Суперкомп’ютер, розроблений кібернетиками Академії, дає змогу, серед іншого, вимірювати найрізноманітніші об’єкти на основі їх фотографій, визначати їх (об’єктів) розташування у просторі та створювати відповідні тривимірні зображення.
В Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України створено і працює найбільший в Україні суперкомп’ютерний комплекс СКІТ, загальна пікова продуктивність якого сягає 43 трлн операцій на секунду. Суперкомп’ютер ефективно вирішує задачі максимально широкого спектру – від дослідження надр до лінгвістичних студій та від генетики до моделювання еволюції чорних дір. Користувачами комплексу СКІТ є понад 30 академічних інститутів, кілька університетів, державні установи й підприємства.
Слід зауважити, що Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України має успішний досвід створення спеціалізованих обчислювальних систем, призначених для розв’язання важливих прикладних науково-технічних задач. У 2013-2014 рр. у структурі цієї наукової установи було створено віртуальну гідродинамічну лабораторію, в якій розв’язувалися задачі з моделювання динаміки рідин і газів, здійснювалось обчислення динаміки вертолітних лопатей, турбін, обтікання корпусу морського суховантажного судна тощо. Серед розв’язуваних суперкомп’ютером задач – у тому числі й фотограмметричні. Метод фотограмметрії передбачає створення хмари точок об’єктів реального світу з фотографій, зафільмованих із різних ракурсів. Хмари точок складають основу тривимірної моделі й фотореалістичної текстури. Фотограмметричний метод є доступним і досить точним способом тривимірного сканування. Вихідні зображення одержуються за допомогою звичайних фотокамер і безпілотних літальних апаратів. Подальше оброблення зображень потребує значних обчислювальних потужностей, адже на персональному комп’ютері обчислення навіть незначного за кількістю фотографій проекту можуть тривати впродовж тижнів або місяців. Крім того, велику кількість високоякісних технічних фотографій для сканування непросто зберігати, а для розраховування моделей на основі цих матеріалів необхідна потужна та стабільна обчислювальна техніка. І саме суперкомп’ютер СКІТ може тут прислужитися. Одне зі своїх застосувань за вказаним напрямом комплекс знайшов під час розв’язання задач, поставлених перед ним у рамках започаткованої навесні 2016 року співпраці Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України з Громадською організацією «Pixelated Realities», що займається просуванням цифрових методів як для реставрації й реконструкції об’єктів культурної спадщини, так і для планування й ревіталізації (пожвавлення) міського простору. За рік, що відтоді минув, партнерам вдалося втілити чимало проектів зі сканування пам’ятників, історичних будівель, археологічних розкопів та урбаністичних об’єктів і навіть узяти участь у створенні документальної стрічки про Чорнобильську атомну електростанцію у віртуальній реальності.
Деякі проекти, що виконувалися з використанням кластерної інфраструктури комплексу СКІТ
1. Пам’ятник Дюкові (герцогу Арману де Рішельє), м. Одеса
Опис проекту: 890 фотографій; час первинного зіставлення позицій камер – 8 годин; розрахунок хмари точок – 36 годин. У підсумку отримано модель розміром 800 млн полігонів.
Переглянути спрощену тривимірну модель пам’ятника можна за посиланням:
https://skfb.ly/Wxy6
2. Пасаж, м. Одеса
Опис проекту: 5200 фотографій; час первинного зіставлення позицій камер – 23 години; розрахунок хмари точок – 196 годин. Було отримано модель розміром 2 млрд полігонів.
3. Приморський бульвар, м. Одеса
Опис проекту: 6000 фотографій; час первинного зіставлення позицій камер – 44 години; розрахунок хмари точок – 220 годин. Отримано модель розміром 1,4 млрд полігонів.
4. «Chornobyl 360»
Опис проекту: 8700 фотографій; час первинного зіставлення позицій камер – 22 години; розрахунок хмари точок – 58 годин. Отримано модель щільністю 1,2 млрд точок.
У рамках документального проекту «Chornobyl 360» було виконано сканування Чорнобильської АЕС (разом із об’єктом «Арка»). За підсумками наземної та повітряної (за допомогою безпілотного літального апарату) зйомок команда проекту отримала понад 20 тис. фотографій для створення тривимірної моделі станції та її оточення.
Сканування здійснювалося прямо перед тим, як найбільшу рухому конструкцію в Європі (об’єкт «Арка») було насунуто на старий саркофаг над четвертим енергоблоком (об’єкт «Укриття») на період найближчих 100 років. Проміжні результати цієї роботи презентувалися з 8 по 18 листопада 2016 року в штаб-квартирі ООН у Нью-Йорку – в межах окремої мультимедійної виставки, відвідувачі якої мали змогу перенестися до Зони відчуження, скориставшись окулярами віртуальної реальності (http://ukraineun.org/press-center/191-8-lystopada-v-shtab-kvartyri-oon-vidkrytsya-multymediyna-vystavka-chornobyl360/).
5. Поштова площа, м. Київ
Опис проекту: 3800 фотографій; час первинного зіставлення позицій камер – 18 годин; розрахунок хмари точок – 42 години. Отримано модель щільністю 300 млн точок.
У 2015 році, під час початку реконструкції Поштової площі в Києві, археологи віднайшли унікальні артефакти часів Київської Русі – цілі частини мостових, будівель і укріплень, датованих ХІ–ХІІІ ст.ст. За словами директора Центру археології Києва Інституту археології НАН України кандидата історичних наук Михайла Сагайдака, впродовж 2015-2016 рр. учені виявили там унікальні знахідки княжої доби й залишки прибережного міського кварталу середньовічного Києва. Відтепер можна стверджувати, що на території Поштової площі розташовувався порт і йшла жвава торгівля.
