních zkouškách . Existují také silné důkazy, že procedurální modelování zlepšuje skutečný operační výkon v klinických podmínkách [24] . Hlavním úkolem je ukázat, že modelování týmu zlepšuje operační výkon týmu u lůžka [25] . Dnes již není pochyb o schopnosti simulace poskytnout praktické zkušenosti na operačním sále [26] [27] .

Historie modelování ve zdravotnictví

První lékařské simulátory byly jednoduché modely lidských pacientů. Od starověku se tyto obrazy v hlíně a kameni používaly k demonstraci klinických příznaků chorobných stavů a ​​jejich účinků na člověka. Modely byly nalezeny v mnoha kulturách a kontinentech. Tyto modely byly v některých kulturách (jako je čínská kultura) používány jako „ diagnostický “ nástroj umožňující ženám konzultovat mužské lékaře při zachování sociálních zákonů skromnosti. Modely se dnes používají, aby pomohly studentům naučit se anatomii muskuloskeletálního systému a orgánových systémů [28] .

V roce 2002 vznikla Společnost pro modelování zdravotnictví a stala se lídrem v mezinárodní meziprofesní propagaci lékařského modelování ve zdravotnictví [29] . Potřeba „jednoho mechanismu pro výcvik, hodnocení a certifikaci simulačních instruktorů pro zdravotnické pracovníky“ byla uznána v kritickém přezkumu výzkumu založeného na simulacích v lékařském vzdělávání [30] . V roce 2012 vytvořila Healthcare Simulation Society dvě nové certifikace pro trenéry simulace zaměstnanců [31] .

Typy modelů

Aktivní model

Nedávno se objevily aktivní modely, které se pokoušejí reprodukovat živou anatomii nebo fyziologii. Slavná Harveyova figurína , vyvinutá na University of Miami , je schopna znovu vytvořit mnoho fyzických nálezů srdečního vyšetření, včetně palpace , auskultace a elektrokardiografie [32] .

Interaktivní model

V poslední době byly vyvinuty interaktivní modely, které reagují na akce provedené studentem nebo lékařem. Donedávna byly tyto simulace dvourozměrné počítačové programy, které se chovaly spíše jako učebnice než jako pacient. Počítačová simulace má tu výhodu, že umožňuje studentovi dělat úsudky i chyby. Proces iterativního učení prostřednictvím hodnocení, hodnocení, rozhodování a oprav chyb vytváří mnohem silnější učební prostředí než pasivní učení.

Počítačový simulátor

Počítačové simulátory byly navrženy jako ideální nástroj pro hodnocení klinických dovedností studentů [33] . U pacientů může být „kyberterapie“ použita při sezeních, která napodobují traumatické zážitky od strachu z výšek po sociální úzkost [34] .

Naprogramovaní pacienti a simulované klinické situace, včetně simulovaných cvičení pomoci při katastrofách , jsou široce používány pro školení a hodnocení. Tyto "realistické" simulace jsou drahé a postrádají reprodukovatelnost. Plně vybavený 3Di simulátor by byl nejkonkrétnějším dostupným nástrojem pro výuku a měření klinických dovedností. K vytvoření virtuálního lékařského prostředí byly použity herní platformy , které podporují interaktivní metodu učení a aplikace informací v klinickém kontextu [35] [36] .

Pohlcující simulace stavu onemocnění umožňuje lékaři nebo studentovi medicíny zažít stav pacienta. Pomocí senzorů a převodníků jsou na účastníka experimentu přenášeny symptomatické efekty , které mu umožňují zažít chorobný stav pacienta. Takový simulátor splňuje cíle objektivního a standardizovaného hodnocení klinické kompetence [37] . Tento systém je lepší než studie využívající „ standardní pacienty “, protože podporuje kvantifikaci i replikaci stejných objektivních výsledků [38] .

Simulace zábavy

Simulace zábavy zahrnuje mnoho velkých a populárních odvětví, jako je film , televize , videohry a atrakce v zábavních parcích . I když se má za to, že moderní simulace má své kořeny ve výcviku a armádě, ve 20. století se také stala široce používanou společnostmi zábavních služeb.

