Введение к работе
Актуальность темы. Опыт предприятий, устойчиво работающих в условиях современной рыночной экономики, свидетельствует о том, что для успешного расширения и быстрого обновления ассортимента выпускаемой продукции в современных условиях жесткой конкуренции текстильному предприятию необходимо выпускать ткани небольшими партиями при значительном разнообразии их художественного оформления (дизайна). Такая организация обновления и расширения ассортимента выпускаемых тканей требует значительных затрат на художественное проектирование, большого объёма технологических расчетов при технической подготовке производства и частых перезаправок ткацких станков. Единственный путь снижения указанных затрат – это широкое использование компьютерных технологий для автоматизации проектирования тканей и технической подготовки их производства. Таким образом, является актуальным исследование теоретических и прикладных аспектов проектирования тканых узоров, обеспечивающее разработку эффективных автоматизированных методов решения задач обновления ассортимента выпускаемых тканей.
Цель и задачи исследования.
Целью данной диссертационной работы является разработка теоретических положений, математических моделей и на их основе реализация автоматизированных методов, представляющих собой комплекс научно обоснованных решений проблемы автоматизации проектирования и технической подготовки производства цветных тканых узоров.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
- выполнен анализ существующих методов проектирования узоров многоцветных тканей и подготовки их выработки на ремизных станках, и на его основе разработана структурная схема автоматизации технической подготовки производства тканых узоров, адекватно отражающая сложившийся к настоящему времени подход к разработке тканых узоров с использованием современных средств информационных технологий;
- в соответствии с предложенной структурной схемой разработаны и исследованы алгоритмы выделения раппортов точечных изображений и понижения числа цветов в палитре изображения до заданного значения;
- разработана и исследована математическая модель структуры цветных точечных изображений и разработан алгоритм рационального преобразования точечных изображений;
- разработана и исследована математическая модель ткацких переплетений, которая, обеспечивает систематизацию и классификацию ткацких переплетений;
- разработан метод автоматизированного построения рационального заправочного рисунка;
- разработаны теоретические основы расчета унифицированных схем проборок основ в ремиз;
- разработан алгоритм конструктивного перечисления вариантов разбиения множества при монотонном возрастании числа подмножеств;
- впервые предложен параллельный алгоритм поиска минимального разбиения множества, удовлетворяющего заданным ограничениям.
- разработана математическая модель, обеспечивающая количественную оценку технологичности схем проборок основ в ремиз, и разработан алгоритм оптимизации сокращенных проборок;
- предложен метод построения моделей свойств тканей в условиях действующего производства и вычислительная схема расчета рациональных параметров строения ткани;
- предложен метод оптимального разделения графов на основе конструктивного перечисления разбиений множеств их вершин;
- подготовлено и осуществлено внедрение программных реализаций основных теоретических результатов в Московском производственном камвольного объединении «Октябрь».
Объектами исследования являются узоры многоцветных тканей, заправочные рисунки, а также цифровые изображения тканых узоров и распределённые вычисления.
Предметом исследования являются методы анализа и преобразования структуры цифровых изображений, проектирования тканых узоров, а также методы балансировки вычислительной нагрузки при выполнении распределённых вычислений.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались современные математические методы теории графов, комбинаторного анализа, анализа алгоритмов, компьютерной обработки изображений.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах:
- предложена структурная схема автоматизации рационального проектирования и технической подготовки производства тканых узоров, воспроизводящих точечные изображения с помощью технологии ремизного ткачества;
- определены оценки временной сложности алгоритмов выделения раппортов в точечных изображениях;
- разработана методика понижения числа цветов в палитрах изображений до заданных значений;
- разработана математическая модель структуры произвольных цветных точечных изображений;
- разработаны теоретические основы преобразования точечных изображений в узоры, которые могут быть выработаны с использованием однослойных ткацких переплетений;
- разработан метод автоматизированного построения рационального заправочного рисунка;
- предложена математическая модель ткацких переплетений ткачества, адекватно описывающая их структуру;
- разработаны теоретические основы расчета унифицированных заправок основ в ремиз;
- предложен метод оптимизации сокращенных проборок основ в ремиз
- предложен метод построения математических моделей в условиях действующего производства;
- разработан и исследован алгоритм генерации разбиений множества в порядке неубывания числа блоков (подмножеств);
- разработан алгоритм двоичного поиска минимального разбиения заданного множества и параллельный алгоритм поиска минимального разбиения заданного множества, получены оценки эффективности этих алгоритмов;
- впервые предложен метод расчёта оптимального числа процессоров, используемых для выполнения распределённых вычислений.
