Методы и алгоритмы улучшения качества изображения в мультипроекторных тренажерных компьютерных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Бабенко, Анатолий Павлович

• Бабенко, Анатолий Павлович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бабенко, Анатолий Павлович

Введение.

1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ.

1.1. Обзор проекционных технологий.

1.2. Проекционные Архитектуры.

1.3. Создание мультипроекторных экранов.

1.4. Проблемы систем проекционной визуализации.

1.5. Обзор инженерных решений по мультипроекторному отображению информации.

1.6. Основные принципы построения мультипроекторных систем.

Выводы по 1 -й главе.

2. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ.

2.1. Основные параметры канала цветопередачи в мультипроекторных системах.

2.2. Внешние параметры, влияющие на цветопередачу.

2.3. Параметры проекторов, изменяющие цветопередачу.

2.4. Анализ i встроенных параметров проекторов.

2.5. Выводы по второй главе.

3. МЕТОДЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ФУНКЦИЙ ЦВЕТОПЕРЕДАЧИ.

3.1. Особенности реализации проекторных систем.

3.2. Понятие функции цветопередачи.

3.3. Функция цветопередачи одного проектора.

3.4. Функция цветопередачи мультипроекторной системы.

Выводы по третьей главе.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОЦЕНКА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1. Особенности симуляторов реального времени.

4.2. Принципы построения интерактивной системы визуализации реального времени

4.3. Структура подсист емы визуализации.

4.4. Состав подсист емы визуализации.

4.5. Алгоритмы сшивки панорамного экрана тренажерного комплекса.

4.6. Алгоритм коррекции растра единого экрана.

4.7. оценка качества полу чаемых изображений единого экрана.

Общие результаты и выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и алгоритмы улучшения качества изображения в мультипроекторных тренажерных компьютерных системах»

Проблема обучения человека сложным поведенческим навыкам, таким как вождение современного танка или самолета, на начальном этапе обучения требует использования тренажеров. Построение реального физического тренажера под современную конкретную технику приводит к огромным финансовым и инженерным затратам. Создание аппаратно-программного комплекса для моделирования и представления визуальной информации, а также управления объектом на экране монитора позволяет существенно снизить эти затраты. Более того, этот подход обеспечивает большую гибкость и легкую перенастройку функционирования тренажера с одного типа аппарата на другой.

К созданию и применению тренажерных систем обучения давно испытывают интерес специалисты самых разнообразных предметных отраслей. Тренажерные системы широко применяются для решения различных задач, как в военных, так и в гражданских целях.

Однако создание тренажера — обучающей системы — это сложная психологическая, научная и инженерная работа, состоящая из ряда последовательно решаемых проблем. А именно:

• Разработка психологической поведенческой модели человека-оператора при выполнении им определенной управляющей деятельности, например пилотирования самолета в условиях взаимодействия с противником [1,2,3].

• Высокоточное математическое моделирование поведения объекта в реальном времени, с учетом внешней обстановки, при выполнении оператором определенных действий при ограничениях, накладываемых возможностями поведенческой модели человека [4].

• Разработка способов взаимодействия модели объекта с управляющими элементами, предоставляемыми обучаемому субъекту и оперативное реагирование поведение модели на его команды [5,6].

• Визуализация событий математической модели на экране монитора с высокой точностью, как результата имитации поведения объекта при внешних воздействиях и интерактивного взаимодействия испытуемого с моделью [7].

• Интерактивная коррекция поведения математической модели объекта при отладке и контроле процесса обучения [8].

Результаты исследований в инженерной психологии убедительно показывают, что процесс моделирования и визуального отображения информации имеет определяющее значение в процессе обучения [9,10,11]. При этом у обучаемого складываются необходимые навыки, формируется подсознательное запоминание и автоматическое воспроизведение действий, ассоциированных с той или иной обстановкой, как естественная реакция на нее. Такое поведение оператора будет тем лучше происходить, чем более качественным и приближенным к реальности будет представляемое ему изображение монитора.

При этом необходимым условием такого отображения является симуляция и визуализация в реальном времени виртуального пространства, в котором происходит действие и трансформация имитационной среды при взаимодействии с оператором посредством органов управления.

Очевидно, что для повышения качества обучения необходимо создание имитационной среды с высокой детализацией и масштабируемостью [И]. Однако представление изображения на обычном экране монитора (пусть даже очень большого размера) не может удовлетворить современным требованиям, предъявляемым к большинству объектов современной техники.