Historie vizuálního modelování ve filmech a hrách

Raná historie (40.–50. léta 20. století)

První simulační hru možná vytvořili již v roce 1947 Thomas T. Goldsmith, Jr. a Astle Ray Mann. Byla to jednoduchá hra, která simulovala střelu vystřelenou na cíl. Zakřivení rakety a její rychlost bylo možné nastavit pomocí několika knoflíků. V roce 1958 vytvořil Willie Higginbotham hru s názvem „tenis pro dva“, která simulovala hru tenisu mezi dvěma hráči pomocí ručního ovládání a zobrazovala na osciloskopu . Byla to jedna z prvních elektronických videoher , která používala grafický displej .

70. léta a začátek 80. let

Počítačově generované obrázky byly ve filmu použity k simulaci objektů již v roce 1972 v animované ruce , jejichž části byly zobrazeny na velkém plátně ve filmu Tomorrow's World z roku 1976 . Mnoho lidí si pamatuje „naváděcí počítač“ z Hvězdných válek v roce 1977. Film „ Trůn “ (1982) byl prvním filmem, který používal počítačem generované obrazy déle než dvě minuty [39] .

Pokroky v technologii v osmdesátých létech viděly 3D modelování stalo se více široce používáno ve filmech a počítačových hrách, takový jako Acornsoft 's Battlezone (1980) a Elite (1984) , jeden z prvních používat drátěný model v osobních počítačích .

Éra předvirtuální kinematografie (počátek 80.–90. let)

Pokroky v technologii v 80-tých letech dělaly počítač dostupnější a schopnější než v předchozích desetiletích, dávat svah počítačům jako Xbox hraní [40] . První videoherní konzole , vydané v 70. a počátkem 80. let, padly za oběť krachu v roce 1983, ale v roce 1985 Nintendo vydalo Nintendo Entertainment System (NES), který se stal jednou z nejprodávanějších konzolí v historii videoher . . V 90. letech se počítačové hry jako The Sims a Command & Conquer staly široce populárními a uspokojovaly rostoucí sílu stolních počítačů. Počítačové simulace jako World of Warcraft dnes hrají miliony lidí po celém světě.

Jurský park , vydaný v roce 1993, byl prvním mainstreamovým filmem, který široce využíval CGI , integrující simulované dinosaury téměř výhradně do akčních scén. Tato událost změnila filmový průmysl ; v roce 1995 se Toy Story stal prvním filmem, který používal pouze počítačem generované užívání metafor, a do nového tisíciletí se počítačová grafika stala primárním prostředkem pro vytváření speciálních efektů v kině [41] .

Virtuální kino (počátek 21. století-současnost)

Nástup virtuálního kina na počátku 21. století vedl k dramatickému nárůstu počtu filmů založených na virtuálních obrazech. Klasickými příklady jsou digitální dvojníci Nea , Smithe a dalších postav v trilogii Matrix a mnoho fantastických postav, které nelze vytvořit bez CGI v trilogii Pán prstenů .

V sérii Pan Am byl terminál , který v době natáčení v letech 2011-2012 již neexistoval, vytvořen pomocí virtuální kinematografie, jako je automatizované hledání úhlu pohledu a kombinace skutečných a simulovaných záběrů v jednom scény, které jsou pevně zakořeněné ve filmovém průmyslu od počátku 2000-2000. x let. CGI grafika se používá pro vizuální efekty, protože je vysoce kvalitní, dobře se ovládá a dokáže vytvářet efekty, které by nebyly možné s žádnou jinou technologií kvůli vysokým nákladům nebo nedostatku zabezpečení [42] . CGI lze dnes vidět v mnoha filmech, zejména v akčním žánru . Počítačem generované obrázky navíc téměř úplně nahradily ručně kreslenou animaci v dětských filmech, z nichž většina dnes vzniká pouze na počítači. Příklady filmů využívajících počítačem generované snímky jsou Hledá se Nemo , 300 a Iron Man .

Jiné typy zábavy založené na simulaci

Herní simulace

Herní simulace na rozdíl od jiných žánrů videoher a počítačových her přesně reprezentují nebo simulují prostředí . Navíc realisticky zobrazují interakci mezi herními postavami a prostředím. Tyto typy her jsou obvykle z hlediska hratelnosti složitější [43] . Mnoho simulátorů, jako je SimCity a Tiger Woods PGA Tour , se stalo neuvěřitelně populární mezi lidmi všech věkových kategorií [44] .