Практическая значимость работы определяется следующими результатами:
- разработаны алгоритмы выделения раппортов точечных изображений;
- предложена методика понижения числа цветов в палитрах изображений до заданных значений;
- разработан метод автоматизированного построения рационального заправочного рисунка для воспроизведения с минимальными искажениями произвольного точечного изображения средствами ремизного ткачества;
- разработана математическая модель ткацких переплетений, обеспечивающая отбор ткацких переплетений с заданными структурными признаками;
- предложен метод приведения сокращенных проборок к виду, обеспечивающему максимальную технологичность;
- разработан метод минимизации необходимого количества схем проборок основ в ремиз;
- предложен метод повышения эффективности распределённых вычислений за счёт использования оптимального числа процессоров.
Практическое использование перечисленных выше результатов обеспечивает снижение производственных затрат при смене вырабатываемых узоров, что открывает новые возможности расширения ассортимента пестротканей и скорости его обновления.
Реализация результатов работы.
Разработанные алгоритмы реализованы в составе программного обеспечения САПР кареточных тканей "Логитрон 1002.СМ. Пакет прикладных программ для расчёта единых проборок основ в ремиз и оптимизации сокращенных проборок основ в ремиз внедрен в производство Московского производственного камвольного объединения «Октябрь». Внедрение и эффективность использования перечисленного выше программного обеспечения подтверждается актами и документами. Программный комплекс «Заправочный рисунок» используется в ГОУВПО «МГТУ им. А. Н. Косыгина» для разработки тканых узоров в курсовом и дипломном проектировании на кафедре ткачества и при проведении лабораторных занятий по курсу «Компьютерная обработка изображений» для студентов специальности № 23 004 00. Отдельные теоретические результаты работы и программные реализации алгоритмов используются на кафедре информационных технологий и компьютерного дизайна при подготовке и обновлении учебных курсов «Технологии программирования», «Компьютерная обработка изображений» и «Дискретная математика», а также в дипломном проектировании.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международных и всероссийских научно-технических конференциях: ТЕКСТИЛЬ – (Москва, 1995,1998, 1999, 2001, 2002, 2004, 2008 гг., МГТУ им. А.Н. Косыгина), ПРОГРЕСС – (Иваново, 2005, 2008 гг., ИГТА), ПИКТЕЛ – (Иваново, 2003 г., ИГТА) на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ им. А.Н. Косыгина, на Первой международной конференции «Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования» (Ижевск, 2009 г.).
Публикации.
Основные результаты работы отражены в 88 публикациях, в том числе 1 монография, 23 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации. На программный комплекс «Заправочный рисунок» имеется свидетельство о государственной регистрации №2006612092 в реестре программ для ЭВМ 16 июня 2006 г.
На защиту выносятся теоретические основы и результаты практической реализации перспективного направления применения компьютерных технологий - автоматизации проектирования и технической подготовки производства тканых узоров. Автор защищает:
- структурную схему автоматизированной проектирования и технической подготовки производства тканых узоров;
- результаты теоретического и экспериментального исследования алгоритмов выделения раппортов точечных изображений и понижения числа цветов в палитрах изображений до заданных значений;
- математическую модель структуры произвольных цветных точечных изображений и теоретические основы их преобразования в узоры, которые могут быть выработаны с использованием однослойных ткацких переплетений;
- метод построения рационального заправочного рисунка;
- математическую модель ткацких переплетений и её применения для систематизации и классификации ткацких переплетений;
- теоретические основы расчета унифицированных заправок основ в ремиз и метод минимизации необходимого числа заправок основ в ремиз;
- алгоритм генерации разбиений множества в порядке неубывания числа подмножеств;
- алгоритмы двоичного и параллельного поиска минимального разбиения;
- математическую модель и метод оптимизации сокращенных проборок основ в ремиз;
- метод определения оптимального числа процессоров при решении задач с использованием распределённых вычислений.
Структура и объём диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, содержащего 196 наименований, и приложений на 32 листах. Основная часть изложена на 320 страницах, содержит 96 рисунков, 12 таблиц. Общий объём диссертации – 352 страницы.