Основной проблемой тренажеров является невозможность одновременного отображения на экране, как всей панорамы, так и отдельных деталей, что является основным свойством и потребностью визуального восприятия человека для принятия решения, следовательно, и требований к рабочему тренажеру. Иначе говоря, современные одиночные мониторы не в состоянии обеспечить психологический комфорт оператору, а значит и качественному выполнению функций, возложенных на него.

Выходом из положения является объединение мониторов в систему, обеспечивающую нужный для человека угол горизонтального и вертикального обзора (широта зрения) при отображении необходимых (с точки зрения возможностей разрешающей способности глаза) деталей, по наличию которых оператор и принимает решение.

Однако наличие мест «стыков» двух соседних мониторов существенно понижают комфорт восприятия визуальной информации человеком. Особенно это сказывается, когда мелкие детали попадают на границы мониторов. Это не только приводит к психологическому дискомфорту, но может вызвать неправильное принятие решения из-за неадекватного восприятия деталей расположенных на границах мониторов. Поскольку цена такого решения может быть очень велика, то применение таких систем для ответственных объектов весьма ограниченно.

Другим решением, свободным от таких сопряжений являются проекционные системы. Здесь процесс отображения информации является более сложным, в сравнении с технологией обычного дисплея или LCD монитора, так как общее изображение формируется в пространстве экрана из отдельных меньших изображений.

Одной из главных проблем, которые возникают при создании такой системы, является обеспечение восприятия составного экрана, как единого, без каких либо искажений цвета, яркости, а также без разрывов или наложений в изображении. Основой создания иллюзии единого экрана является корректное отображение итогового изображения, из которого удалены все геометрические, цветовые и яркостные искажения.

При использовании различных конфигураций проекционных экранов, методов совмещения спроецированных изображений, аддитивной компьютерной цветовой модели RGB с присущими ей недостатками, представляются актуальными решение ряда важных вопросов разработки и создания методов, позволяющих обеспечить много проекторным системам визуализации способность вывода единого изображения и корректировки его параметров для создания иллюзии единого экрана.

Актуальность диссертационной работы. Поскольку имеются области науки и техники, в которых необходимо наблюдать и управлять сложные процессы, по их визуальному представлению с разной степени детальности вызывает необходимость в создании тренажеров, которые в состоянии моделировать, отображать и управлять этими процессами в реальном масштабе времени. А реальная экономия средств, полученная от эксплуатации таких тренажеров, безусловно, свидетельствует об актуальности таких разработки.

Целью исследования является разработка методов и алгоритмов, позволяющих много проекторным компьютерным системам визуализации выводить изображение на проекционный экран, используя возможности графических ускорителей с динамической корректировкой параметров изображения, для реализации иллюзии единого экрана.

В соответствии с этим в диссертационной работе поставлены и решены следующие основные задачи по:

• анализу различных способов отображения информации;

• исследованию и обобщению свойств и принципов построения динамических тренажерных систем;

• анализу методов создания сцен визуализации в мультипроекторных системах;

• анализу геометрических искажений, возникающих в много проектор-ных системах при создании единого изображения;

• разработке метода синтеза функции цветопередачи для создания заданной цветовой равномерности в пространстве экрана;

• разработке метода и алгоритма попиксельной динамической коррекции параметров изображения на основе синтезированных функций цветопередачи;

• разработке метода оценки качества сформированного изображения;

Методы исследования основаны на теории алгоритмов, теории цифровой обработки изображений, методах дифференциальной и проективной геометрии, колориметрии, методах динамической визуализации, свойствах и параметрах цифровых изображений, используемых при их формировании и отображении.

Научная новизна диссертационной работы обусловлена следующими факторами:

• Разработан метод синтеза функций цветопередачи мультипроекторных тренажеров, обеспечивающих заданную цветовую и световую неравномерность на всем пространстве экрана;

• Разработаны методы и алгоритмы попиксельной динамической коррекции параметров изображения на основе полученных функций цветопередачи;

• Разработан метод оценки качества сформированного изображения;

Практическая иенность работы. Разработанные методы повышают качество вывода сформированного изображения в мультипроекторной системе на единый проекционный экран, исправляют в динамическом режиме цветовые искажения, связанные с методами совмещения изображений для использованной цветовой модели, убирают жесткие условия по качеству однотипных проекторов и облегчают их точную цветовую настройку.