Atrakce v zábavním parku

Simulátory se pro zábavu používaly již od dob Link Traineru ve 30. letech [45] . První moderní simulační atrakce , která se otevřela v zábavním parku, byla Disney's Star Tours v roce 1987 a brzy ji následoval The Funtastic World of Hanna-Barbera v roce 1990, což byla první atrakce, která byla postavena výhradně s CGI [46] . Simulační jízdy se vyvinuly z vojenských a komerčních simulátorů, ale mezi prvním a druhým je zásadní rozdíl. Zatímco vojenské simulátory reagují na podněty studentů v reálném čase, jízdy vytvářejí iluzi reakce pouze tím, že ve skutečnosti odpovídají předem zaznamenaným pohybovým scénářům [46] . Jeden z prvních simulátorů Star Tours za 32 milionů dolarů obsahoval hydraulickou kabinu . Pohyb byl naprogramován pomocí joysticku . Moderní simulační jízdy, jako je The Amazing Adventures of Spider-Man , zahrnují prvky pro zvýšení ponoření uživatelů, jako jsou 3D obrázky , fyzické efekty (stříkající voda nebo vůně) a pohyb prostředím [47] .

Simulace ve výrobě

Výroba je jednou z nejdůležitějších aplikací simulace. Tato metoda je cenným nástrojem používaným inženýry při hodnocení dopadu kapitálových investic do vybavení a fyzických zařízení, jako jsou továrny, sklady a distribuční centra. Simulaci lze použít k predikci výkonu stávajícího nebo plánovaného systému a porovnání alternativních řešení konkrétního konstrukčního problému [48] .

Dalším důležitým účelem modelování v produkčních systémech je kvantifikovat výkon systému .

Mezi obecné ukazatele výkonu systému patří následující [49] :

  • Propustnost při průměrném a špičkovém zatížení
  • Trvání jednoho cyklu (jak dlouho trvá výroba jednoho dílu)
  • Využití zdrojů, práce a strojů
  • Fronty práce
  • Potřeba skladování během provozu
  • Personální potřeby

Ergonomie

Ergonomické modelování zahrnuje analýzu virtuálních produktů nebo manuálních úkolů ve virtuálním prostředí. V procesu navrhování je cílem ergonomie vyvíjet a zlepšovat design výrobků a pracovního prostředí [50] . Ergonomická simulace využívá antropometrickou virtuální reprezentaci člověka, figuríny nebo digitálního modelu člověka k simulaci pozic, mechanického namáhání a výkonu lidského operátora v simulovaném prostředí, jako je letadlo, automobil nebo výrobní závod. Digitální lidské modely jsou cenným nástrojem pro analýzu a návrh ergonomie [51] . Simulace využívá 3D grafiku a modely k animaci virtuálních lidí. Ergonomický software využívá k řízení digitálního modelu metody inverzní kinematiky [50] .

Softwarové nástroje obvykle počítají biomechanické vlastnosti, včetně jednotlivých svalových sil , kloubních sil a momentů . Některé modely také analyzují fyziologické parametry, včetně metabolismu , energetického výdeje a limitů únavy v časových cyklech a uživatelského komfortu [52] .

Simulaci a simulaci úlohy lze provést ruční manipulací s virtuální osobou v simulovaném prostředí. Některé programy pro simulaci ergonomie umožňují interaktivní simulaci a vyhodnocení v reálném čase prostřednictvím vstupu pomocí technologií snímání pohybu . Zachycení pohybu však vyžaduje drahé vybavení a vytvoření rekvizit, které reprezentují prostředí .

Ergonomické modelování zahrnuje analýzu sběru pevného odpadu, zvládání katastrof, interaktivní hry, návrh montážní linky vozidel [53] , virtuální prototypování rehabilitačních pomůcek a letecké inženýrství [54] . Inženýři Fordu například používají software pro simulaci ergonomie Jack and Jill společnosti Siemens pro virtuální kontroly návrhů produktů, které zlepšují bezpečnost a efektivitu práce bez potřeby nákladných prototypů.

