Возможности нового Индианы Джонса

Сергей Кузнецов

Обзор июльского, 2011 г. номера журнала Computer (IEEE Computer Society, V. 44, No 7, Июль 2011).

Авторская редакция.
Также обзор опубликован в журнале «Открытые системы»

Тема июльского номера – вычислительная археология (Computational Archaeology). Имеется полноценная тематическая подборка статей, редакторами которой являются Оливер Бимбер и Карл Чанг (Oliver Bimber, Johannes Kepler University Linz, Carl K. Chang, Iowa State University). Небольшая вводная заметка приглашенных редакторов называется «Вычислительная археология – воскрешение прошлого с использованием сегодняшних инструментальных средств» («Computational Archaeology—Reviving the Past with Present-Day Tools»).

Во всем мире большая часть нашей истории – в виде архитектурных памятников, артефактов и других культурных ценностей – все еще скрыта под землей или водой. Новые вычислительные средства поддерживают как обнаружение, так и анализ этой скрытой информации. Вместо хлыста и мачете современный Индиана Джонс использует микрофокусную рентгеновскую компьютерную томографию, магнетометры, трехмерное и лидарное (LiDAR, Light Detection And Ranging) сканирование, геоинформационные системы, иммерсионную визуализацию (immersive visualization), анализ изображений и компьютерную графику. И все это не менее увлекательно, чем блокбастерные приключения прежнего Индианы.

Авторами первой регулярной статьи тематической подборки – «Использование вычислений для дешифрации первого известного компьютера» («Using Computation to Decode the First Known Computer») – являются Майк Эдмундс и Тони Фрит (Mike G. Edmunds, Cardiff University, Tony Freeth, Antikythera Mechanism Research Project).

Кажется естественным, что ученые используют современные компьютеры для изучения древнейшего известного «компьютера» – механизма Антикитера (Αντικύθηρα), сделанного в Древней Греции. С технической точки зрения этот механизм скорее является специализированным астрономическим калькулятором или индикаторным устройством, но его конструкция довольно сложна. К настоящему времени для изучения Антикитера ученые использовали массу вычислительных инструментов – простые электронные таблицы, анализ изображений, симуляцию и развитую анимацию. После более чем столетних исследований функции этого вычислителя (а может быть, и все цели его создания) наконец-то удалось хорошо понять.

История обнаружения Антикитера хорошо известна. В 1900-м году ныряльщики за губками обнаружили остатки древнего корабля с острова Антикитера в Средиземном море. В 1900-1901 гг. Афинский Национальный археологический музей и греческий Военно-морской флот осуществили то, что фактически являлось первой крупной подводной археологической экспедицией. Историки датируют остатки корабля примерно 80-60 годами до н.э. Богатое содержимое этой археологической находки сейчас демонстрируется в Афинском национальном археологическом музее.

После нескольких месяцев работы в музее удалось вскрыть один из найденных артефактов (изъеденную коррозией глыбу бронзы), внутри которого обнаружились зазубренные бронзовые шестеренки. До этого открытия не было доказательств существования технологии металлических шестеренок в античном мире. Последующие изучение, фрагментация и очистка позволили выявить внутреннюю структуру устройства и надпись на древнегреческом языке, которая четко обозначала, что устройство имело родство с астрономией и датировалось вторым веком до н.э. Немецкий филолог Альберт Рем (Albert Rhem) 1905 г. первым выяснил, что механизм Антикитера был астрономическим вычислительным устройством. Его истинную сложность – 30 шестеренок – в 1970-х с помощью ренгеноскопии установили Караламбос Каракалос (Charalambos Karakalos) Дерек де Солла Прайс (Derek de Solla Price). Последующая работа, основной вклад в которую внес Майкл Райт (Michael Wright), позволила лучше понять техническую организацию механизма.

В 2005 международный коллектив ученых инициировал Исследовательский проект по исследованию механизма Антикитера с целью получения новых данных с помощью применения новых методов визуализации и анализа к сохранившимся фрагментам механизма. К настоящему времени усилия этого коллектива позволили как получить подробное изображение поверхности устройства, так и выполнить ренгеновскую компьютерную томографию его фрагментов (что равносильно полному трехмерному сканированию механизма). Эти усилия привели к обнаружению новых характеристик механизма, позволили по-новому понять его общую структуру и расшифровать множество новых надписей.