Разработанные методики коррекции изображения позволяют добиться требуемой в динамических тренажерах иллюзии погружения в имитационную среду.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены при построении системы визуализации в Научно технологическом центре РАН и используются в учебном процессе в МГУПИ, что подтверждено актами внедрения.

Апробация работы. Основные результаты неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах в Московском государственном университете приборостроения и информатики, Научно-технологическом центре АН РАН, Международной научно практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте».

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 6 печатных работ. В работах с соавторами вклад автора является определяющим.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 67 наименований. Она содержит 92 страницы машинописного текста с приложением, 30 рисунков и 2 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Бабенко, Анатолий Павлович

Выводы по четвертой главе.

• Рассмотрены особенности симуляторов реального времени для их применения в тренажерных комплексах.

• Изложены принципы построения интерактивной системы визуализации реального времени и приведена структура подсистемы визуализации.

• Детально рассмотрен состав подсистемы визуализации и особенности ее реализации в диссертационной работе.

• Рассмотрен алгоритм сшивки панорамного экрана, названный алгоритмом скользящего допуска.

• Приведен алгоритм яркостной коррекции растра на основе обобщенной функции цветопередачи.

• Приведены методы оценки качества получаемого изображения и сделан их анализ, показывающий, что при применении разработанных алгоритмов получается хорошее качество мест стыков отдельных фрагментов.

Общие результаты и выводы.

• Проведен обзор и сравнительный анализ ряда наиболее распространенных мультипроекторных тренажеров с описанием их достоинств и недостатков.

• Исследованы характерные особенности тренажеров реального времени, и принципы построения интерактивных систем визуализации на их основе.

• Проведен анализ геометрических, световых и цветовых искажений, возникающих в мультипроекторных тренажерах при создании единого изображения.

• Выполнено исследование по возможностям управления световыми и цветовыми параметрами проекторов в мультипроекторных тренажерах.

• Разработан метод синтеза функции цветопередачи в мультипроекторных тренажерах для обеспечения заданной световой неравномерности и поддержания иллюзии единого экрана.

• Разработаны методы и алгоритмы попиксельной динамической коррекции параметров изображения на основе полученных функций цветопередачи.

• Выполнен анализ качества получаемого изображения на основе визуальных экспертных оценок и математических методов, показывающий, что результаты сведения хорошие.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бабенко, Анатолий Павлович, 2009 год

1. Дозорцев В.М. Психологические проблемы компьютерного тренинга операторов технологических процессов/УВ сб. "Человеческий фактор в управлении". М.: Ком-Книга, 2006.

2. Шилов К. Ю., Кобзев В. В. Интеллектуальные тренажеры операторов корабельных технических средств // Судостроение. 2006, № 5, стр.52-56.

3. Нечаев Ю.И., Завьялова О.П., Шамонин Д.П. Моделирование и визуализация сложных структур в системе виртуальной реальности. // Искусственный интеллект. 2002. № 4

4. Красовский А.А., Кудиенко А.В. Пилотажно-навигационные и комплексные тренажеры. М.: ВВИА, 1984.

5. Кремлев В .Я. (под ред.) Учебно-тренажные средства ВВС: современное состояние и проблемы дальнейшего совершенствования и развития. Научно-методические материалы М.: ВВИА, 1988.

6. Нечаев Ю.И., Бухановский А.В., Иванов С.А. Виртуальное моделирование динамики судна на морском волнении в интеллектуальных тренаже-рах//Искусственный интеллект. 2004. № 3.

7. Александров B.JL, Матлах А.П., Нечаев Ю.И., Поляков В.И., Ростовцев Д.М. Интеллектуальные системы в морских исследованиях и технологиях/Под ред. Ю.И. Нечаева. СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2001

8. Анализ деятельности ведущих зарубежных тренажеростроительных фирм: Обзор зарубежной печати. М.: Изд-во ГОНТИ. 1990. 72 с

9. Данилов и др. Вопросы проектирования авиационных тренажеров: Монография/А.М. М.: Изд-во Моск. ин-та электромеханики и автоматики. 1990.

10. Шукшунов В.Е. и др. Тренажерные комплексы и тренажеры: Технологии разработки и опыт эксплуатации. М., 2005.

11. Тюнин НА. Современные зарубежные мониторы. М.: COJIOH-Пресс, 2003. 184 с.

12. Джакония В.Е. Телевидение: Учебник для вузов 4-е изд. М.:Горячая линия-Телеком 2007.-616стр.

