Исследование и разработка систем отображения и наблюдения динамических пространственных сцен тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Горбацевич, Феликс Феликсович

• Горбацевич, Феликс Феликсович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горбацевич, Феликс Феликсович

Введение.

Глава 1. Архитектура СОН и существующие системы

1.1. Отличительные особенности СОН.

1.2. Существующие системы.

1.3. Архитектура существующих систем.

1.4. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Модель динамической пространственной сцены и модель подсистемы отображения СОН.

2.1. Существующие МПО.

2.2. Классы задач в МПО

2.3. Основные сущности МДПС.

2.4. Модель подсистемы отображения.

2.5. Формализованная МДПС и МПО

2.6. Модель подсистемы отображения в архитектуре СОН

2.7. Выводы.

Глава 3. Проектирование СОН.

3.1. Методика проектирования СОН

3.2. Этап выбора аппаратно-программных средств.

3.3. Этап проектирования общей архитектуры приложения

3.4. Этап проектирования подсистемы данных.

3.5. Этап проектирования подсистемы отображения

3.6. Использование методики проектирования.

3.7. Выводы.

Глава 4. Реализация ГеоСОН

4.1. Реализация на основе методики проектирования.

4.2. Отличительные особенности реализации.

4.3. Решаемые задачи.

4.4. Интерфейс пользователя

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка систем отображения и наблюдения динамических пространственных сцен»

Актуальность темы

В настоящее время активно развиваются системы отображения и наблюдения (СОН) различных динамических пространственных сцен: геопространственной, космической, наземной, подводной и др. Эти системы решают задачу моделирования и визуализации динамической сцены, включающую отображение объектов реального мира [20] в режимах трёхмерного отображения и картографической проекции, в реальном масштабе времени. Сложность решения этой задачи связана с высоким числом динамических объектов, присутствующих в таких сценах, что затрудняет хранение и обработку статической информации (представления) и динамической информации (координатно-временной) об этих объектах с использованием современных вычислительных систем.

Основным направлением решения этой задачи является использование структур трёхмерной сцены (для организации хранения и обработки модели сцены), отсечений (для обработки объектов, попадающих в область видимости наблюдателя) и степеней детализации объектов (для отображения моделей объектов с упрощённым представлением), что позволяет уменьшить количество обрабатываемой в СОН информации.

Однако возможности существующих СОН по отображению большого количества динамических объектов, порядка 104, ограничены, поскольку существующие системы не рассчитаны на работу с подобным количеством объектов в большом динамическом диапазоне и в реальном масштабе времени. Данную проблему, проблему отображения, можно решить, используя отсечения и степени детализации совместно со структурным разбиением сцены в модели динамической пространственной сцены.

Также существующие СОН не решают проблему наблюдения. Проблема наблюдения заключается в неоднозначности расположения спроецированных на экран трёхмерных объектов из большого динамического диапазона; данную проблему можно решить при помощи включения вспомогательных объектов, дополняющих визуализацию сцены, в отображение в рамках системы [25].

В доступных публикациях также отсутствует описание методик проектирования СОН, что затрудняет применение существующих методик для создания новых СОН.

Таким образом, задачи, связанные с созданием моделей динамической пространственной сцены, моделей подсистем отображения СОН, методик проектирования СОН, и созданием программных средств СОН являются актуальными и решаются в данной работе.

Цель работы

Цель работы заключается в разработке методики проектирования СОН динамической пространственной сцены, для создания программных систем СОН динамических пространственных сцен на основе методики. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Создание модели динамической пространственной сцены (МДПС), использующей отсечения и степени детализации совместно со структурным разбиением в модели.

2. Создание модели подсистемы отображения (МПО) в СОН, решающей проблему наблюдения спроецированных на экран динамических трёхмерных объектов большого динамического диапазона.

3. Разработка методики проектирования СОН на основе МДПС и МПО, позволяющей создавать программные системы, с использованием преимуществ МДПС и МПО.

Объект исследования

Объектом исследования являются системы отображения и наблюдения динамических пространственных сцен.

Методы исследования

Исследование базируется на методах теории множеств, теории графов; методах проектирования программных систем с трёхмерным графическим интерфейсом; методах построении графических интерфейсов пользователя.

Новые научные результаты

Автором получены следующие научные результаты:

1. Создана формализованная модель динамической пространственной сцены.