Компьютерная реконструкция механизма Антикитера на основе использования программы LightWave 3D

Статью «От городищ к ландшафтам: как компьютерная технология формирует археологическую практику» («From Sites to Landscapes: How Computing Technology Is Shaping Archaeological Practice») представили Юджин Чинь, Генри Чепмен, Винс Гэффни, Фил Меджетройд, Крис Чепмен и Вольфганг Ньюбайер (Eugene Ch’ng, Henry Chapman, Vince Gaffney, Phil Murgatroyd, University of Birmingham, UK, Chris Gaffney, University of Bradford, UK, Wolfgang Neubauer, University of Vienna).

Большая часть ученых единодушна в том, что археология воссоздает прошлое на основе косвенных фактов. Примером может служить раскопанная керамика. Обломок античного керамического изделия может многое рассказать об использовавших его людях и обществе, в котором они жили. По качеству керамики можно судить об общественном положении ее древнего владельца, функциональное назначение сосуда говорит об экономической роли поселения, а декоративные фигуры могут даже иллюстрировать социальные связи. Однако, в конце концов, керамические сосуды – это не люди, и археологи должны в значительной степени полагаться на цепочки теоретических рассуждений или экспериментальных наблюдений, чтобы сделать выводы о природе древних сообществ на основе обнаруженных артефактов.

В своей книге «Classical Landscape With Figures: The Ancient Greek City and Its Countryside» британский археолог Робин Осборн (Robin Osborne) исследует двойственную природу археологии. С одной стороны, в археологии изучаются люди и их деятельность; с другой стороны, для обеспечения большей части этих данных в значительной степени используются другие научные дисциплины. В частности, для поддержки хронологии применяются технологии абсолютного датирования (absolute dating), для получения данных об экономике ранее существовавших сообществ – палеонаука, а климатология и численные науки – для объединения огромных объемов физических данных, получаемых в результате раскопок или исследования ландшафта.

Визуализация геомагнитных данных о римском городе Вирокониум (Viroconium Cornoviorum), собранных с использованием различных магнитометров серии FM компании Geoscan Research.

Не удивительно, что в течение последних двух десятилетий все большую роль в археологических исследованиях играет компьютинг, о чем свидетельствуют, в частности, изменения в тематике традиционной международной конференции «Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology». Компьютерные технологии не только позволяют значительно увеличить масштабность работы археологов, но и делают доступными для анализа учеными разных стран огромные объемы исключительно точных данных. Однако для обеспечения реальной возможности работы международного сообщества археологов с огромными общими наборами данных требуется решить ряд серьезных проблем, обсуждению которых посвящается основная часть статьи.

Статью «Трехмерное моделирование культурного наследия: за пределами плоской визуализации» («3D Models for Cultural Heritage: Beyond Plain Visualization») написали Роберто Скопинье, Марко Каллиери, Паоло Синьени, Максималиано Корсини, Маттео Деллепиане, Федерико Понкио и Гвидо Ранзуглия (Roberto Scopigno, Marco Callieri, Paolo Cignoni, Massimiliano Corsini, Matteo Dellepiane, Federico Ponchio, Guido Ranzuglia, g. ranzuglia@isti.cnr.it, ISTI-CNR).

Технологии создания цифровых моделей претерпели впечатляющую эволюцию. Изначально разработанные для поддержки индустриальных приложений, таких как быстрая разработка пилотных вариантов различных систем, эти технологии идеально подходят для сохранения и восстановления культурного наследия (cultural heritage, CH). Например, многие технологии, разработанные для трехмерного сканирования, оказываются полезными для создания цифровых моделей артефактов CH.

Проект «Цифровой Микеланджело» (Digital Michelangelo Project) положил начало использованию компьютерной графики в области изучения CH, и эти технологии продолжают совершенствоваться. Теперь можно оцифровывать как самые мелкие артефакты (драгоценный камень или фрагмент древнего каменного инструмента), так и самые крупные (отдельное строение или целый исторический город), обеспечивая исследователей изображениями с очень высоким разрешением и точностью. Также удалилось сократить время сканирования и последующей обработки данных и общую стоимость процесса.