Simulace startu raketoplánu

Simulace byla použita v Kennedyho vesmírném středisku k výcviku a certifikaci inženýrů raketoplánů během simulovaného odpočítávání startu . Technické oddělení se účastní integrované simulace odpočítávání startu před každým letem raketoplánu. Jedná se o virtuální simulaci, ve které skuteční lidé interagují se simulovaným raketoplánem a pozemním podpůrným zařízením. Systémy raketoplánů integrované do simulace zahrnují hlavní pohonný systém RS-25 , raketové posilovače na tuhá paliva , kapalný vodík a kapalný kyslík , externí nádrž , řízení letu , navigaci a avioniku [55] .

Hlavní cíle simulace startu raketoplánu jsou následující:

  • ukázka odpočítávání v odpalovací místnosti
  • poskytování školení pro inženýry k rozpoznání a vyhodnocení systémových problémů v časově kritickém prostředí
  • využití schopnosti spouštěcího týmu vyhodnocovat, určovat priority a reagovat na problémy integrovaným způsobem v časově kritickém prostředí
  • poskytování postupů, které se mají použít při provádění operací obnovy v případě selhání systému provedených v konečné fázi odpočítávání [56]

Odpalovací místnost používaná během simulace je stejná řídící místnost , kde se provádějí odpočítávání skutečného startu. V důsledku toho je zahrnuto vybavení používané pro odpočítávání skutečného startu: řídicí a řídicí počítače, aplikační software , technické mapování a nástroje pro sledování trendů. Hardware raketoplánu a související pozemní podpůrné vybavení je simulováno pomocí matematických modelů (napsaných v modelovacím jazyce Shuttle Ground Operations Simulator (SGOS) [57] ), které reagují jako skutečný hardware. Při simulaci konečné fáze odpočítávání raketoplánu inženýři ovládají hardware pomocí skutečného aplikačního softwaru běžícího na ovládacích panelech . Během simulace softwarové aplikace neinteragují se skutečným hardwarem raketoplánu, ale s matematickými modelovými reprezentacemi hardwaru. Simulace vám proto umožňuje obejít citlivé a nebezpečné mechanismy poskytnutím technických měření, která podrobně čtou odezvu zařízení. Vzhledem k tomu, že tyto matematické modely interagují s řídicím a řídicím aplikačním softwarem , modely a simulace se používají také k ladění a ověřování funkčnosti aplikačního softwaru [58] .

Herní simulace

  • Počítačové hry : simulátory automobilů a motocyklů, letadel, kosmických lodí, tanků, vlaků, ponorek, různých sportů atd. Hlavním principem simulátoru je přesná reprodukce vlastností určitého tematického okruhu (např.: simulátor automobilu musí co nejpřesněji reprodukovat fyzické vlastnosti automobilů).

