Представление информации о моделируемом объекте системному процессу или явлению средствами компьютера

Обновлено: 21.11.2024

Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Если у вас есть какие-либо вопросы, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам.

Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.

компьютерное моделирование, использование компьютера для представления динамических реакций одной системы поведением другой системы, смоделированной по ее образцу. Моделирование использует математическое описание или модель реальной системы в виде компьютерной программы. Эта модель состоит из уравнений, которые дублируют функциональные отношения в реальной системе. При запуске программы результирующая математическая динамика формирует аналог поведения реальной системы, а результаты представляются в виде данных. Моделирование также может иметь форму компьютерной графики, которая представляет динамические процессы в анимированной последовательности.

Компьютерное моделирование используется для изучения динамического поведения объектов или систем в ответ на условия, которые невозможно легко или безопасно применить в реальной жизни. Например, ядерный взрыв можно описать математической моделью, включающей такие переменные, как тепло, скорость и радиоактивное излучение. Затем можно использовать дополнительные математические уравнения, чтобы приспособить модель к изменениям определенных переменных, таких как количество расщепляющегося материала, вызвавшего взрыв. Моделирование особенно полезно, поскольку позволяет наблюдателям измерять и прогнозировать, как на функционирование всей системы может повлиять изменение отдельных компонентов в этой системе.

Компьютеры размещают веб-сайты, состоящие из HTML, и отправляют текстовые сообщения так же просто, как. РЖУ НЕ МОГУ. Взломайте этот тест, и пусть какая-нибудь технология подсчитает ваш результат и раскроет вам его содержание.

Простое моделирование, выполняемое персональными компьютерами, состоит в основном из бизнес-моделей и геометрических моделей. К первым относятся электронные таблицы, финансовые и статистические программы, которые используются в бизнес-анализе и планировании. Геометрические модели используются во многих приложениях, требующих простого математического моделирования объектов, таких как здания, промышленные детали и молекулярные структуры химических веществ. Более продвинутые модели, например моделирующие погодные условия или поведение макроэкономических систем, обычно выполняются на мощных рабочих станциях или суперкомпьютерах. В инженерии компьютерные модели вновь спроектированных конструкций проходят симуляционные испытания для определения их реакции на нагрузку и другие физические переменные. Моделированием речных систем можно манипулировать, чтобы определить потенциальное влияние плотин и ирригационных сетей до того, как начнется какое-либо фактическое строительство. Другие примеры компьютерного моделирования включают оценку конкурентной реакции компаний на конкретном рынке и воспроизведение движения и полета космических аппаратов.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена Эриком Грегерсеном.

Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.

Компьютерное моделирование используется для изучения динамического поведения объектов или систем в ответ на условия, которые невозможно легко или безопасно применить в реальной жизни. Например, ядерный взрыв можно описать математической моделью, включающей такие переменные, как тепло, скорость и радиоактивное излучение. Затем можно использовать дополнительные математические уравнения, чтобы приспособить модель к изменениям определенных переменных, таких как количество расщепляющегося материала, вызвавшего взрыв.Моделирование особенно полезно, поскольку позволяет наблюдателям измерять и прогнозировать, как на функционирование всей системы может повлиять изменение отдельных компонентов в этой системе.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена Эриком Грегерсеном.

Ниже представлена последовательность научно-технической практики разработки и использования моделей, за которой следуют ожидаемые результаты, основанные на этой научной и инженерной практике.

Разработка и использование моделей

Практика как науки, так и инженерии заключается в использовании и построении моделей в качестве полезных инструментов для представления идей и объяснений. Эти инструменты включают диаграммы, рисунки, физические копии, математические представления, аналогии и компьютерное моделирование.

Начальная школа (K-2)

Моделирование в K–2 основано на предыдущем опыте и включает использование и разработку моделей (например, диаграмм, рисунков, физических копий, диорам, инсценировок или раскадровок), которые представляют конкретные события или проектные решения.