13. Материалы сайта «Балтийской Медиапроекционной Компании (БМК)» http://www.bmlc.spb.ru/

14. Самарин А.В. Микропроекторы для мобильных приложений. // Электронные компоненты. 2006. № 10.

15. Колмогоров А. Г. Концепция связи и обмена данными в компьютерных тренажерных системах. // Вестник Иркутского государственного технического университета 2008 Т.36. №4. стр.220-222.

16. Гусева А.И. Технология межсетевых соединений. М., 1997.

17. Гринченков Д.В., Левшин С.А. Проекторование специализированной вычислительной системы для мобильного тренажера //Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки 2007 №6 стр.27-32.

18. Samanta R, Zheng J, Funkhouse Т., Load balancing for multi-projector rendering systems. // SIGGRAPH/Eurographics Workshop on Graphics Hardware, 1999.

19. Humphreys G., Eldridge M. et al. A scalable graphics system for clusters. //Proceedings of ACM SIGGRAPH, 2001.

20. Buck I., Humphreys G., and Hanrahan P. Tracking graphics state for networked rendering. Proceedings of Eurographics/SIGGRAPH Workshop on Graphics Hardware, 2000.

21. Raskar R., Welch G., Cutts M., et al. The office of the future: A united approach to image based modeling and spatially immersive display. // Proceedings of ACM Siggraph, 1998 p. 168.176.

22. Raskar R., Brown M.S., Yang R., et al. Multi projector displays using camera based registration. // Proceedings of IEEE Visualization, 1999.

23. Li K, Chen H, ChenY, Clark D W., et al. Early experiences and challenges in building and using a scalable display wall system. I I IEEE Computer Graphics and Applications, 20(4):671.680, 2000.

24. Goldstein E. B. Sensation and Perception. Wadsworth Publishing Company, 2001.

25. De Valois R. L. and De Valois К. K. Spatial Vision. Oxford University Press, 1990.

26. Материалы сайта http://www.meso.net/BASF

27. Материалы сайта http://www.meso.net/futuremobility

28. Материалы сайта http://www.barco.com/corpdisplays/default.asp

29. Metz С. and Bsales J. Five Ideas That Will Reinvent Modern Computing// PC Magazine, 17 July 2007,

30. Chen Y., Clark D., Finkelstein A., et al. Automatic alignment of high-resolution multi-projector display using an uncalibrated camera. //In Proceedings of IEEE Visualization, 2000.

31. Foley J., van Dam A., Feiner S., et al. Computer Graphics: Principles and Practice. Addison Wesley, 1993.

32. Cham T.-J., Rehg J., Sukthankar G., et al. Shadow Elimination and Occlude Light Suppression for Multi-Projector Displays. CVPR // Proceedings of Computer Vision and Pattern Recognition, 2003.87

33. Chen H., Sukthankar R., Wallace G., et al. Accurate Calculation of Camera Homography Trees for Calibration of Scalable // Multi-Projector Displays. Princeton University Computer Science TR-639-01.

34. Chen K, Sukthankar R., Wallace G. et al Scalable Alignment of Large-Format Multi-Projector Displays Using Camera Homography Trees. Proceedings of Visualization, 2002.

35. Вяткин С. И., Долговесов Б. С., Есин А. В. и др. Геометрическое моделирование и визуализация функционально заданных объектов // Автометрия. 1999. №6. С. 84.

36. Vyatkin S. /., Dolgovesov В. S, Yesin А. V. et al Voxel Volumes volume-oriented visualization system // IEEE Comput. Soc. 1999. P. 234.

37. Долговесов B.C., Мазурок B.C., Обертышев К.Ф. и др. Геометрический процессор синтезирующей системы визуализации.// Автометрия, 1986, N4.

38. Долговесов Б.С. Семейство компьютерных систем визуализации "Альбатрос" // Автометрия, 1994, N 6.

39. Brainard D.H. Calibration of a computer controlled color monitor. // Color Research and Applications, 14(1):23.34, 1989.

40. Stone M. C. Color balancing experimental projection displays. // Proceeding of The 9th IS&T/SID Color Imaging Conference, 2001.

41. Stone M. C. Color and brightness appearance issues in tiled displays. // IEEE Computer Graphics and Applications, 2001.