2. Создана модель подсистемы отображения СОН.

3. Разработана методика проектирования СОН для динамических пространственных сцен с постоянным присутствием объектов в сцене.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. На основе разработанной методики проектирования СОН возможна разработка СОН различных областей: морской, наземной, орбитальной.

2. Созданное на основе методики проектирования программное средство ГеоСОН решает задачу моделирования и визуализации геопространства; позволяет производить слежение за орбитальными и наземными объектами, а также моделировать запуск новых орбитальных объектов.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Формализованная модель динамической пространственной сцены (МДПС) отличается от существующих использованием пространственного разбиения совместно с использованием степеней детализации и отсечений, что,позволяет учитывать большой динамический диапазон сцены и уменьшать объём данных, обрабатываемых в реальном масштабе времени.

2. Модель подсистемы отображения (МПО) СОН отличается от существующих наличием этапа адаптации, что позволяет вводить в человеко-машинный интерфейс приложения дополнительные построения для повышения информативности отображаемых данных сцены.

3. Методика проектирования СОН динамических пространственных сцен отличается от существующих проектированием сущностей приложения на основе МДПС, и проектированием подсистемы отображения на основе МПО, что позволяет использовать предложенные шаблоны проектирования для сокращения сроков создания новых СОН динамических пространственных сцен.

Достоверность результатов

Достоверность результатов исследования подтверждается результатами использования программного средства ГеоСОН, созданного на основе предложенных моделей и методики.

Внедрение результатов работы

Результаты работы переданы в филиал ФГУП «ЦНИИ «Комета» «НПЦ ОЭКН» и используются для моделирования геопространственной обстановки, поиска спутников, расчёта положений спутников, моделирования запусков спутников, взаимных положений спутников, и прочих характеристик.

Апробация работы

Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на 58 и 59 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 2005-2006 гг.), на международной научно-практической конференции «Особенности развития космической отрасли России и перспективы её дальнейшей интеграции в систему международных экономических связей» (Санкт-Петербург, 2007 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 5 научных работ, из них — 4 статьи (2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых ВАК, 1 статья — в электронном научном издании из списка НТЦ «Информрегистр», 1 статья — в ведущем рецензируемом научном журнале, не входящем в список ВАК), 1 работа — в трудах российских и международных научно-технических конференций и симпозиумов.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, описания основных результатов работы и списка литературы, включающего 70 наименований. Основная часть работы изложена на 132 страницах машинописного текста. Работа содержит 55 рисунков и 13 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Горбацевич, Феликс Феликсович

Результаты работы переданы в филиал ФГУП «ЦНИИ «Комета» «НПЦ ОЭКН» и используются для моделирования геопространственной обстановки, поиска спутников, расчёта положений спутников, моделирования запусков спутников, взаимных положений спутников, и прочих характеристик.

Созданные методика проектирования и система ГеоСОН могут быть использованы для следующих целей:

1. Создание СОН различных динамических пространственных сцен: СОН подводной сцены для тренажёров подводных лодок, и иных.

2. Решение задач моделирования геопространственной обстановки, поиска спутников, расчёта положений спутников, моделирования запусков спутников, взаимных положений спутников, и прочих характеристик.

3. Создание вспомогательных инструментов (область интереса, линии отстояния от поверхности) для дополнительной информации об объектах СОН.

Заключение

Научная новизна работы такова:

1. Созданная формализованная модель динамической пространственной сцены (МГПС) отличается от существующих использованием пространственного разбиения совместно с использованием степеней детализации и отсечений, что позволяет учитывать большой динамический диапазон геопространственной сцены и уменьшать объём данных, обрабатываемых в реальном масштабе времени.

2. Предложенная модель подсистемы отображения (МПО) СОН отличается от существующих наличием этапа адаптации, что позволяет вводить в человеко-машинный интерфейс приложения дополнительные построения для повышения информативности отображаемых данных сцены.

3. Предложенная методика проектирования СОН динамических пространственных сцен отличается от существующих проектированием сущностей приложения на основе МДПС, и проектированием подсистемы отображения на основе МПО, что позволяет использовать предложенные шаблоны проектирования для сокращения сроков создания новых СОН динамических пространственных сцен.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. На основе разработанной методики проектирования СОН возможна разработка СОН различных областей: морской, наземной, орбитальной.