У этих технологий имеется потенциал для реального развития области изучения CH. Возможно, их воздействие будет соизмеримо с тем влиянием, которое оказало на область изучения CH появление фотографии в конце 19-го века. Однако такие продвижения станут возможны только после обеспечения более широкой доступности технологии трехмерного сканирования. Для этого, в свою очередь, понадобятся недорогие устройства и методы трехмерного сканирования, основанные на цифровой фотографии (методы, подобные тем, которые используются в Web-сервисе Arc3D, www.arc3d.be). Ключевую роль в расширении распространения и использования цифровых моделей в области CH будут также играть свободно доступные средства обработки трехмерных данных, такие как инструмент MeshLab.

К настоящему времени, большинство приложений CH обеспечивает различные формы визуализации: в частности, мультимедийные презентации с использованием десктопов и музейных информационных терминалов, а также видеофильмы, полученные с использованием компьютерной анимации. При использовании персональных компьютеров общего назначения и (в ближайшем будущем) потоковой передачи данных на основе Web можно будет в реальном времени визуализировать модели, состоящие из десятков миллионов геометрических компонентов. Исследователи едины в том, что новые технологии визуализации первостепенно важны для распространения знаний о CH.

Несмотря на большой потенциал визуализации, ученые и практики из области изучения CH расценивают получение цифровых изображений как только промежуточную цель. Более серьезной проблемой является создание новых инструментальных средств, основанных на использовании трехмерных моделей и помогающих исследователям оценить состояние артефакта или спланировать и задокументировать его восстановление. Работы прошлых лет демонстрируют полезность 3D-моделей при решении двух важных задач:

• Исследование произведений искусства. Ученые могут создать новые процессы, позволяющие выполнять некоторые исследования прямо над цифровыми копиями. Наличие таких копий и инновационных методологий моделирования и анализа могут позволить получать новые информацию и знания.
• Поддержка архивации знаний. Трехмерные цифровые модели могут использоваться для аннотирования, индексации, выборки, визуализации и сравнения знаний, полученных при изучении и анализе произведений искусства.

В статье приводится несколько примеров работ, показывающих, каким образом 3D-модели могут влиять на деятельность ученых, музейных работников и реставраторов.

Вид Петрович, Аарон Гиддинг, Том Выпих, Фалко Каестер, Томас Дефанти и Томас Леви (Vid Petrovic, Aaron Gidding, Tom Wypych, Falko Kuester, Thomas A. DeFanti, Thomas E. Levy, University of California, San Diego) представили статью «Решение проблемы лавины археологических данных» («Dealing with Archaeology’s Data Avalanche»).

Археология находится в границах того направления, которое Джим Грей (Jim Gray) назвал «электронной наукой» (eScience), – новой «четвертой парадигмы» научных исследований, в соответствии с которой открытия делаются под влиянием науки обработки данных (data-intensive science). Мы переживаем захватывающий период изменений, тесно связывающих археологию с компьютерной наукой и техникой.

Достижения археологии все больше зависят от того, насколько успешно удается обработать огромные объемы цифровых данных, полученных во время полевых исследований. В 1999 г. Междисциплинарный научный центр искусств, архитектуры и археологии (CISA3) Калифорнийского института телекоммуникаций и информационной технологии (Calit2) в Калифорнийском университете в Сан-Диего применил полевое топографо-геодезическое оборудование (survey equipment) и цифровые фотокамеры для точной фиксации данных об археологических объектах. Обе эти технологии использовались в реальном времени при раскопках и составлении карт. Исходной целью применения этой методологии являлось обеспечение более точных археологических данных, полученных в ближневосточных экспедициях, для их последующего исследования в стенах университета. Учитывая то, что этот регион в течение более чем столетия был подвержен войнам и революциям, возможность фиксации и сохранения данных культурного наследия в цифровом формате является особенно важной.

