Исследование и разработка системы отображения и наблюдения тренажера подводного аппарата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Кудрявцев, Алексей Сергеевич

• Кудрявцев, Алексей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кудрявцев, Алексей Сергеевич

Перечень сокращений.

Введение

Глава 1. Критический анализ систем отображения и наблюдения морских тренажеров.

1.1 Средства отображения пространственной обстановки в тренажере подводного аппарата.

1.2 Существующие системы отображения и наблюдения морских тренажеров.

1.3 Особенности систем визуализации подводных сцен

1.4 Исследование проблемы большого динамического диапазона размеров объектов и расстояний между ними.

1.5 Исследование проблемы восприятия трехмерной сцены по проекции на экране.

1.6 Недостатки существующего положения.

1.7 Постановка задачи исследования

Глава 2. Модель наблюдения подводной сцены и динамический граф сцены.

2.1 Состав модели наблюдения подводной сцены.

2.2 Подводная пространственная сцена.

2.3 Формы представления объектов.

2.4 Виды представления сцены и функция выбора представления объектов.

2.5 Виртуальный аквариум и решение проблем наблюдения пространственной подводной сцены.

2.6 Динамический аспект модели наблюдения.

2.7 Выбор структуры для программного описания сцены.

2.8 Динамический граф сцены.

2.9 Выводы.

Глава 3. Проектирование системы отображения и наблюдения тренажера подводного аппарата

3.1 Требования по разработке.

3.2 Этапы проектирования СОН.

3.3 Создание динамического графа сцены

3.4 Подсистема динамического графа.

3.5 Подсистема связи с тренажером.

3.6 Подсистема записи и воспроизведения

3.7 Подсистема отображения.

3.8 Подсистема пользовательского интерфейса.

3.9 Базовая библиотека.

3.10 Выводы.

Глава 4. Особенности реализации и экспериментальное исследование характеристик системы отображения и наблюдения тренажера подводного аппарата.

4.1 Техническая платформа реализации.

4.2 Источник данных о рельефе морского дна.

4.3 Представление поверхности воды.

4.4 Погрешности при представлении земной поверхности в виде плоскости

4.5 Производительность подсистемы записи и воспроизведения

4.6 Степень повторного использования.

4.7 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка системы отображения и наблюдения тренажера подводного аппарата»

Актуальность работы

Возможность использования серийных персональных компьютеров привела к созданию большого числа тренажеров. Резкое снижение стоимости компьютеров и повышение их производительности сделало применение компьютерной графики повсеместным. Задача поддержания и совершенствования необходимых навыков у операторов различных технических средств актуальна в данный момент и вряд ли в ближайшем будущем потеряет свою актуальность [1, 2]. Это выводит на первый план проблемы, связанные с повышением эффективности человеко-машинных интерфейсов в тренажерах при помощи компьютерной графики.

Усложнение задач обучения с использованием тренажеров привело к увеличению роли руководителя обучением. Включение его в процессы моделирования, создания и управления сценарием тренировки требует адекватного и оперативного представления ситуации в тренажере.

Система визуализации тренажера подводного аппарата, имитирующая работу телевизионных камер, дает реалистичное изображение окружающей обстановки в трехмерном виде. Но при этом дальность видимости под водой ограничена и не превышает нескольких десятков метров. Руководитель обучением имеет дело с инструментами подготовки и проведения тренировки, представленными в виде морской карты. Недостатком морской карты является отсутствие третьей координаты - глубины (для объектов). Существующие средства для руководителя обучением, отображающие подводную сцену в трехмерном виде, не решают и проблем наблюдения. Проблемы возникают при наблюдении спроецированных на плоскость экрана трехмерных сцен с большим пространственным динамическим диапазоном.

При диапазоне размеров объектов от одного до ста и более метров и размере акватории в несколько десятков километров проекции объектов оказываются малы для их идентификации. Также возникают сложности из-за неоднозначности определения расположения объекта в пространстве по проекции на экране.

Для эффективного наблюдения и оперативного анализа тренировки необходимо построить систему отображения и наблюдения, обеспечивающую наглядность и информативность представления пространственной подводной сцены. Предназначенная для руководителя обучением система отображения и наблюдения должна сочетать реалистичность и схематичность отображения пространственной обстановки в тренажере подводного аппарата, а также решать проблемы наблюдения спроецированных на плоскость экрана трехмерных сцен с большим пространственным динамическим диапазоном.