Poznámky

  1. ↑ 1 2 J. Banky; J. Carson; B. Nelson; D. Nicol (2001). Simulace systému diskrétních událostí . Prentice Hall. p. 3. ISBN978-0-13-088702-3.
  2. ↑ John A. Sokolowski, Catherine M. Banks. Principy modelování a simulace: multidisciplinární přístup . - Hoboken, NJ: John Wiley, 2009. - 260 s. — ISBN 978-0-470-28943-3 .
  3. ↑ McLeod, J. (1968) "Simulace: Dynamické modelování nápadů a systémů s počítači", McGraw-Hill, NYC.
  4. ↑ Zeigler, BP, Praehofer, H., & Kim, TG (2000) "Teorie modelování a simulace: Integrace diskrétních událostí a spojitých komplexních dynamických systémů", Elsevier, Amsterdam.
  5. ↑ Giambiasi, N., Escude, B., & Ghosh, S. (2001). GDEVS: Zobecněná specifikace diskrétních událostí pro přesné modelování dynamických systémů. In Autonomní decentralizované systémy, 2001. Sborník příspěvků. 5. mezinárodní sympozium dne (str. 464-469).
  6. ↑ Kuhl, F., Weatherly, R., & Dahmann, J. (1999). Vytváření počítačových simulačních systémů: úvod do architektury na vysoké úrovni. Prentice Hall PTR.
  7. ↑ Bruzzone AG, Massei M., Vojenský výcvik založený na simulaci, v Guide to Simulation-Based Disciplines, Vol.1. 315-361.
  8. ↑ Bruzzone, A.G., Massei, M., Tremori, A., Longo, F., Nicoletti, L., Poggi, S., ... & Poggio, G. (2014). MS2G: simulace jako služba pro dolování dat a crowdsourcing při snižování zranitelnosti. Sborník WAMS, Istanbul, září.
  9. ↑ Hlavní AS a statistiky neklesly, ETA pro fixní 10:00 tichomořského  času . Folding@home (10. února 2009). Získáno 9. září 2020. Archivováno z originálu 13. ledna 2021.
  10. ↑ Univerzální Turingův stroj . web.mit.edu _ Získáno 9. září 2020. Archivováno z originálu dne 30. června 2020.
  11. ↑ Davidovitch, L.; A.Parush & A.Shtub (duben 2008). „Učení založené na simulaci: Proces učení-zapomínání-přeučení a dopad historie učení“. Počítače a vzdělávání . 50 (3): 866-880. doi:10.1016/j.compedu.2006.09.003.
  12. ↑ Reakce na minulost: Home (downlink) . web.archive.org (16. dubna 2009). Získáno 12. září 2020. Archivováno z originálu 16. dubna 2009. 
  13. ↑ Reakce na minulost: STEM Games . sites.google.com . Získáno 12. září 2020. Archivováno z originálu 10. října 2020.
  14. ↑ Carana  . _ PAXsims (27. ledna 2009). Získáno 12. září 2020. Archivováno z originálu dne 19. října 2020.
  15. ↑ 1 2 3 Sherman, W.R.; Craig, A. B. (2003). Porozumění virtuální realitě . San Francisco, CA: Morgan Kaufmann. ISBN978-1-55860-353-0.
  16. ↑ Leeb, R.; Lee, F.; Keinrath, C.; Schere, R.; Bischof, H.; Pfurtscheller, G. (2007). „Komunikace mezi mozkem a počítačem: Motivace, cíl a dopad průzkumu virtuálního bytu“ (PDF). IEEE transakce týkající se neuronových systémů a rehabilitačního inženýrství . 15 (4): 473-481.
  17. ↑ Zahraee, AH, Szewczyk, J., Paik, JK, Guillaume, M. (2010). Robotické ruční chirurgické zařízení: vyhodnocení kinematiky koncového efektoru a vývoj prototypů proof-of-concept. Sborník příspěvků z 13. mezinárodní konference Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, Peking, Čína.
  18. ↑ Ahmed K, Keeling AN, Fakhry M, Ashrafian H, Aggarwal R, Naughton PA, Darzi A, Cheshire N, et al. (leden 2010). „Role simulace virtuální reality ve výuce a hodnocení technických dovedností v endovaskulární intervenci“. J Vasc Interv Radiol . 21 (1): 55-66.
  19. ↑ Leary SP, Liu CY, Apuzzo ML (červen 2006). „Směrem ke vzniku nanoneurochirurgie: část III – nanomedicína: cílená nanoterapie, nanochirurgie a pokrok směrem k realizaci nanoneurochirurgie“.
  20. ↑ Portfolio webových simulací – Simulace transparentní reality a simulace s podporou webu . vam.anest.ufl.edu . Získáno 24. září 2020. Archivováno z originálu dne 24. prosince 2008.