Различайте модель и реальный объект, процесс и/или события, которые модель представляет.
Сравните модели, чтобы выявить общие черты и различия.
Разработайте и/или используйте модель для представления величин, взаимосвязей, относительных масштабов (больше, меньше) и/или закономерностей в естественном и созданном мире(ах).
Разработайте простую модель на основе данных для представления предлагаемого объекта или инструмента.

Начальная школа (3–5)

Моделирование в формате 3–5 основано на опыте K–2 и переходит к созданию и пересмотру простых моделей, а также к использованию моделей для представления событий и проектных решений.

Определите ограничения моделей.
Совместно разработайте и/или пересмотрите модель на основе данных, показывающих отношения между переменными для частых и регулярных событий.
Разработайте модель, используя аналогию, пример или абстрактное представление для описания научного принципа или дизайнерского решения.
Разрабатывайте и/или используйте модели для описания и/или прогнозирования явлений.
Разработайте схему или простой физический прототип, чтобы представить предлагаемый объект, инструмент или процесс.
Используйте модель для проверки причинно-следственных связей или взаимодействий, касающихся функционирования естественной или созданной системы.

Средняя школа (6–8)

Моделирование на уровне 6–8 основано на опыте K–5 и переходит к разработке, использованию и пересмотру моделей для описания, тестирования и прогнозирования более абстрактных явлений и систем проектирования.

Оцените ограничения модели для предлагаемого объекта или инструмента.
Разработайте или измените модель на основе данных, чтобы она соответствовала тому, что происходит при изменении переменной или компонента системы.
Использовать и/или разработать модель простых систем с неопределенными и менее предсказуемыми факторами.
Разработайте и/или пересмотрите модель, чтобы показать отношения между переменными, включая те, которые не наблюдаемы, но предсказывают наблюдаемые явления.
Разработайте и/или используйте модель для предсказания и/или описания явлений.
Разработайте модель для описания ненаблюдаемых механизмов.
Разработайте и/или используйте модель для создания данных, чтобы проверить идеи о явлениях в естественных или созданных системах, в том числе те, которые представляют входные и выходные данные, а также в ненаблюдаемых масштабах.

Старшая школа (9–12)

Моделирование в классе 9–12 основано на опыте K–8 и переходит к использованию, синтезу и разработке моделей для прогнозирования и демонстрации взаимосвязей между переменными между системами и их компонентами в естественном и созданном мире(ах).

Оцените достоинства и ограничения двух разных моделей одного и того же предлагаемого инструмента, процесса, механизма или системы, чтобы выбрать или пересмотреть модель, которая лучше всего соответствует критериям доказательства или дизайна.
Разработайте тест модели, чтобы убедиться в ее надежности.
Разработайте, пересмотрите и/или используйте модель на основе фактических данных, чтобы проиллюстрировать и/или предсказать отношения между системами или между компонентами системы.
Разрабатывайте и/или используйте несколько типов моделей для механистического учета и/или прогнозирования явлений, а также гибко переключайтесь между типами моделей в зависимости от достоинств и ограничений.
Используйте модель для механистического описания явлений.
Разработайте сложную модель, позволяющую манипулировать и тестировать предлагаемый процесс или систему.
Разработайте и/или используйте модель (в том числе математическую и вычислительную) для создания данных для поддержки объяснений, предсказания явлений, анализа систем и/или решения проблем.

Это таблица научной и инженерной практики разработки и использования моделей . Если исходить из стандарта, конкретный используемый пункт выделен выделенным цветом, а дополнительные ожидания производительности, основанные на научной и инженерной практике, можно найти под таблицей. Чтобы просмотреть все научные и инженерные практики, нажмите на заголовок "Научные и инженерные практики".

