Введение к работе
Актуальность работы
Современный уровень развития информационных технологий позволяет использовать более эффективные подходы в обучении, в том числе с использованием интерактивных моделей изучаемых объектов, и, даже, получать (генерировать). Модели помимо пояснения изучаемых принципов могут быть использованы для управления траекторией обучения. Данный подход особенно актуален в технических дисциплинах где большинство правил поведения объектов и соответсвенно моделей строго формализован. Для оптических и оптотехнических специальностей необходимо применение моделей для развития необходимых будующему специалисту компетенции практического проектирования. Генерация моделей оптических систем (ОС) состоит из трех этапов:
1. поиск стартовой точки оптической системы в виде структурной схемы -
описания последовательности расположения и назначения элементов в ОС;
2. параметрического синтеза - расчета конструктивных характеристик
каждого оптического элемента с последующей предоптимизацией;
3.оптимизация модели.
В работе предложены подходы к автоматизации учебного процесса для подготовки студентов-оптиков с использованием методов анализа ОС, генерации моделей ОС и их оптимизации.
Работа является продолжением реализации теории композиции М.М. Русинова и её развития в работах И.Л. Лившиц применительно к параметрическому синтезу объективов с вынесенным зрачком. Потенциал данной теории и сегодня остается раскрытым не полностью, что подтверждается интересом со стороны международного сообщества к данной тематике. Основными задачами теории композиции ОС является классификация элементов в оптической системе и анализ их применимости в тех или иных случаях. Элементы оптической системы по своему назначению разделяются на базовые (В), коррекционные (С), светосильные (F) и широкоугольные (W). Получение описания последовательности элементов для достижения конкретных оптических характеристик называется структурным синтезом и является первым этапом автоматизированного синтеза ОС. В последние годы механизм структурного синтеза был реализован. В данной работе предложены методы для двух последующих и заключительных этапов автоматизированного синтеза ОС: параметрического синтеза и оптимизации с учетом структурной схемы ОС. Эти два этапа предложены применительно к генерации учебных моделей объективов с вынесеным зрачком.
Цель работы
Целью работы является автоматическая генерация моделей ОС на основе последовательного применения управляемого поиска структурной схемы стартовой точки, параметрического синтеза промежуточной ОС и ее оптимизации с использованием генетического алгоритма.
Задачи исследования
Исследовать экспертные системы структурного синтеза и разработать
формат базы знаний (БЗ) для представления информации об ОС;
Разработать метод автоматического структурного анализа ОС;
Разработать методы поиска ОС основаные на алгоритме
автоматического структурного анализа; . Разработать методы параметрического синтеза ОС на основании
структурной схемы и ее целевых оптических характеристик; » Разработать генетический алгоритм оптимизации параметров ОС;
Апробировать алгоритм автоматической генерации ОС в качестве
элемента управления учебным процессом.
Методы исследования
1. Аналитические методы, основанные на применении теории
геометрической оптики;
2. Компьютерное моделирование хода лучей и оценка качества
изображения ОС с использованием разработанного и специализированного ПО;
3. Современные информационные технологии, в т.ч. интернет-технологии
и методы объектно-ориентированного программирования;
4. Методы организации хранения и управления реляционными базами
данных; 5.Методы скрещивания, селекции и мутации в рамках использования
генетического алгоритма для оптимизации ОС. 6. Метод интенсивного обучения отобранной фокус-группы.
Научная новизна диссертации
В работе получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту:
Структура и формат онтологической БЗ для представления
информации об объективах с вьшесеным зрачком;
Принципы автоматического структурного анализа ОС (объективов с
вынесеным зрачком) формализующие классификацию оптических элементов ОС предложенную Русиновым М. М;
Методы поиска описаний ОС основанные на их автоматическом
анализе и классификации оптических элементов и поверхностей входящих в их состав, позволяющий производить поиск описаний по оптическим характеристикам, сокращенной структурной схеме и пользовательскому описанию ОС;
Принципы параметрического синтеза и предоптимизации ОС на
основании требований к их оптическим характеристикам и описаний их структурных схем, позволяющий синтезировать параметры оптических элементов с учетом типов поверхностей и их расположения;
Метод оптимизации параметров ОС использующий генетический
алгоритм, позволяющий улучшать характеристики оптических систем (особей) и оценивать применимость используемой структурной схемы стартовой точки. Алгоритм включает в себя: метод скрещивания особей, метод мутации особей, критерии отбора особей.
Практическая ценность работы
Результаты полученные в рамках данной работы позволяют:
1. Использововать и развивать разработанную онтологическую БЗ в
учебном процессе при подготовке студентов оптических и оптцтехнических направлений подготовки;
2. Анализировать и производить поиск среди существующих описаний
ОС с целью выявления стартовых точек используемых при их
разработке; 3.Синтезировать параметры ОС на основании их структурных схем и
требований к их оптическим характеристикам 4. Оптимизировать модели ОС с использованием генетического
алгоритма с мутациями с целью подтверждения либо опровержения
применимости той или иной стартовой точки для объективов
определенного класса сложности. 5.Внедрить в реальный образовательный процесс по оптическим
специальностям принципы его автоматизации на основе
генетического компьютерного моделирования
Апробация работы
Работа апробирована на многих научных конференциях, как в России, так и за рубежом. Основные результаты работы докладывались:
на XIII Всероссийской научно-методической конференции, 5-6 июня
2006 г., Телематика, Санкт-Петербург, Россия;
на IV межвузовской конференции молодых ученых, 10-13 апреля 2007
г., Санкт-Петербург, Россия;
на 6й международной конференции «Optics-photonics Design &
Fabrication» 9-11 июня 2008 г., Тайпей, Китай;
на международной конференции «Optical Instrument and Technology»
19-22 октября 2009 г., Шанхай, Китай.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографического списка из 45 наименований, содержит 85 страниц основного текста, 14 рисунков и 12 таблиц.
