Введение к работе
Актуальность темы. В связи с совершенствованием современной вычислительной техники возникает необходимость в улучшении и развитии математического и программного обеспечения для прикладных задач, решаемых в различных областях науки и техники. К ресурсоемким относятся задачи формирования виртуальной окружающей обстановки для тренажерных комплексов нового поколения. Тренажер - сложное аппаратно-программное вычислительное устройство, требующее специального математического и программного обеспечения. Использование тренажеров, как устройств, представляющих физические модели реальных объектов, высокая степень статического, динамического и информационного подобия тренажеров реальным объектам и пониженные затраты на обучение, делает их важнейшим звеном в системе подготовки кадров. Имитируемая техника, как правило, включает использование точного позиционирования на местности, соответственно для работы с ней используются цифровые карты местности (ЦКМ).
Для обеспечения информационного подобия в тренажере на основании цифровой карты местности предъявляется оператору синтезированное объемное изображение окружающей обстановки. Если учесть, что большинство тренажеров используется для подвижных наземных объектов, где осуществляется прямой контакт с окружающей обстановкой, синтезированное изображение, представленное оператору, должно быть высокого качества и обладать достаточной степенью достоверности согласно цифровой карте местности с реальным ландшафтом. От точности воспроизведения характеристик зависит качество подготовки операторов и точность их работы на реальных объектах. Задача генерации обстановки является ресурсоемкой и сводится к составлению формального описания среды по ЦКМ. Так как тренажер работает в реальном времени, а участок местности оперативно меняется при воздействии обучаемого оператора на имитаторы органов управления тренажера, задача автоматической генерации формального описания окружающей среды, используемого для синтеза окружающей обстановки, является актуальной. Методология проектирования программного обеспечения для синтеза обстановки по ЦКМ, реализующего принципы информационного подобия для реальных систем, проработана слабо, что объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.
Общими вопросами теории подобия занимались П.М. Алабужев, В.Б. Геронимус, В.А. Веников, Г.В. Веников, М.В. Кирпичев, М.А. Мамонтов, Л.М. Минкевич и др. Вопросы обеспечения подобия в тренажерных комплексах засчет информационных систем разрабатывали А.С. Бабенко, В.А. Боднер, Р.А. Закиров, B.C. Шукшунов, и др. Психологическими аспектами подобия занимались В.Ф. Венда, B.C. Зайцев и др. Теорией математического и программного обеспечения занимались А.В. Скворцов, А. Маргалит, Д. Роджерс, Е.А. Никулин.
Объектом исследования диссертационной работы является аппаратно-программный комплекс тренажера, воспроизводящий условия функционирования реального объекта и за счет этого, обеспечивающий информационное подобие
условиям работы оператора.
Предметом исследования диссертационной работы являются математические методы и программные средства синтеза внешней обстановки и характеристики данной среды обеспечивающие информационное подобие в тренажерах по цифровым картам местности.
В диссертации исследуется подход к разработке, который опирается на аналитические методы математического моделирования и методы дискретной математики для описания фоно-целевой обстановки.
Для этого используются теория подобия, теория случайных процессов, аналитическая и вычислительная геометрия, булева алгебра.
Цель диссертационной работы состоит в разработки моделей, алгоритмов и программных средств автоматического синтеза виртуальной сцены по цифровым картам местности, обеспечивающих улучшение технических характеристик тренажеров и качества представляемого изображения обстановки оператору.
Задачи исследований.
-
Классификация существующих систем формирования окружающей обстановки; анализ систем формирования синтезированной обстановки по цифровым картам местности, определение недостатков и достоинств; анализ цифровой карты местности, выявление взаимосвязей объектов ЦКМ.
-
Определение зависимости для оценки информационного подобия изображения сцены, формируемого на экране средства отображения тренажера и реальной системы наблюдения за окружающей средой.
3. Решение задачи получения синтезированного изображения по виртуальной
окружающей среде; определение способа задания обстановки и расчета цвета точки
изображения в зависимости от условий среды.
4. Построение связи критерия информационного подобия с параметрами
виртуальной и реальной сцены.
5. Разработка метода общей последовательности синтеза виртуальной сцены,
определение основных этапов построения.
6. Построение модели высокоточного рельефа, позволяющей описывать
систему высот ЦКМ и всех объектом влияющих на нее; определение операций по
его формированию; разработка метода построения трехмерной поверхности по
модели рельефа с учетом критерия подобия и назначение признака материала.
7. Формирование математических моделей объектов ЦКМ с учетом критерия
подобия при синтезе внешней обстановки; разработка методов и алгоритмов
построения объектов ЦКМ; решение задач взаимодействия и влияния объектов
ЦКМ друг на друга.
8. Решение задач закрашивания объектов синтезированной обстановки с
учетом критерия подобия.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
1. Разработана технология построения синтеза виртуальной окружающей обстановки по ЦКМ с учетом критерия информационного подобия, включающая: общую методику последовательного синтеза обстановки, модель формирования высокоточного рельефа, метод построения трехмерной поверхности рельефа на нерегулярной сетке.
-
Разработаны методы и алгоритмы автоматического синтеза основных типов объектов со связями между ними по цифровой карте местности и рельефу с учетом критерия информационного подобия.
-
Установлено соответствие критерия информационного подобия тренажера с параметрами виртуальной и реальной сцены: точками поверхности, и индикатрисами рассеивания поверхностей в этих точках.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработана общая технология и инструментальная программа синтеза виртуальной сцены ориентированная на использование для разрабатываемых, так и модернизируемых тренажеров, что позволяет повысить уровень их информационного подобия при сокращении сроков разработки, так же результаты работы можно использовать в области развлечений (в играх) и портативных навигаторах.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается результатами апробаций методологии при решении практических задач синтеза окружающей обстановки и ее использования в ряде тренажеров.
Положения, выносимые на защиту.
-
Технология построения синтеза виртуальной окружающей обстановки по ЦКМ с учетом критерия подобия, включающий: общую методику последовательного синтеза обстановки, модель формирования высокоточного рельефа, метод построения трехмерной поверхности рельефа на нерегулярной сетке.
-
Методы и алгоритмы автоматического синтеза основных типов объектов со связями между ними по цифровой карте местности и рельефу с учетом критерия информационного подобия.
3. Соответствие критерия информационного подобия тренажера с
параметрами виртуальной и реальной сцены: точками поверхности, и
индикатрисами рассеивания поверхностей в этих точках.
Реализация и внедрение результатов. Предложенное в диссертации математическое и программное обеспечение использованы автором в процессе выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО "Центральное конструкторское бюро аппаратостроения".
Ряд теоретических положений внедрен в учебный процесс Тульского государственного университета на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» в лекционных курсах по дисциплинам: «Информатика», «Алгоритмизация и программирование», «Вычислительные машины, комплексы системы и сети».
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 11 работ, включенные в список литературы: 8 статей (3 опубликованы в ВАК сборниках), 3 тезиса докладов на конференции: Межрегиональная научно-технической конференции / Тульский государственный университет, 2004, 2007 гг. Ежегодные конференции проф/препод. состава ТулГУ, 2005-2008 г.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 181 страницах машинописного текста и включающих 83 рисунка, заключения, приложения на двух страницах, содержащего акты внедрения результатов исследований, и списка использованной
литературы из 123-х наименований.
Похожие диссертации на Технология построения математического и программного обеспечения генерации окружающей обстановки для тренажерных комплексов