Цель диссертационной работы. Целью работы является разработка модели, решающей проблемы наблюдения пространственных сцен в тренажерах подводных аппаратов, а также создание шаблонов проектирования, обеспечивающих создание программных систем отображения и наблюдения.

Основные задачи работы состоят в следующем:

Исследование и критический анализ существующих систем отображения и наблюдения пространственной обстановки в морских тренажерах.

Построение модели наблюдения подводной сцены, решающей проблемы наблюдения спроецированных на экран трехмерных подводных сцен с большим пространственным динамическим диапазоном.

Разработка набора шаблонов проектирования и рекомендаций по их использованию, позволяющих построить системы отображения и наблюдения инвариантные к тренажерам подводных аппаратов. Реализация и экспериментальное исследование системы отображения и наблюдения тренажера подводного аппарата.

Объект исследования. Объектом исследования является система отображения и наблюдения тренажера подводного аппарата.

Методы исследования. Методы теории множеств, теории графов [3], методы аналитической геометрии [4], методы интерактивной машинной графики [5, 6], методы проектирования программного обеспечения [7, 8].

Научная новизна:

1. Построена формализованная модель наблюдения пространственной подводной сцены, особенностью которой является представление сцены в трех видах: реалистичном, картографическом и схематичном. Схематичный трехмерный вид включает ограниченную область интереса - виртуальный аквариум, что позволяет решать проблемы наблюдения спроецированных на экран трехмерных подводных сцен с большим пространственным динамическим диапазоном.

2. Предложена структура данных для программной организации описания пространственной сцены - динамический граф, отличающийся введением новых типов вершин, задающих порядок обхода. Преимуществом данной структуры данных является возможность описывать на высоком уровне пространственные сцены динамических объектов и задавать в одном динамическом графе функции выбора представления объекта для нескольких видов представления сцены.

3. Разработан набор шаблонов проектирования и рекомендации по его использованию для построения системы отображения и наблюдения тренажера подводного аппарата. Этот набор шаблонов основан на формализованной модели наблюдения и динамическом графе сцены. Повторное использование шаблонов проектирования позволяет сокращать сроки создания новых систем отображения и наблюдения тренажеров подводных аппаратов.

Практическая значимость:

1. Предложенный набор шаблонов проектирования позволяет разрабатывать системы отображения и наблюдения подводной обстановки для тренажеров подводных аппаратов разного назначения. На основе этого набора созданы три системы отображения и наблюдения подводной обстановки для тренажерных комплексов.

2. Использование разработанного набора шаблонов проектирования при создании систем отображения и наблюдения обеспечивает сокращение заново разрабатываемого исходного текста программы более чем на 40%.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Формализованная модель наблюдения пространственной подводной сцены.

2. Структура данных для программной организации описания пространственной сцены - динамический граф.

3. Набор шаблонов проектирования и рекомендации по его использованию для построения системы отображения и наблюдения тренажера подводного аппарата.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись и обсуждались: на седьмой международной конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики "(Санкт-Петербург, 2004), на 58-й и 59-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава университета (Санкт-Петербург, 2005-2006), а также на ряде научно-технических совещаний и семинаров, проходивших в период разработки и внедрения систем отображения и наблюдения тренажеров подводных аппаратов (Санкт-Петербург, 2006-2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 научных работ, из них - 4 статьи (3 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, 1 статья - в электронном научном издании из списка НТЦ «Информрегистр») и 1 доклад, представленный на седьмой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (Санкт-Петербург, Научный центр Российской академии наук).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии и 2 приложений. Общий объем диссертации - 146 страниц, включая 54 рисунка и 10 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Кудрявцев, Алексей Сергеевич

Выводы по работе:

1. Исследована предметная область систем отображения и наблюдения пространственной обстановки в тренажерах подводных аппаратов. Критический анализ существующих систем отображения и наблюдения подводных аппаратов показал наличие нерешенных проблем наблюдения пространственных подводных сцен.

2. Разработана формализованная модель наблюдения пространственной подводной сцены. Она отличается представлением сцены в трех видах, в том числе в схематичном трехмерном виде, который включает ограниченную область интереса - виртуальный аквариум. Это позволяет решать проблемы наблюдения спроецированных на экран трехмерных подводных сцен с большим пространственным динамическим диапазоном.

3. Предложена структура данных для программной организации описания пространственной сцены - динамический граф. Он отличается введением новых типов вершин, задающих порядок обхода. Это позволяет описывать на высоком уровне пространственные сцены динамических объектов и задавать в одном динамическом графе функции выбора представления объекта для нескольких видов представления сцены.