2. Созданное на основе методики проектирования программное средство ГеоСОН решает задачу моделирования и визуализации геопространства; позволяет производить слежение за орбитальными и наземными объектами, а также моделировать запуск новых орбитальных объектов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Формализованная модель динамической пространственной сцены (МДПС) отличается от существующих использованием пространственного разбиения совместно с использованием степеней детализации и отсечений, что позволяет учитывать большой динамический диапазон сцены и уменьшать объём данных, обрабатываемых в реальном масштабе времени.

2. Модель подсистемы отображения (МПО) СОН отличается от существующих наличием этапа адаптации, что позволяет вводить в человеко-машинный интерфейс приложения дополнительные построения для повышения информативности отображаемых данных сцены.

3. Методика проектирования СОН динамических пространственных сцен отличается от существующих проектированием сущностей приложения на основе МДПС, и проектированием подсистемы отображения на основе МПО, что позволяет использовать предложенные шаблоны проектирования для сокращения сроков создания новых СОН динамических пространственных сцен.

Внедрение результатов работы и перспективы развития

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Горбацевич, Феликс Феликсович, 2010 год

1. Бугаевский, Л. М. Математическая картография / Л. М. Бугаевский. — М.: Златоуст, 1998.

2. Гагарина, Л. Г. Технология разработки программного обеспечения / Л. Г. Гагарина, Е. В. Кокорева, Б. Д. Виснадул.— М: ИД «Форум» — ИНФРА-М, 2009.

3. Геоинформатика // Геоинформатика-2000: Труды межд. науч.-практ. конф. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000.

4. Горбатов, В. А. Основы дискретной математики / В. А. Горбатов.— М.: Высшая школа, 1986.

5. Горбацевич, Ф. Ф. Геопространственные системы отображения и наблюдения / Ф. Ф. Горбацевич, В. К. Шмидт // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2007. - по. 2.

6. Горбацевич, Ф. Ф. Условная визуализация пространственных сцен с использованием динамического графа / Ф. Ф. Горбацевич, В. К. Шмидт, А. С. Кудрявцев // Электроника и информационные технологии. — 2009. — по. выпуск 2 (7).

7. Горбацевич, Ф. Ф. Метод проектирования систем отображения и наблюдения / Ф. Ф. Горбацевич, В. К. Шмидт, А. С. Кудрявцев // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ».— 2010. — по. 6.

8. Демерс, М. Географические информационные системы. Основы / М. Демерс. — М: Дата+, 1999.

9. Качала, В. В. Основы теории систем и системного анализа / В. В. Качала. — М.: Горячая линия Телеком, 2007.

10. Костюк, Ю. Л. Представление рельефа земной поверхности в геоинформациоиных системах / Ю. JI. Костюк // Геоинформатика.— 2000.

11. Кузнецов, О. П. Дискретная математика для инженера / О. П. Кузнецов, Г. М. Адельсон-Вельский. — М.: Энергия, 1980.

12. Ларман, К. Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования / К. Ларман. — М: Вильяме, 2008.

13. Лебедева, О. А. Картографические проекции. Методическое пособие / О. А. Лебедева. — Новосибиркск: Новосибирский учебио-методический центр по ГИС и ДЗ, 2000.

14. Мацяшек, Л. А. Анализ и проектирование информационных систем с помощью UML 2.0 / Л. А. Мацяшек. — М: Вильяме, 2008.

15. Михайлюк, М. В. Компьютерная графика в видеотренажерах / М. В. Михайлюк // Труды 12 Международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению. — 2002.

16. Моделирование и визуализация локальных областей на поверхности земли при наблюдении со спутника / Ф. Ф. Горбацевич, В. К. Шмидт, Г. Б. Галикеев, А. С. Кудрявцев // Известия Вузов. Приборостроение. — 2009. — по. 8.

17. Никитина, Л. Д. Исследование и разработка общедоступных крупномасштабных систем виртуального окружения для научных и образовательных целей / Л. Д. Никитина // Электронный журнал «Исследовано в России». — 2003.

18. Пеллинен, Л. П. Высшая геодезия / Л. П. Пеллинен. — М.: Недра, 1978.

19. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования / Э. Гамма, Р. Хелм, Р. Джонсон, Д. Влиссидес. — С-Пб: Питер, 2007.

