Орудия нового Индианы Джонса

Вводная заметка приглашенных редакторов Оливера Бимбера (Oliver Bimber) и Карла Чанга (Carl Chang) называется «Вычислительная археология – воскрешение прошлого с использованием современных 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, однако новые вычислительные средства позволяют обнаруживать и анализировать эту скрытую информацию. Вместо хлыста и мачете современный Индиана Джонс использует микрофокусную рентгеновскую компьютерную томографию, магнетометры, трехмерное и «лидарное» (Light Detection And Ranging, LiDAR) сканирование, геоинформационные системы, иммерсионную визуализацию, анализ изображений и компьютерную графику. И все это не менее увлекательно, чем блокбастерные приключения прежнего Индианы.

Авторы первой тематической статьи «Использование вычислений для дешифрации первого известного компьютера» (Using Computation to Decode the First Known Computer) – Майк Эдмундс (Mike Edmunds) и Тони Фрит (Tony Freeth). Кажется естественным, что ученые используют компьютеры для изучения древнейшего известного «компьютера» – механизма Антикитера (Αντικθηρα), сделанного в Древней Греции. С технической точки зрения этот механизм скорее является специализированным астрономическим калькулятором, но его конструкция довольно сложна. Для изучения Антикитера ученые уже перепробовали массу вычислительных инструментов: простые электронные таблицы, анализ изображений, симуляцию и анимацию. После более чем столетних исследований функции этого вычислителя наконец-то удалось хорошо понять.

История обнаружения Антикитера хорошо известна. В 1900 году ныряльщики за губками обнаружили остатки древнего корабля с острова Антикитера в Средиземном море; историки датировали эти остатки 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 бронзовые шестеренки, хотя до этого открытия не было доказательств существования технологии металлических шестеренок в античном мире. Последующее 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 II веком до н. э. Немецкий филолог Альберт Рем в 1905 году первым выяснил, что механизм Антикитера был астрономическим вычислительным устройством, имеющим 30 шестеренок.

Рис. 1. Компьютерная реконструкция механизма Антикитера на основе использования программы LightWave 3D

В 2005 году международный коллектив ученых инициировал проект по исследованию механизма Антикитера для получения новых данных с помощью применения современных методов визуализации и анализа к сохранившимся фрагментам механизма. К настоящему времени усилия этого коллектива позволили получить подробное изображение поверхности устройства и выполнить рентгеновскую компьютерную томографию его фрагментов (рис. 1). Эти усилия привели к обнаружению новых характеристик механизма, позволили по-новому понять его общую структуру и расшифровать множество новых надписей.

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 (Eugene Ch’ng), Генри Чепмен (Henry Chapman), Винс Гэффни (Vince Gaffney), Фил Меджетройд (Phil Murgatroyd), Крис Чепмен (Chris Gaffney) и Вольфганг Ньюбайер (Wolfgang Neubauer). Большая часть ученых единодушна в том, что археология воссоздает прошлое на основе косвенных фактов. Примером может служить раскопанная керамика — черепок античного сосуда может многое рассказать об использовавших его людях и обществе, в котором они жили. По качеству керамики можно судить об общественном положении ее владельца, функциональное назначение 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 исследует двойственную природу археологии. С одной стороны, в археологии изучаются люди и их деятельность; с другой — для обеспечения большей части этих данных в значительной степени используются иные 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.

Рис. 2. Визуализация геомагнитных данных о римском городе Вирокониум, собранных с использованием магнитометров серии FM компании Geoscan Research

Неудивительно, что в течение последних двух десятилетий все большую роль в археологических исследованиях играют ИТ, 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 огромные объемы исключительно точных данных (рис. 2). Однако для обеспечения реальной возможности работы международного сообщества археологов с огромными общими наборами данных требуется решить ряд серьезных проблем.

Статью «Трехмерное моделирование культурного наследия: за пределами плоской визуализации» (3D Models for Cultural Heritage: Beyond Plain Visualization) написали Роберто Скопинье (Roberto Scopigno), Марко Каллиери (Marco Callieri), Паоло Синьени (Paolo Cignoni), Максималиано Корсини (Massimiliano Corsini), Маттео Деллепиане (Matteo Dellepiane), Федерико Понкио (Federico Ponchio) и Гвидо Ранзуглия (Guido Ranzuglia). Технологии создания цифровых моделей претерпели впечатляющую эволюцию — изначально разработанные для поддержки индустриальных приложений, таких как быстрая разработка пилотных вариантов различных систем, они 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 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 отдельное строение или целый исторический город, обеспечивая исследователей изображениями с очень высоким разрешением и точностью. Также удалось сократить время сканирования и последующей обработки данных и общую стоимость процесса. У этих технологий имеется потенциал для реального развития изучения культурного наследия, и их воздействие может стать соизмеримым с тем влиянием, которое оказало на область изучения CH появление фотографии в конце XIX века. Однако такие продвижения станут возможны только при более широкой доступности технологии трехмерного сканирования. Для этого, в свою очередь, понадобятся недорогие устройства и методы трехмерного сканирования, основанные на цифровой фотографии подобно используемым в веб-сервисе Arc3D. Ключевую роль в расширении распространения цифровых моделей в области CH будут также играть свободно доступные средства обработки трехмерных данных, такие как инструментарий MeshLab .