  21. ↑ Benjamin PT Loveday, George V. Oosthuizen, B. Scott Diener, John A. Windsor. Randomizovaná studie hodnotící kognitivní simulátor pro laparoskopickou apendektomii  // ANZ journal of surgery. — 2010-09. - T. 80 , č.p. 9 . — S. 588–594 . — ISSN 1445-2197 . - doi : 10.1111/j.1445-2197.2010.05349.x . Archivováno z originálu 24. září 2020.
  22. ↑ 1 2 Groves, Patricia S.; Bunch, Jacinda L.; Cram, Ellen; Farag, Amany; Manges, Kirstin; Perkhounková, Yelena; Scott-Cawiezell, Jill (2016-10-19). „Primování bezpečnosti pacientů prostřednictvím komunikace předávání ošetřovatelství: Simulační pilotní studie“. Western Journal of Nursing Research . 39 (11): 1394-1411.
  23. ↑ Patricia S. Groves, Kirstin Manges. Understanding Nursing Handoffs: Safety Scholarship in Nursing:  (anglicky)  // Western Journal of Nursing Research. — 24. 8. 2017. - doi : 10.1177/0193945917727237 . Archivováno z originálu 17. února 2020.
  24. ↑ Nishisaki A, Keren R, Nadkarni V (červen 2007). „Zlepšuje simulace bezpečnost pacientů? Vlastní účinnost, kompetence, provozní výkonnost a bezpečnost pacientů“. Anesthesia Clin . 25 (2): 225-36.
  25. ↑ Stewart, Greg L; Manges, Kirstin A; Ward, Marcia M (2015). Posílení trvalé bezpečnosti pacientů. Journal of Nursing Care Quality . 30 (3): 240-6.
  26. ↑ B. Zendejas, R. Brydges, S. Hamstra, D. Cook. Stav důkazů o školení založeném na simulaci pro laparoskopickou chirurgii: Systematický přehled  // Annals of surgery. - 2013. - doi : 10.1097/SLA.0b013e318288c40b . Archivováno z originálu 7. srpna 2020.
  27. ↑ Vikas A. Pandey, John H. N. Wolfe. Rozšíření využití simulace v otevřeném vaskulárním chirurgickém tréninku  // Journal of Vascular Surgery. — 2012-09. - T. 56 , č.p. 3 . — S. 847–852 . — ISSN 0741-5214 . - doi : 10.1016/j.jvs.2012.04.015 .
  28. ↑ Typologie simulátorů pro lékařskou výuku (nepřístupný odkaz) . web.archive.org (27. listopadu 1999). Získáno 24. září 2020. Archivováno z originálu dne 27. listopadu 1999. 
  29. ↑ Richard H. Riley. Manuál simulace ve zdravotnictví . - Oxford University Press, 2008. - 566 s. — ISBN 978-0-19-920585-1 . Archivováno 19. srpna 2020 na Wayback Machine
  30. ↑ McGaghie WC, Issenberg SB, Petrusa ER, Scalese RJ (2010). „Kritický přehled výzkumu lékařského vzdělávání založeného na simulaci: 2003-2009“. lékařské vzdělání . 44 (1): 50-63
  31. ↑ Certified Healthcare Simulation Educator (CHSE) – aktualizace pro  ASPE . Novinky ASPE (11. dubna 2013). Staženo 24. září 2020. Archivováno z originálu dne 22. září 2020.
  32. ↑ JB Cooper, V. R. Taqueti. Stručná historie vývoje simulátorů figurín pro klinické vzdělávání a výcvik  (anglicky)  // Postgraduate Medical Journal. — 2008-11-01. — Sv. 84 , iss. 997 . — S. 563–570 . — ISSN 1469-0756 0032-5473, 1469-0756 . - doi : 10.1136/qshc.2004.009886 . Archivováno z originálu 19. září 2020.
  33. ↑ Murphy D, Challacombe B, Nedas T, Elhage O, Althoefer K, Seneviratne L, Dasgupta P (květen 2007). „[Zařízení a technologie v robotice]“. Oblouk. Esp. Urol. (ve španělštině). 60 (4): 349-55
  34. ↑ V kyberterapii avataři pomáhají s léčením - NYTimes.com . archive.vn (2. října 2011). Datum přístupu: 24. září 2020.
  35. ↑ "Nová teorie her": Aktualizace | vévoda . alumni.duke.edu . Získáno 30. září 2020. Archivováno z originálu dne 7. srpna 2020.
  36. ↑ Jak vás videohry mohou učinit chytřejšími - CNN (downlink) . web.archive.org (7. února 2011). Staženo 30. září 2020. Archivováno z originálu 7. února 2011. 
  37. ↑ ingentaconnect Okamžitý dopad intenzivní týdenní laparoskopie ... . archive.vn (3. ledna 2013). Datum přístupu: 30. září 2020.