В последнее десятилетие объемы данных, генерируемых при выполнении проекта, стали экспоненциально расти по причине все большего использования новых для археологии диагностических и аналитических инструментальных средств, таких как лидарные сканеры, бортовые платформы получения изображений, оснащенные цифровыми фотокамерами с высоким разрешением, трехмерные сканеры высокого разрешения, рентгеновская флюоресценция и спектроскопия на основе преобразований Фурье в инфракрасной области.

Хотя эта технология облегчает исследователям сбор крупных наборов данных, использование этих данных представляет проблему. Для решения этой проблемы разработана система, которая интегрирует внутри интерактивной визуальной аналитической среды данные об артефактах, накапливаемые в геоинформационной системе, с данными, полученными при трехмерном сканировании этих артефактов. Эта система дает исследователям возможность повторного виртуального посещения археологических объектов, полностью обеспечивая их ранее зафиксированными данными.

Последняя статья тематической подборки называется «Поддерживаемая компьютерами археологическая линейная графика» («Computer-Assisted Archaeological Line Drawing»). Ее авторы – Ренью Ли, Тао Люо, Хонгбин Жа и Вей Ли (Renju Li, Tao Luo, Hongbin Zha, Peking University, Wei Lu, Longmen Grottoes Academy, China).

Точное документирование открытий является важной задачей археологических исследований. Фотографии мест и объектов раскопок обычно дополняются схематичными рисунками, на которых фиксируются геометрические характеристики, не передаваемые на фотографиях. Рисунки планов мест раскопок, разрезов и артефактов являются существенной составляющей археологических отчетов.

Рисунки скульптур, выполненные вручную

Традиционные методы двухмерной линейной графики, в основном, базируются на ручной работе, повышая трудоемкость и увеличивая время подготовки отчетов. С использованием компьютерных технологий, в особенности, технологий сбора трехмерных данных и реконструирования объектов археологи могут теперь создавать цифровые модели поверхностей объектов с высоким разрешением. Затем они могут извлечь из модели трехмерные линии и сгенерировать рисунок с минимальными трудозатратами. Этот новый метод позволяет значительно повысить эффективность составления и точность археологических исследовательских отчетов.

Извлечение из модели трехмерных линий: (a) скульптура Будды, (b) трехмерная модель, (c) увеличенное изображение выделенного участка модели, (d) трехмерные линии, извлеченные из модели.

Вне тематической подборки в июльском номере опубликованы две большие статьи. Статья, написанная Дакингом Жангом, Бином Гуо и Живеном Ю (Daqing Zhang, Bin Guo, Institut Telecom SudParis, France, Zhiwen Yu, Northwestern Polytechnical University, P.R. China), называется «Появление общественного и общинного интеллекта» («The Emergence of Social and Community Intelligence»).

В последнее десятилетие наблюдается феноменальный рост Internet и служб социальных сетей, широчайшее распространение мобильных телефонов, оснащенных сенсорными устройствами, все более частое использование GPS во всех видах транспорта и интенсивное внедрение сенсорных сетей. Все эти достижения приводят к невиданному накоплению цифровых трасс, оставляемых людьми при взаимодействии с кибернетическими пространствами.

Общественный и общинный интеллект (social and community intelligence, SCI) – это формирующаяся область исследований, опирающаяся на возможность сбора и анализа этих трасс для выявления паттернов человеческого поведения и динамики сообществ. Широта, глубина и масштабность мультимодальных смешанных источников данных обеспечивают возможность компиляции цифровых трасс в исчерпывающую картину различных аспектов повседневной жизни людей, позволяют по-новому понять жизнь людей и функционирование организаций и сообществ, и обеспечивают возможность ввести новые службы в областях здравоохранения, охраны общественного порядка, управления городскими ресурсами, контроля окружающей среды и управления транспортом.