42. Stupp E. H. and Brennesholtz M. S. Projection Displays. John Wiley and Sons Ltd., 1999.

43. Poynton C. A Technical Introduction to Digital Video. John Wiley and Sons, 1996.

44. De Valois R. L., De Valois К. K. Spatial Vision. Oxford University Press,1988

45. Chorley R.A. and Laylock J. Human factor consideration for the interface between electro-optical display and the human visual system. // Displays. V. 4, 1981.

46. Nicodemus, F. E., Richmond, J.C., Ginsberg, I.W. and Limperis, T. . Geometrical Consideration and Nomenclature for Reflectance. NBS Monograph. NBS MN-160. 1977. 52 pp.

47. Majumder A., Brown M. S., Practical Multi-Projector Display Design, A.K. Peters, 2007

48. Фурман С. JI. Телевидение М.:Связь.1975 264стр.

49. Бондаренко С. В., Бондаренко М. Ю. Autodesk 3ds Max 2008 за 26 уроков. 3D Studio max 2008. М.: Диалектика 2008г. 576 стр

50. Бондаренко С. В., Бондаренко М. Ю 3ds Мах 2008. Библиотека пользователя М.: Диалектика 2008г. 560 стр.

51. Chen Н., Sukthankar R., Wallace G. et al. Scalable alignment of large-format multi-projector displays using camera homography trees. // Proceedings of IEEE Visualization, 2002

52. Cruz-Neira C., Sandin D. J,. Defanti 7! A. Surround screen projection-based virtual reality: The design and implementation of the CAVE. // Proceedings of ACM Siggraph, 1993.

53. Гостев И.М. Особенности исчисления метрик при идентификации графических объектов методами геометрической корреляции // Изв. РАН ТиСУ 2007 № I.e. 128-133.

54. Chen С. J„ Johnson М. Fundamentals of scalable high resolution seamlessly tiled projection system. // Proceedings of SPIE Projection Displays VII, 4294:67-74, 2001.

55. Hall Ch.F., Hall E.L. A nonlinear model for the spatial characteristics of the human visual systems. // IEEE Trans. Syst. Man and Cybern. 1977. - V.SMC-7,-P. 161-170.

56. Стокхэм Т. мл., Кэннон Т.М., Ингебретсен Б.Б. Цифровое восстановление сигналов посредством неопределенной инверсной свертки // ТИИЭР. -1975. Т.бЗ, N4. - С. 160-177.

57. Бьемон Ж., Лагендейк Р.Л., Марсеро P.M. Итерационные методы улучшения изображений // ТИИЭР. 1990. - Т.78, № 5. - С. 58-84.

58. Боде Г., Шеннон К. Упрощенное изложение линейной минимально-квадратичной теории сглаживания и предсказания // Теория информации и ее применение. М.: Физматиз, 1959. - С. 113-137.

59. Pratt W.K. Generalized Wiener Filter Computation Techniques. 11 IEEE Trans. Computers. 1972. - V.C-21, N 7. - p. 636-641

60. Бабенко А.П., Брейман А.Д. «Особенности симуляторов реального времени», Межвузовский сборник научных трудов. Под редакцией д.т.н. проф. Михайлова Б.Н.-М.:МГАПИ, вып. 10, 2007.

61. Бабенко А.П., Брейман А.Д. «Проблема создания и применения тренажерных систем обучения», Межвузовский сборник научных трудов. Под редакцией д.т.н. проф. Михайлова Б.Н.-М.:МГАПИ, вып. 10, 2007.

62. Бабенко А.П., Брейман А.Д. «Технология подготовки к созданию панорамных изображений местности», Межвузовский сборник научных трудов. Под редакцией д.т.н. проф. Михайлова Б.Н.-М.:МГАПИ, вып. 10, 2007.

63. Бабенко А.П. «Обеспечение системы проекционной визуализации для использования в динамических тренажерных системах, позволяющей добиться восприятия составного экрана как единого целого». Системы управления и информационные технологии, 2008, N1.1(31).

64. Бабенко А.П. «Идеальная цветовая проекция» // Информационные технологии моделирования и управления, 2008, N2(45).

65. Бабенко А.П. «Метод обеспечения равномерной цветопередачи в 3D системах проекционной визуализации» //Материалы международной научно-практической конференции Перспективные инновации в науке, образовании,• производстве и транспорте. Одесса: 2009.т

66. УТВЕРЖДАЮ» Директор Иаучпо-техиологического центра n никальиого приборостроения РАМ академ! i lyJ^A1. В.И.Пустовойт» 2008 г.

67. Заведующий лабораторией к.ф.-м.н.1. Вагин В.А.