Разработка и использование моделей

Моделирование можно начинать в самых младших классах, при этом модели учащихся переходят от конкретных «картинок» и/или моделей в физическом масштабе (например, игрушечной машины) к более абстрактным представлениям соответствующих взаимосвязей в более поздних классах, например к диаграмме, представляющей сил, воздействующих на конкретный объект в системе. (Концепция NRC, 2012 г., стр. 58)

Модели включают диаграммы, физические копии, математические представления, аналогии и компьютерные симуляции. Хотя модели не совсем соответствуют реальному миру, они выделяют одни черты и затемняют другие. Все модели содержат приближения и предположения, которые ограничивают диапазон достоверности и прогностической способности, поэтому учащимся важно осознавать свои ограничения.

В науке модели используются для представления изучаемой системы (или ее частей), для помощи в разработке вопросов и объяснений, для получения данных, которые можно использовать для прогнозов и для передачи идей другим. . Можно ожидать, что учащиеся будут оценивать и уточнять модели посредством итеративного цикла сравнения своих прогнозов с реальным миром, а затем корректировать их, чтобы получить представление о моделируемом явлении. Таким образом, модели основаны на доказательствах. Когда обнаруживаются новые доказательства, которые модели не могут объяснить, модели модифицируются.

В инженерии модели могут использоваться для анализа системы, чтобы увидеть, где и при каких условиях могут возникнуть недостатки, или для проверки возможных решений проблемы. Модели также можно использовать для визуализации и уточнения дизайна, для передачи характеристик дизайна другим пользователям, а также в качестве прототипов для тестирования производительности дизайна.

Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.

виртуальная реальность (VR), использование компьютерного моделирования и симуляции, которое позволяет человеку взаимодействовать с искусственной трехмерной (3-D) визуальной или другой сенсорной средой. Приложения виртуальной реальности погружают пользователя в созданную компьютером среду, которая имитирует реальность за счет использования интерактивных устройств, которые отправляют и получают информацию и носятся как очки, гарнитуры, перчатки или комбинезоны. В типичном формате виртуальной реальности пользователь в шлеме со стереоскопическим экраном просматривает анимированные изображения моделируемой среды. Иллюзия «нахождения там» (телеприсутствие) создается датчиками движения, которые улавливают движения пользователя и соответствующим образом корректируют вид на экране, обычно в режиме реального времени (в тот момент, когда происходит движение пользователя). Таким образом, пользователь может перемещаться по смоделированному набору комнат, испытывая изменяющиеся точки зрения и перспективы, которые убедительно связаны с его собственными поворотами головы и шагами.Надев информационные перчатки, оснащенные устройствами силовой обратной связи, обеспечивающими ощущение прикосновения, пользователь может даже брать предметы, которые он видит, и манипулировать ими в виртуальной среде.

Термин виртуальная реальность был придуман в 1987 году Джароном Ланье, чьи исследования и инженерные разработки способствовали созданию ряда продуктов для зарождающейся индустрии виртуальной реальности. Общей нитью, связывающей ранние исследования виртуальной реальности и развитие технологий в Соединенных Штатах, была роль федерального правительства, особенно Министерства обороны, Национального научного фонда и Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Проекты, финансируемые этими агентствами и осуществляемые в исследовательских лабораториях университетов, дали обширный резерв талантливых кадров в таких областях, как компьютерная графика, моделирование и сетевые среды, а также установили связи между академической, военной и коммерческой работой. История этого технологического развития и социальный контекст, в котором оно происходило, являются предметом этой статьи.

Виртуальная реальность используется только в игрушках? Использовались ли когда-нибудь роботы в бою? От компьютерных клавиатур до флэш-памяти — узнайте о гаджетах и технологиях с помощью этой викторины.