Для понимания потенциала SCI можно рассмотреть виды деятельности в типичном университетском кампусе. Студентам часто требуется спонтанно определять местонахождение партнеров по спорту или помещений для занятий. Им желательны мгновенные ответы на вопросы типа: «Когда прибудет следующий автобус на остановку, ближайшую к библиотеке?» или «Кто находится на этой остановке?». В таких случаях обеспечение подобных услуг – это роскошь, но если возникает, например, пандемия типа H1N1, оно становится необходимой. Организации здравоохранения должны иметь возможностей быстрого выявления лиц, с которыми имел контакт предполагаемый носитель инфекции, когда и где имели место эти контакты. С использованием имеющейся технологии по-прежнему трудно отвечать на вопросы об активностях отдельных граждан, взаимодействиях групп и динамике сообществ.

Система SCI может сделать такую информацию доступной на основе анализа потоков данных, собираемых с сенсорных устройств мобильных телефонов, автобусных GPS-устройств, шлюзов локальных сетей внутри зданий и Internet-приложений, таких как социальные сети. В случае пандемии система SCI могла бы обеспечить данные о времени контактов с носителями инфекции, возможных местах контактов (офис или автобус) и о персональных и деловых связях носителя инфекции – важную информацию, влияющие на распространение пандемии.

Развитие SCI основано на результатах родственных исследовательских областей, таких как социальный компьютинг (social computing), интеллектуальный анализ реальности (reality mining) и городской компьютинг (urban computing). Однако при этом у области SCI имеются собственные потребности в инфраструктуре, данных, технологии и приложениях. В отличие от социального и городского компьютинга SCI анализирует данные, поступающие из трех источников: службы Internet и Web-приложения, статическая инфраструктура и сенсорные и мобильные устройства.

Можно ожидать появления многих приложений SCI, для поддержки которых необходима общая системная инфраструктура, обеспечивающая единообразный доступ к различным устройствам и программному обеспечению, а также поддерживающая быструю разработку приложений. Прототип такой инфраструктуры разработан авторами и описывается в статье.

Последняя большая статья июльского номера написана Мохаммадом Техранипуром, Хасаном Салмани, Ксюху Жангом, Ксяоксяо Вангом, Рамешем Карри, Джеявияном Раджендраном и Куртом Розенфельдом (Mohammad Tehranipoor, Hassan Salmani, Xuehui Zhang, and Xiaoxiao Wang, University of Connecticut, Ramesh Karri, Jeyavijayan Rajendran, Kurt Rosenfeld, Polytechnic Institute of New York University) и называется «Доверительная аппаратура: выявление троянов и проблемы проектирования с учетом требований надежности» («Trustworthy Hardware: Trojan Detection and Design-for-Trust Challenges»).

Уязвимости современного процесса разработки интегральных схем (ИС) приводят к серьезным проблемам в военных, финансовых, транспортных и других критически важных системах из-за возможных угроз со стороны аппаратных троянов. Злоумышленник может привнести в ИС трояна, который в некоторый момент времени приведет к неработоспособности или разрушению системы. Или же неприятель может внедрить в ИС соединительные элементы или другие компоненты, выдерживающее тестирование, но отказывающие ранее ожидаемого конца времени жизни ИС. Аппаратные трояны могут также привести к утечке из системы конфиденциальной информации.

Трояны могут реализовываться в виде аппаратных модификаций специализированных интегральных схем (application-specific integrated circuit, ASIC), коммерческих серийных (commercial off-the-shelf, COTS) компонентов, микропроцессоров, микроконтроллеров, сетевых процессоров, процессоров обработки сигналов (digital signal processors, DSP) или модификаций микропрограмм – например, битовых потоков программируемой вентильной матрицы (field-programmable gate array, FPGA). Обсуждение различных видов аппаратных троянов приводилось в статье, опубликованной в журнале Computer в октябре 2010 г.

Чтобы гарантировать подлинность ИС, используемой клиентом, нужно либо сделать надежным процесс проектирования и разработки ИС, либо обеспечить соответствующую проверку на стороне клиента. Поскольку для реализации первого подхода требуется наличие доверенного центра проектирования и соответствующих производственных мощностей, он представляется дорогим и экономически неосуществимым. С другой стороны, для реализации второго подхода требуется только проверить соответствие изготовленной ИС исходным функциональным и рабочим характеристикам – не больше и не меньше.

Всего вам доброго, Сергей Кузнецов