Як свідчить світова практика, зазвичай такі знахідки стають точками культурного тяжіння для туристичних міст. Результати розкопок на Поштовій площі дають підстави сподіватися на подальше консервування вулиці стародавнього Києва та її відкриття для відвідування – такою, якою вона була. Тож під керівництвом Центру археології Києва Інституту археології НАН України команда ГО «Pixelated Realities» здійснила фіксацію археологічних розкопів із середньовічними дерев’яними конструкціями та створила їх тривимірну модель станом на червень 2016 року.
За участі вчених Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України було створено тривимірну модель усієї локації та розроблено прототип віртуального туру. Фахівці представили цей додаток разом із роздрукованою на 3D-принтері зменшеною моделлю розкопів під час прес-конференції, проведеної 15 липня 2016 року за підтримки Міністерства культури України.
Виконані роботи з оцифрування археологічних знахідок дадуть змогу інакше поглянути на надзвичайно актуальне нині планування комплексу робіт із консервації та музеєфікації артефактів. Такі 3D-моделі можна друкувати й надсилати іншим дослідникам, а також використовувати для перегляду розкопів різних століть у рамках однієї локації. І це – лише один із прикладів практичного застосування технологій, що роблять сучасні музеї не подібними до звичних і цікавими для відвідувачів.
Більше про проект дізнавайтеся з відеозапису за посиланням: https://www.youtube.com/watch?v=0j5dBaBDmMc
6. Фортеця Тустань, с. Урич (Львівська область, Соколівський район)
Опис проекту: 9500 фотографій; 560 годин прорахунку на одному вузлі. Отримано хмару щільністю 800 тис. точок.
Тустань – це зруйнована нескельна фортеця-град часів Київської Русі, розташована у Львівській області. Нині від цієї споруди залишилися тільки скелі. На основі археологічних досліджень і за допомогою сканування скель і 3D-моделювання Державний історико-культурний заповідник «Тустань» прагне відновити колишній вигляд фортеці. В Уричі на скелях можна побачити, як виглядала фортеця раніше, – завдяки програмі доповненої реальності, створеної двома молодими талановитими розробниками – студентами третього курсу Національного університету «Львівська політехніка». Додаток дає змогу відчути масштаб забудови та демонструє, як дерев’яна фортеця була затиснута древніми умільцями поміж стрімких скель.
Посилання на додаток: http://bit.ly/TustanApp
7. «Хмарна кіностудія»
2016 року Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України та його партнери – ТОВ «Panama Grand Prix» та ГО «Pixelated Realities» – створили також спеціалізований програмно-апаратний комплекс «Хмарна кіностудія», призначений для розв’язання широкого кола задач, пов’язаних із тривимірним моделюванням. Проект спрямований на підвищення потужності й розширення сфери застосування суперкомп’ютерного комплекса СКІТ і створений на базі кластера СКІТ-4 із 1400 процесорними ядрами, 170 ТБ дискового простору, 16-ядерні обчислювальні вузли якого мають 128 Гб оперативної пам’яті, по три прискорювачі NVidia Tesla M2075 і з’єднані високошвидкісною мережею Infiniband FDR 56 Гбіт/c.
Архітектура кластера для оброблення зображень і тривимірних сцен принципово відрізняється від звичайних кластерних задач. На відміну від класичних науково-технічних задач, що працюють у пакетному режимі, де науковець ставить задачу в чергу, визначає обсяг ресурсів і чекає на завершення, задачі тривимірного моделювання й мультиплікації працюють у потоковому режимі. Дані постійного поповнюються з хмарного сховища, оброблюються в інтерактивному режимі, а згенеровані кадри або моделі надсилаються назад до сховища. Для таких задач характерним є також активне використання графічних прискорювачів і великих обсягів оперативної пам’яті.
Для збереження проміжних результатів розрахунків в обчислювальних вузлах створено спеціалізовану систему на основі високошвидкісних твердотільних накопичувачів SSD із швидкодією 600 МБ/с та сукупною швидкодією 18 ГБ/c.
Розроблена хмарна кіностудія значно розширила сферу застосування СКІТ і викликала значний інтерес у творчої спільноти, зокрема у молодих архітекторів, фотографів і 3D-художників. Хмарну кіностудію було інтегровано в робочий процес анімаційної кіностудії, а партнер проекту виконав розрахунки для першого в Україні повнометражного тривимірного мультиплікаційного фільму «Микита Кожум’яка», який з’явився в українському кінопрокаті в жовтні 2016 року, а в світовому – на початку 2017 року. Середня тривалість обчислення одного кадру фільму склала 4 години. В цілому ж кластер обчислив 50 тис. кадрів, з яких 60% увійшли до фінальної версії стрічки.
Результатом виконання проекту стало комплексне апаратно-програмне рішення «хмарна кіностудія» для розв’язування задачі рендерингу (тобто візуалізації в комп’ютерній графіці).
* * *
Досвід виконаних у 2016 році робіт продемонстрував наявність значного інтересу та великого ринку, а також соціального запиту й нагальних задач – в напрямі тривимірного моделювання і мультиплікації.
Важливо також, що додаткові обчислювальні ресурси комплексу СКІТ можуть використовуватися не тільки в комп’ютерній графіці, а й для задоволення потреб широкого кола користувачів грід- і паралельних обчислень в установах НАН України.
За інформацією Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України