Ранние работы

Художники, исполнители и артисты всегда интересовались методами создания воображаемых миров, размещения повествований в вымышленных пространствах и обмана чувств. Виртуальной реальности предшествовали многочисленные прецеденты приостановки неверия в искусственный мир в художественных и развлекательных медиа. Иллюзорные пространства, созданные картинами или видами, конструировались для жилых и общественных пространств с древности, кульминацией которых стали монументальные панорамы 18 и 19 веков. Панорамы размывали визуальные границы между двухмерными изображениями, отображающими основные сцены, и трехмерными пространствами, из которых они просматривались, создавая иллюзию погружения в изображаемые события. Эта традиция изображения стимулировала создание ряда средств массовой информации - от футуристических театральных дизайнов, стереоптиконов и трехмерных фильмов до кинотеатров IMAX - в течение 20 века для достижения аналогичных эффектов. Например, формат широкоэкранного фильма Cinerama, первоначально названный Vitarama, когда он был изобретен Фредом Уоллером и Ральфом Уокером для Всемирной выставки в Нью-Йорке в 1939 году, возник в результате исследований Уоллера о зрении и восприятии глубины. Работа Уоллера заставила его сосредоточиться на важности периферийного зрения для погружения в искусственную среду, и его целью было разработать проекционную технологию, которая могла бы дублировать все поле зрения человека. В процессе Vitarama использовалось несколько камер и проекторов, а также дугообразный экран для создания иллюзии погружения в воспринимаемое зрителем пространство. Хотя Vitarama не была коммерческим хитом до середины 1950-х годов (как Cinerama), армейский авиационный корпус успешно использовал эту систему во время Второй мировой войны для зенитной подготовки под названием Waller Flexible Gunnery Trainer — пример связи между развлекательными технологиями. и военное моделирование, которое позже способствовало развитию виртуальной реальности.

Панорама битвы при Геттисберге, картина Поля Филиппото, 1883 г.; в Национальном военном парке Геттисберга, Пенсильвания

Сенсорная стимуляция была многообещающим методом создания виртуальных сред до появления компьютеров. После выхода рекламного фильма под названием This Is Cinerama (1952 г.) оператор Мортон Хейлиг увлекся синерамой и 3D-фильмами. Как и Уоллер, он изучал человеческие сенсорные сигналы и иллюзии, надеясь создать «кино будущего». К концу 1960 года Хейлиг построил индивидуальную консоль с различными входами — стереоскопическими изображениями, креслом-качалкой, звуком, изменениями температуры, запахами и выдувным воздухом — которую он запатентовал в 1962 году как Sensorama Simulator, предназначенную для «стимулирования чувств человека». человека, чтобы реалистично имитировать реальный опыт». Во время работы над Sensorama он также разработал Telesphere Mask, надеваемый на голову «стереоскопический трехмерный телевизионный дисплей», который он запатентовал в 1960 году.Хотя Хейлигу не удалось продвигать Sensorama на рынке, в середине 1960-х годов он распространил эту идею на концепцию многоэкранного театра, запатентованную как Experience Theater, и аналогичную систему под названием Thrillerama для компании Walt Disney.

Семена виртуальной реальности были посеяны в нескольких компьютерных областях в 1950-х и 60-х годах, особенно в трехмерной интерактивной компьютерной графике и моделировании транспортных средств и полетов. Начиная с конца 1940-х годов, проект Whirlwind, финансируемый ВМС США, и его преемник, система раннего предупреждения SAGE (полуавтоматическая наземная среда), финансируемая ВВС США, впервые использовали электронно-лучевую трубку (ЭЛТ). ) дисплеи и устройства ввода, такие как световые перья (первоначально называвшиеся «световыми пушками»). К тому времени, когда в 1957 году система SAGE начала функционировать, операторы военно-воздушных сил регулярно использовали эти устройства для отображения местоположения самолетов и управления соответствующими данными.