4. Разработан набор шаблонов проектирования и рекомендации по его использованию для построения системы отображения и наблюдения тренажера подводного аппарата. Этот набор основан на формализованной модели наблюдения и динамическом графе сцены. Предложенный набор шаблонов проектирования позволяет сокращать сроки создания новых систем отображения и наблюдения тренажеров подводных аппаратов.

5. Полученные научные результаты позволили создать три системы отображения и наблюдения тренажеров подводных аппаратов и сократить объем заново разрабатываемого исходного текста программы более чем на 40%.

Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы в филиале ФГУП «ЦНИИ «Комета» «НПЦ ОЭКН» для создания трех систем отображения и наблюдения для тренажерных комплексов подводных аппаратов, прошедших государственные испытания.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кудрявцев, Алексей Сергеевич, 2012 год

1. Энциклопедия "Оружие и технологии России. XX1.век"- том 18 -"Тренажеры и технические средства обучения". М.: Издательский дом "Оружие и технологии 2009.

2. Прохоров А. Многоликая виртуальная реальность // КомпьютерПресс. 2000.

3. Касьянов В. Н., Евстигнеев В. А. Графы в программировании: обработка, визуализация и применение. СПб: БХВ-Петербург, 2003.

4. Ильин В. А., Позняк Э. Г. Аналитическая геометрия. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.

5. Эйнджел Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL. M: Вильяме, 2001.

6. Тихомиров Ю. В. Программирование трехмерной графики. СПб: БХВ-Петербург, 2001.

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

8. Шаллоуей А., Тротт Д. Р. Шаблоны проектирования. М: Вильяме, 2002.

9. Горбацевич Ф.Ф., Кудрявцев A.C., Шмидт. В.К. СОН пространственных динамических сцен для тренажерных комплексов // 58 научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ/СПбГЭТУ 2005.

10. Г.Б. Галикеев, A.C. Кудрявцев, И.Я. Натансон, В.К. Шмидт, «Система визуализации тренажерного комплекса оператора подводного аппарата», публикация конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики 2004.

11. В. Вельтищев, Е.Климов, А. Засорин / Тренажер для подготовки операторов подводных аппаратов / http://aqua.sm.bmstu.ru/articles/trenager/Trenl.htm.

12. Навигационные тренажеры: Tech. rep.: Группа компаний «ТРАНЗАС», 2012. URL: http://www.transas.ru/products/simulators/ navigational/.

13. Naval Training Simulators for Defence & Civil applications: Tech. rep.: ECA group, 2010. URL: http://www.eca-sindel.com/en/liste-rubrique. htm.

14. Навигационно-промысловый тренажер: Tech. rep.: ООО Конструкторское бюро морской электроники «Вектор», 2012. URL: http://www.transas, ru/products/simulators/navigational/.

15. Комплексные тренажеры «Лагуна»: Tech. rep.: Компания «Кронштадт», 2009. URL: http://www.kronshtadt.ru/ru/products/sea/detail.php.

16. Maritime Training Simulators: Tech, rep.: Image Soft Oy, 2012. URL: http: //imagesoft.fi/products-en.php.

17. Visual simulator of navigation: Tech. rep.: MI Simulators, 2010. URL: http: //www.misimulators.со.uk/vissimulatorfull.htm.

18. Копанев А., Музыченко О. Перспективы развития БИУС для кораблеймалого и среднего водоизмещения на базе системы «Требование-М» // Морская радиоэлектроника. 2002. по. 2.

19. Алексеев Ю., Блинов Ю. Корабельные автоматизированные системы управления // Радиоэлектронное вооружение. 2003. URL: http://www. navy.ru/science/rv7.htm.

20. Тренажер «Салинг-ТВ»: Отчет о НИР/Научно-исследовательский институт телевидения (НИИТ) ТЭ1.136.342. - СПб., 2001 - Исполн. Фисенко В.Т., Галикеев Г.Б., Капралов Б.П., Никитин В.П., Оранская JI.B., Натансон И.Я., Береговой А.В., Сизов В.И.

21. Chen, С., Czerwinski, М., Macredie, R. (2000) Individual BifFerences in Virtual Environments Introduction and overview.