Сегодня большинство приложений CH обеспечивает различные формы визуализации, в частности мультимедийные презентации с использованием десктопов и музейных информационных терминалов, а также видеофильмы, полученные с применением компьютерной анимации. При использовании ПК общего назначения и потоковой передачи данных на основе Web можно будет в реальном времени визуализировать модели, состоящие из десятков миллионов геометрических компонентов.

Несмотря на большой потенциал визуализации, ученые и практики расценивают получение цифровых изображений только как 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.

• Изучение произведений искусства. Ученые могут создать новые процессы, чтобы выполнять некоторые исследования прямо над цифровыми копиями, позволяющими получать новые 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 (Vid Petrovic), Аарон Гиддинг (Aaron Gidding), Том Выпих (Tom Wypych), Фалко Каестер (Falko Kuester), Томас Дефанти (Thomas DeFanti) и Томас Леви (Thomas Levy) представили статью «Решение проблемы лавины археологических данных» (Dealing with Archaeology’s Data Avalanche). Археология находится в границах того направления, которое Джим Грей назвал электронной наукой (eScience), – так называемой «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 году Междисциплинарный научный центр искусств, архитектуры и археологии Калифорнийского института телекоммуникаций и информационной технологии в Сан-Диего применил полевое топографо-геодезическое оборудование 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 университете. 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 особенно важна.

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. Эти технологии значительно облегчают исследователям сбор крупных наборов данных, однако использование всего массива данных проблематично, поэтому разработана система, интегрирующая внутри интерактивной визуальной аналитической среды данные об артефактах, накапливаемые в геоинформационной системе, с данными, полученными при трехмерном сканировании артефактов. Эта система дает исследователям возможность повторного виртуального посещения археологических объектов, полностью обеспечивая их ранее зафиксированными данными.

Рис. 3. Рисунки скульптур, выполненные вручную

Последняя статья тематической подборки называется «Поддерживаемая компьютерами археологическая линейная графика» (Computer-Assisted Archaeological Line Drawing), а ее авторы — Ренью Ли (Renju Li), Тао Люо (Tao Luo), Хонгбин Жа (Hongbin Zha) и Вей Ли (Wei Lu). 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 становятся существенной составляющей археологических отчетов.

Традиционные методы двухмерной линейной графики, в основном, базируются на ручной работе, повышая трудоемкость и увеличивая время подготовки отчетов (рис. 3). С использованием компьютерных технологий, в особенности, технологий сбора трехмерных данных и реконструирования объектов, археологи могут создавать цифровые модели поверхностей объектов с высоким разрешением (рис. 4). 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.

Рис. 4. Извлечение из модели трехмерных линий: (a) скульптура Будды, (б) трехмерная модель, (в) увеличенное изображение выделенного участка модели, (г) трехмерные линии, извлеченные из модели

Вне тематической подборки в июльском номере опубликованы две большие статьи. Статья, написанная Дакингом Жангом (Daqing Zhang), Бином Гуо (Bin Guo) и Живеном Ю (Zhiwen Yu), называется «Появление общественного и общинного интеллекта» (The Emergence of Social and Community Intelligence). В последнее десятилетие наблюдается феноменальный рост числа 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) – новая 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 взглянуть на 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, где студентам часто требуется спонтанно определять местонахождение партнеров по спорту или помещений для занятий — им желательно мгновенно получать 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 свиного гриппа H1N1, оно становится необходимой. Организации здравоохранения должны иметь возможности для 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.

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 интернет-приложений, таких как социальные сети. В случае пандемии система SCI могла бы предоставить данные о времени контактов с носителями инфекции, возможных местах контактов (офис или автобус), о персональных и деловых связях носителя инфекции.

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: интернет-сервисы и Web-приложения, статическая инфраструктура, 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 статьи.

Последняя большая статья июльского номера написана Мохаммадом Техранипуром (Mohammad Tehranipoor), Хасаном Салмани (Hassan Salmani), Ксюху Жангом (Xuehui Zhang), Ксяоксяо Вангом (Xiaoxiao Wang), Рамешем Карри (Ramesh Karri), Джеявияном Раджендраном (Jeyavijayan Rajendran) и Куртом Розенфельдом ( Kurt Rosenfeld) 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 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 схему трояна, который в некоторый момент времени приведет к неработоспособности или разрушению системы. Или же неприятель может внедрить соединительные элементы или другие компоненты, выдерживающие тестирование, но отказывающие ранее ожидаемого конца времени жизни интегральной схемы. 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 компонентов, микропроцессоров, микроконтроллеров, сетевых процессоров, процессоров обработки сигналов или модификаций микропрограмм, например битовых потоков программируемой вентильной матрицы. Обсуждение различных видов аппаратных троянов приводилось в статье, опубликованной в журнале Computer в октябре 2010 года.

Чтобы гарантировать подлинность используемой интегральной схемы, нужно либо сделать надежным процесс проектирования и разработки, либо обеспечить соответствующую проверку на стороне клиента. Поскольку для реализации первого подхода необходимо 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 интегральной схемы исходным функциональным и рабочим характеристикам.

Всего доброго, Сергей Кузнецов.