  38. ↑ Wayback Machine (downlink) . web.archive.org (22. ledna 2009). Získáno 30. září 2020. Archivováno z originálu dne 22. ledna 2009. 
  39. ↑ TRON - The 1982 Movie (nedostupný odkaz) . web.archive.org (25. května 2009). Získáno 30. září 2020. Archivováno z originálu dne 25. května 2009. 
  40. ↑ Historie počítačů 1980 (odkaz není k dispozici) . web.archive.org (18. srpna 2009). Získáno 6. října 2020. Archivováno z originálu dne 18. srpna 2009. 
  41. ↑ Raná počítačová grafika ve filmu (nedostupný odkaz) . web.archive.org (17. července 2012). Získáno 6. října 2020. Archivováno z originálu dne 17. července 2012. 
  42. ↑ Počítačem generované snímky (downlink) . web.archive.org (24. dubna 2015). Získáno 6. října 2020. Archivováno z originálu dne 24. dubna 2015. 
  43. ↑ Seznam simulačních videoher . opensite.org . Získáno 6. října 2020. Archivováno z originálu dne 9. října 2020.
  44. ↑ IBISWorld - Průmyslový průzkum trhu, zprávy a  statistiky . www.ibisworld.com . Získáno 6. října 2020. Archivováno z originálu dne 23. dubna 2022.
  45. ↑ Obnova Link Trainer . www.starksravings.com . Získáno 6. října 2020. Archivováno z originálu dne 5. října 2011.
  46. ↑ 1 2 Wayback Machine (downlink) . web.archive.org (17. ledna 1999). Získáno 6. října 2020. Archivováno z originálu dne 17. ledna 1999. 
  47. ↑ Přivedení Spideyho k životu: Stavební společnost Kleiser-Walczak (odkaz není k dispozici) . web.archive.org (7. září 2009). Získáno 6. října 2020. Archivováno z originálu dne 7. září 2009. 
  48. ↑ Benedettini, O.; Tjahjono, B. (2008). „Směrem k vylepšenému nástroji pro usnadnění simulačního modelování složitých výrobních systémů“. International Journal of Advanced Manufacturing Technology . (1/2): 191-9
  49. ↑ Banky, J.; Carson J.; Nelson BL; Nicol, D. (2005). Simulace systému diskrétních událostí (4. vydání). Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. ISBN978-0-13-088702-3.
  50. ↑ 1 2 Reed, MP, Faraway, J., Chaffin, DB, & Martin, BJ (2006). Ergonomický rámec HUMOSIM: Nový přístup k digitální simulaci člověka pro ergonomickou analýzu. Technický dokument SAE, 01-2365
  51. ↑ Chaffin, D. B. (2007). Simulace lidského pohybu pro návrh vozidla a pracoviště. Human Factors and Ergonomics in Manufacturing & Service Industries, 17(5), 475-484.
  52. ↑ Jack and Process Simulate Human: Siemens PLM Software (downlink) . web.archive.org (8. května 2013). Získáno 9. října 2020. Archivováno z originálu dne 8. května 2013. 
  53. ↑ Niu, JW, Zhang, XW, Zhang, X., & Ran, LH (prosinec 2010). Zkoumání ergonomie v automobilové montážní lince pomocí Jacka. průmyslové inženýrství a inženýrský management (IEEM), 2010 IEEE International Conference on (str. 1381-1385).
  54. ↑ G. R. Bennett. Aplikace virtuálního prototypování při vývoji komplexních leteckých produktů. Virtual Prototyping Journal, 1(1) (1996), str. 13-20
  55. ↑ Sikora, EA (2010, 27. července). Expert na hlavní pohonný systém raketoplánu, John F. Kennedy Space Center. rozhovor.
  56. ↑ Shuttle Final Countdown Phase Simulation. Dokument Národního úřadu pro letectví a vesmír KSC č. RTOMI S0044, revize AF05, 2009.
  57. ↑ Shuttle Ground Operations Simulator (SGOS) Souhrnný popis Manuál. Dokument Národního úřadu pro letectví a vesmír KSC č. KSC-LPS-SGOS-1000, Revize 3 CHG-A, 1995.
  58. ↑ Dokument o požadavcích na matematický model hlavního pohonného systému (MPS), dokument Národního úřadu pro letectví a vesmír KSC č. KSCL-1100-0522, revize 9, červen 2009.
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 Naučná literatura
 Žánry počítačových her
Akce
Hra na hraní rolí
Strategie
Hledání
Simulátor vozidla
simulátor života
Online
jiný