20. Разработка видов отображения в специализированных системах компьютерной визуализации / В. Л. Авербух, А. Ю. Байдалин, Д. Ю. Горбашевский et al. // Graphicon 2002 Proceedings. — 2002.

21. Советов, Б. Я. Моделирование систем / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев.— М.: Высшая школа, 2001.

22. Шайтура, С. В. Геоинформационные системы и методы их создания / С. В. Шайтура. — Калуга: Издательство Н.Бочкаревой, 1998.

23. Шальнев, В. А. Геопространство в парадигме общей географии / В. А. Шальнев // Вестник СГУ, Ставропольский государственный университет. — 2008.

24. Ясинявичюс, Р. Ю. Параллельные пространственно-временные вычислительные структуры / Р. Ю. Ясинявичюс. — Вильнюс: Москлас, 1988.

25. Batagelo, Н. С. Dynamic scene occlusion culling using a regular grid / H. C. Batagelo, S.-T. Wu // Proceedings of the XV Brazilian Symposium on Computer Graphics and Image Processing. — 2002. — Pp. 43-50.

26. Beck, A. Google Earth and World Wind: remote sensing for the masses? / A. Beck // Antiquity. — 2006. — Vol. Volume 080 Issue 308.

27. Blythe, D. The Direct3D 10 system / D. Blythe // ACM Trans. Graph.— 2006. Vol. 25, no. 3. - Pp. 724-734.

28. Calvary, G. From single-user architectural design to РАС: a generic software architecture model for CSCW / G. Calvary, J. Coutaz, L. Nigay // In CHI '97. 1997. - Pp. 242-249.

29. Chang, A. Y. A survey of geometric data structures for ray tracing: Ph.D. thesis / Department of Computer and Information Science, Brooklyn Polytechnic University. — 2001.

30. Chiu, K. Rendering, complexity, and perception / K. Chiu, P. Shirley // In Proceedings of 5th Eurographics Rendering Workshop. — SpringerWein press, 1994.

31. Clark, J. Hierarchical geometric models for visible surface algorithms / J. Clark // Communications of the ACM.— 1976.— Vol. 19, no. 10.— Pp. 547-554.

32. Computer graphics: principles and practice (2nd ed.) / J. D. Foley, A. van Dam, S. K. Feiner, J. F. Hughes. — Boston, MA, USA: Addison-Wesley, 1997.

33. DeHaemer Jr., M. J. Simplification of objects rendered by polygonal approximations / M. J. DeHaemer Jr., M. J. Zyda // Computers & Graphics. -1991.- Vol. 15, no. 2.-Pp. 175-184.

34. Diehl, S. Distributed virtual worlds: foundations and implementation techniques using VRML, Java, and CORBA / S. Diehl. — Secaucus, NJ, USA: Springer-Verlag New York, Inc., 2001.

35. Erikson, C. Simplification culling of static and dynamic scene graphs: Tech. Rep. TR98-009 / C. Erikson, D. Manocha: UNC-Chapel Hill Computer Science, 1998.

36. Evaluating X3D for use in software visualization / C. Anslow, S. Marshall, J. Noble, R. Biddle // SoftVis '06: Proceedings of the 2006 ACM symposium on Software visualization. — New York, NY, USA: ACM, 2006. — Pp. 161-162.

37. Fast rendering of complex environments using a spatial hierarchy /

38. B. Chamberlain, T. DeRose, D. Lischinski et al. // Graphics Interface '96.— 1996.— Pp. 132—141. citeseer.lcs.mit.edu/chamberlain96fast.html.

39. Funkhouser, T. RING: A client-server system for multi-user virtual environments / T. Funkhouser // ACM SIGGRAPH. 1995. - Pp. 95-92.

40. Funkhouser, T. Overview of 3D object representations: Tech. rep. / T. Funkhouser: Princeton University, 2002.

41. Funkhouser, T. Adaptive display algorithm for interactive frame rates during visualization of complex virtual environments / T. Funkhouser,

42. C. Sequin // Computer Graphics. — 1993. — Vol. 27, no. Annual Conference Series. — Pp. 247—254. citeseer.ist.psu.edu/funkhouser93adaptive.html.

43. Greene, N. Hierarchical Z-buffer visibility / N. Greene, M. Kass, G. Miller // Proceedings of the 20th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. — 1993. — Pp. 231-238.

44. Hoots, F. R. Spacetrack report no. 3: Models for propagation of NORAD element sets: Tech. rep. / F. R. Hoots, R. L. Roehrich: Proc, 1980.

45. Hoppe, H. Progressive meshes / H. Hoppe // Proceedings of SIGGRAPH '96. 1996. - Pp. 99-108.

46. Junker, G. OGRE 3D Programming / G. Junker. Berkley, CA, USA: Apress, 2006.

47. Kilgard, M. J. Modern OpenGL: its design and evolution / M. J. Kilgard, K. Akeley // SIGGRAPH Asia '08: ACM SIGGRAPH ASIA 2008 courses.-New York, NY, USA: ACM, 2008.-Pp. 1-31.

48. Langley, R. B. NMEA 0183: AGPS receiver interface standard / R. B. Lan-gley // GPS World.- 1995.

49. Lisle, R. J. Google Earth: a new geological resource / R. J. Lisle // Geology Today. — 2006. — Vol. 22, no. 1. — Pp. 29-32.

50. MacDonald, M. Pro WPF in C# 2008: Windows Presentation Foundation with .NET 3.5, Second Edition / M. MacDonald. — Apress, 2008.

51. Maestri, G. Inside 3D Studio MAX Vol. 2 & 3 (Limited Ed.) / G. Maestri, J. R. Andersen; Ed. by P. Miller. — Thousand Oaks, CA, USA: New Riders Publishing, 1997.

52. Mesh optimization / H. Hoppe, T. DeRose, T. Duchamp et al. // Computer Graphics. 1993. — Pp. 19-26.

53. MMR: an interactive massive model rendering system using geometric and image-based acceleration / D. G. Aliaga, J. Cohen, A. Wilson et al. // Symposium on Interactive 3D Graphics. — 1999. — Pp. 199-206. cite-seer.ist.psu.edu/aliaga99mmr.html.

54. Myllarniemi, V. Dynamic scene occlusion culling / V. Myllarniemi // Tik-111.500 Computer Graphics Seminar. — 2003.

55. Naylor, B. F. Partitioning tree image representation and generation from 3D geometric models / B. F. Naylor // Graphics Interface, Proceedings. — 1992. Pp. 201-212.

56. NIMA. The universal grids: Universal transverse mercator (UTM) and universal polar stereographic (UPS). — 1989.

57. Presenter first: Organizing complex GUI applications for test-driven development / M. Alles, D. Crosby, C. Erickson et al. // AGILE '06: Proceedings of the conference on AGILE 2006. Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2006. — Pp. 276-288.

58. Revisiting spacetrack report no. 3 / D. A. Vallado, P. Crawford, R. Hujsak, T. Kelso // AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference / American Institute of Aeronautics and Astronautics. — 2006.

59. Rossignac, J. Multi-resolution 3D approximation for rendering complex scenes / J. Rossignac, P. Borrel // IFIP TC 5.WG 5.10 II Conference on Geometric Modeling in Computer Graphics. — 1993.

60. Sahm, J. A client-server scenegraph for the visualization of large and dynamic 3D scenes / J. Sahm, I. Soetebier // Journal of WSCG. — 2004. — Vol. 12, no. 1-3.

61. Smith, J. WPF apps with the Model-View-ViewModel design pattern / J. Smith // MSDN Magazine. — 2009. — no. February.

62. Strauss, P. S. An object oriented 3D graphics toolkit / P. S. Strauss, R. Carey // Computer Graphics (Proceedings SIGGRAPH).— 1992.— Vol. 26, no. 2.-P. 341.

63. Sudarsky, O. Dynamic scene occlusion culling / O. Sudarsky, C. Gots-man // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. — 1999. Vol. 5, no. 1. - Pp. 13-29.

64. A survey of visibility for walkthrough applications / D. Cohen-Or, Y. L. Chrysanthou, C. T. Silva, F. Durand // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. — 2003. — Vol. 9, no. 3. — Pp. 412-431.

65. Turk, G. Re-tiling polygonal surfaces / G. Turk // Computer Graphics. — 1992. Pp. 55-64.

66. Varadhan, G. Out-of-core rendering of massive geometric environments / G. Varadhan, D. Manocha // VIS '02: Proceedings of the conference on Visualization '02. — Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2002. — Pp. 69-76.

67. William, P. Visual navigation of large environments using textured clusters: Ph.D. thesis / Indiana University. — Indianapolis, IN, USA: Indiana University, 1995.