22. Jorg Sahm, Ingo Soetebier (2004) A Client-Server-Scenegraph for the Visualization of Large and Бупаппс 3D Scenes.

23. Васильев В.P., Волобой А.Г., Вьюкова Н.И., Галактионов В.А. Контекстная визуализация пространственных данных. Препринт Института Прикладной Математики им. М.В. Келдыша РАН № 56, 2004.

24. Computer Vision: A Modern Approach"by D. A. Forsyth and J. Ponce, Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J., 2002 http://www.cs.wisc.edu/ dyer/cs766/readings/forsyth7.pdf.

25. Haber, R. N., and Hershenson, M. (1973). The psychology of visual perception. New York: Holt, Rinehart and Winston.

26. Arditi, A. (1986). Binocular vision. In K. R. Boff, L. Kaufman, and J. P. Thomas (Eds.), Handbook of Perception and Human. Performance (pp. 23-1, 23-41). New York: John Wiley and Sons.

27. McAllister, D. F. (Ed.). (1993). Stereo computer graphics and other true 3D technologies. Princeton, New Jersey: Princeton University Press.

28. Yeh, Y. Y.(1993). Visual and perceptual issues in stereoscopic display. In D. F. McAllister (Eds.), Stereo computer graphics (pp. 50-70). Princeton, New Jersey: Princeton University Press.

29. Foley, J. D., van Dam, A., Feiner, S. K., and Hughes, J. F. (1990). Computer Graphics Principles and Practice. Reading, MA: Addison-Wesley.

30. Brooks, F. P. J. (1988). Grasping reality through illusion Interactive graphics serving science. In Proceedings of CHI'88: ACM Conference on Human Factors in Computing Systems.

31. Kaufman, L. (1974) , Sight and mind an introduction to visual perception, London: Oxford University Press.

32. Herndon, K. P., Zelaznik, R. C., Robbins, D. C., Conner, D. B., Snibbe, S. S., and van Dam, A. (1992). Interactive shadows. In Proceedings of ACM Symposium on User Interface Software and Technology, (pp. 1-6). Monterrey, California.

33. Card, S., Robertson, G., and Mackinlay, J. (1991). The information visualizer. In Proceedings of CHI '91: ACM conference on Human Factors in Computing Systems, (pp. 181-194).

34. Sollenberger, R. L. (1993) Combining depth information: theory and implications for design of 3D displays. Ph.D Thesis, University of Toronto, Department of Psychology.

35. Smets, G. J. F. (1992). Designing for telepresence: the interdependence of movement and visual perception implemented. In Proceedings of 5th

36. AC/IFIP/IFORS/IEA symposium on analysis, design, and evaluation of man-machine systems, The Hague, The Netherlands.

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

38. Кудрявцев А.С. Система отображения и наблюдения для тренажерного комплекса // Известия Вузов. Приборостроение — 2009. — №8. С.49-52.

39. Шмидт В. К., Кудрявцев А. С., Горбацевич Ф. Ф. Система отображения и наблюдения тренажера для экипажа подводного аппарата // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. по. 8.

40. Wenbi Wang and Paul (>2003) Milgram Viewpoint Optimisation for Virtual Environment Navigation Using Dynamic Tethering A Study of Tether Rigidity.

41. Аносов Д.В. Динамическая система // Математическая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1979.

42. Метод проектирования систем отображения и наблюдения / В. К. Шмидт, Ф. Ф. Горбацевич, А. С. Кудрявцев // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», -2010. №6. С. 30-34.

43. 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.

44. Эйнджел Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL. М.: Изд. дом «Вильяме», 2001.

45. Diehl S. Distributed virtual worlds: foundations and implementationtechniques using VRML, Java, and CORBA. Secaucus, NJ, USA: Springer-Verlag New York, Inc., 2001. ISBN: 3-540-67624-4.

46. Strauss P. S., Carey R. An Object Oriented 3D Graphics Toolkit // Computer Graphics (Proceedings SIGGRAPH). 1992. Vol. 26, no. 2. P. 341.

47. Е. П. А., Труфанов В. Ф. Мировое вещательное телевидение. Стандарты и системы. Справочник. Горячая Линия Телеком, 2008.

48. ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99. Процессы жизненного цикла программных средств.

49. Ларман К. Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования. М: Вильяме, 2008.

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

51. Роджерс Д., Адаме Д. Математические основы машинной графики. М.: Мир, 2001.

52. Perlin К. Making noise // GDCHardcore. 1999.

53. Frakes, William and Carol, Terry. (1996) "Software Reuse: Metrics and Models. "ACM Computing Surveys 28(2).