В 1950-х годах популярным культурным представлением о компьютере был образ вычислительной машины, автоматизированного электронного мозга, способного обрабатывать данные с невообразимой ранее скоростью. Появление более доступных компьютеров второго поколения (транзисторы) и третьего поколения (интегральные схемы) освободило машины от этого узкого взгляда и при этом переключило внимание на то, как компьютеры могут увеличить человеческий потенциал, а не просто заменить его. в специализированных областях, способствующих обработке чисел. В 1960 году Джозеф Ликлайдер, профессор Массачусетского технологического института (MIT), специализирующийся на психоакустике, постулировал «симбиоз человека и компьютера» и применил психологические принципы к взаимодействиям и интерфейсам человека и компьютера. Он утверждал, что партнерство между компьютерами и человеческим мозгом превзойдет возможности одного из них. В качестве директора-основателя нового Управления технологий обработки информации (IPTO) Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) Ликлайдер смог финансировать и поощрять проекты, которые соответствовали его видению взаимодействия человека и компьютера, а также отвечали приоритетам военных систем. таких как визуализация данных и системы управления и контроля.

Еще одним первооткрывателем был инженер-электрик и ученый-компьютерщик Иван Сазерленд, который начал свою работу в области компьютерной графики в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института (где были разработаны Whirlwind и SAGE). В 1963 году Сазерленд завершил Sketchpad, систему для интерактивного рисования на ЭЛТ-дисплее с помощью светового пера и панели управления. Сазерленд уделил пристальное внимание структуре представления данных, что сделало его систему полезной для интерактивного манипулирования изображениями. В 1964 году он возглавил IPTO, а с 1968 по 1976 год руководил программой компьютерной графики в Университете Юты, одном из ведущих исследовательских центров DARPA. В 1965 году Сазерленд обрисовал характеристики того, что он назвал «идеальным дисплеем», и рассуждал о том, как компьютерные образы могут создавать правдоподобные и богато артикулированные виртуальные миры. Его представление о таком мире началось с визуального представления и сенсорного ввода, но на этом не закончилось; он также призвал к множеству режимов сенсорного ввода. DARPA спонсировало работу в 1960-х годах над устройствами вывода и ввода, соответствующими этому видению, такими как система Sketchpad III Тимоти Джонсона, которая представляла трехмерные изображения объектов; Lincoln Wand Ларри Робертса, система трехмерного рисования; и изобретение Дугласом Энгельбартом нового устройства ввода — компьютерной мыши.

В течение нескольких лет Сазерленд представил технологический артефакт, который чаще всего отождествляют с виртуальной реальностью, — трехмерный компьютерный дисплей, крепящийся на голове. В 1967 году Bell Helicopter (теперь часть Textron Inc.) провела испытания, в ходе которых пилот вертолета носил головной дисплей (HMD), который показывал видео с инфракрасной камеры с сервоуправлением, установленной под вертолетом. Камера двигалась вместе с головой пилота, одновременно улучшая его ночное зрение и обеспечивая уровень погружения, достаточный для того, чтобы пилот мог сопоставить свое поле зрения с изображениями с камеры. Такую систему позже назовут «дополненной реальностью», потому что она расширила возможности человека (зрение) в реальном мире. Когда Сазерленд ушел из DARPA в Гарвардский университет в 1966 году, он начал работу над привязанным дисплеем для компьютерных изображений (см. фотографию). Это был аппарат, приспособленный для ношения на голове, с очками, которые отображали компьютерную графику. Поскольку дисплей был слишком тяжелым, чтобы его было удобно нести, он удерживался на месте системой подвески. Два небольших ЭЛТ-дисплея были установлены в устройстве рядом с ушами пользователя, а зеркала отражали изображения ему в глаза, создавая стереофоническую трехмерную визуальную среду, которую можно было удобно просматривать с небольшого расстояния. HMD также отслеживал, куда смотрит владелец, чтобы генерировались правильные изображения для его поля зрения.Погружение зрителя в отображаемое виртуальное пространство усиливалось визуальной изоляцией шлема, однако другие органы чувств не были изолированы в такой же степени, и владелец мог продолжать ходить.

Читайте также: