Введение к работе
Ъ \ &
Актуальность темы. Реализация коммуникативных функций в глобальном аспекте требует решения двух задач - установления связи, т.е. обеспечения возможности двусторонней передачи информации, и обмена информацией (собственно коммуникативная функция).
Современный уровень развития телекоммуникаций предопределяет успешность решения первой задачи на самом высоком уровне требований в самой ближайшей перспективе. Успехи в решении второй задачи также значительны, но ситуация здесь сложнее и, в какой-то мере, имеет парадоксальный характер: чем больше достигнутые возможности, тем больше растут потребности. Поэтому требования к решению второй задачи также возрастают по всем направлениям - от технических требований к увеличению пропускной способности каналов связи до требований «интеллектуальности» обработки информации в них.
В конечном счете проблема состоит в том, что необходимо оперативно предоставить человеку переданную по каналам связи информацию в гаких ее формах, которые наиболее эффективно воспринимаются и используются им при решении текущих задач, обусловленных возникающими потребностями в самых различных предметных областях.
Если рассмотреть различные виды данных и оценить их воспринимаемость, то можно отметить, что, например, восприятие изображений совершается спонтанно и непосредственно на уровне подсознания с очень высокой оперативностью и имеет предметный и целостный характер. Это обусловлено тем, что изображения имеют очень большую информативность, удовлетворяющую потребностям быстрой передачи большого количества информации человеку по каналу визуального восприятия.
В еще большей степени этим свойством обладают трехмерные модели, т.к. воспроизводят наиболее привычную для человека реальную или виртуальную среду. Поэтому, наиболее эффективно воспринимаемыми и используемыми формами представления информации, передаваемыми человеку по каналам связи, являются интерактивные динамичные трехмерные модели реальности.
Интерактивные динамичные трехмерные модели представляют собой наиболее воспринимаемую форму передачи информации, т.к., во-первых, моделируют окружающую реальность, во-вторых, позволяют создавать различные виды виртуальной реальности, и, в третьих, дают возможность представлять различные объекты, явления и процессы непространственного характера в наглядных и образных формах. Особую важность здесь приобретают сетевые решения, обеспечивающие быструю передачу такой информации по каналам связи телекоммуникационных систем
Масштабные исследования и разработки в области создания интерактивных трехмерных моделей и их использования в телекоммуникационных системах, выполняемые как в работах отечественных, так и зарубежных ученых и инженеров, ведутся уже на протяжении нескольких десятилетий. Однако, опережающий рост потребностей не позволяет снять проблему с повестки дня
Таким образом, актуальной яв^ярфй ВйД»И*ВбйМІАЛАія оперативной пе-
БИБЛПОТЕКА І СПеїсрДО Пі \ Q3 WXP»W V^J
редачи по каналам связи больших объемов эффективно воспринимаемой информации в виде интерактивных динамичных трехмерных моделей, в наибольшей мере удовлетворяющих коммуникативным потребностям пользователей.
Целью работы является разработка эффективных представлений и методов кодирования трехмерных пространственных объектов для передачи по цифровым каналам связи, применение которых обеспечивает качественно новые коммуникативные возможности, повышает перцептивную значимость передаваемой информации и снижает потребности в ресурсах цифровых средств связи.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
определение свойств и характеристик моделей данных трехмерных пространственных объектов, а также составляемых ими трехмерных сцен, оценка их перцептивной значимости и перспектив использования для повышения коммуникативных возможностей в телекоммуникационных системах;
разработка тетрагональной регулярной сетевой модели трехмерных пространственных объектов на основе использования полей деформаций пространства, учета отношений смежности между узлами регулярной сети и инциденции между смежными ее связями;
исследование возможностей оперирования трехмерными пространственными объектами на основе использования непространственных операций склейки узлов и замыкания тетрагональных регулярных сетей и пространственных операций трансляций, ротаций, масштабирований, компрессий и пластичных деформаций сетей;
построение единого способа описания процессов формообразования и деформаций трехмерных пространственных объектов, как результата действия полей деформаций пространства на узлы тетрагональных регулярных сетей;
формирование анимационных преобразований трехмерных пространственных объектов на основе комбинирования пространственных операций трансляций и ротаций тетрагональных регулярных сетей;
разработка быстрых алгоритмов проецирования и визуализация трехмерных пространственных объектов на основе исследования проекционных пространственных преобразований трансляций, ротаций, масштабирований и компрессий тетрагональных регулярных сетей;
создание программного обеспечения терминальной обработки информации о трехмерных пространственных объектах, обеспечивающего реализацию процессов их формообразования, анимации и проецирования;
проведение экспериментальных исследований по оценке эффективности разработанных средств и методов в целях повышения коммуникативных возможностей при их использовании в телекоммуникационных системах.
Объектом исследования являются' модели данных трехмерных пространственных объектов и составляемых ими трехмерных сцен, их свойства и характеристики, в том числе, перцептивная значимость содержащейся в них информации, пространственные и непространственные операции над ними, моделирование процессов формообразования, анимации и проецирование трехмерных пространственных объектов и возможности их использования в телекоммуникационных системах.
Предметом исследования являются: методы моделирования трехмерных пространственных объектов и составляемых ими сцен, а также процессов их формообразования, анимации и проецирования, методы их представления и кодирования, программные средства, реализующие повышение коммуникативных возможностей в телекоммуникационных системах.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
Теоретические исследования основаны на использовании методов современной геометрии и топологии, функционального анализа, методов машинной графики, методов обработки, анализа и кодирования изображений и других пространственных структур различной размерности.
В экспериментальных исследованиях разработанных моделей и алгоритмов использовались методы моделирования трехмерных пространственных структур, методы цифровой обработки изображений и машинной графики, программирования, цифровые методы представления, кодирования и передачи информации.
Достоверность изложенных положений работы подтверждается результатами практического применения разработанных алгоритмов и программных средств, методики и технологии обработки пространственной информации, научными трудами и апробациями созданного научно-технического продукта на представительных научных форумах Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается при их сравнительном анализе с известными результатами современных исследований и разработок.
Теоретические положения, установленные в работе, обосновываются корректным выбором исходных положений, строгим использованием математического аппарата при получении из них выводов и результатами систематического исследования полученных аналитических выражений.
Достоверность экспериментальных результатов подтверждается хорошей согласованностью с теоретическими выводами, наглядностью полученных практических результатов при работе алгоритмов обработки информации, а также хорошей воспроизводимостью характеристик этих результатов при многократном практическом использовании.
На защиту выносятся результаты разработки моделей данных трехмерных пространственных объектов и составляемых ими трехмерных сцен, а также программных средств их представления и кодирования для повышения коммуникативных возможностей интеллектуальных систем:
- анализ свойств и характеристик моделей данных трехмерных простран
ственных объектов и составляемых ими трехмерных сцен, а также оценка пер
цептивной значимости этих моделей и перспектив их использования для повы
шения коммуникативных возможностей в телекоммуникационных системах;
результаты разработки тетрагональной регулярной сетевой модели трехмерных пространственных объектов на основе использования полей деформаций пространства, учета отношений смежности между узлами регулярной сети и инциденций между смежными ее связями;
результаты исследования возможностей оперирования трехмерными пространственными объектами на основе использования непространственных
операций склейки узлов и замыкания тетрагональных регулярных сетей и пространственных операций трансляций, ротаций, масштабирований, компрессий и пластичных деформаций сетей;
способ унифицированного описания процессов формообразования и деформаций трехмерных пространственных объектов, как результата действия полей деформаций пространства на узлы тетрагональных регулярных сетей;
метод анимационных преобразований трехмерных пространственных объектов, построенный на основе комбинирования пространственных операций трансляций и ротаций тетрагональных регулярных сеіей;
алгоритмы проецирования и визуализация трехмерных пространственных объектов на основе исследования проекционных пространственных преобразований трансляций, ротаций, масштабирований и компрессий тетрагональных регулярных сетей, обеспечивающие высокую производительность вычислительного процесса и снижение используемых ресурсов памяти;
- программное обеспечение терминальной обработки информации о
трехмерных пространственных объектах, обеспечивающее реализацию процес
сов их формообразования, анимации и проецирования;
- результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности
разработанных средств и методов в целях повышения коммуникативных воз
можностей при их использовании в телекоммуникационных системах.
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными исследованиями, в результате которых разработаны модели данных трехмерных пространственных объектов и составляемых ими сцен, основанные на использовании тетрагональных регулярных сетей, а также методы их представления и кодирования и программное обеспечение для оперирования интерактивными трехмерными моделями, что вносит существенный вклад в решение задач повышения коммуникативных возможностей в телекоммуникационных системах, в ходе которых:
определены свойства и характеристики моделей данных трехмерных пространственных объектов и составляемых ими трехмерных сцен, получены оценки перцептивной значимости этих моделей и перспектив их использования для повышения коммуникативных возможностей в телекоммуникационных системах,
разработана тетрагональная регулярная сетевая модель данных трехмерных пространственных объектов на основе использования полей деформаций пространства, учета отношений смежности между узлами регулярной сети и инциденций между смежными ее связями;
исследованы возможности оперирования трехмерными пространственными объектами на основе использования непространственных операций склейки узлов и замыкания тетрагональных регулярных сетей и пространственных операций трансляций, ротаций, масштабирований, компрессий и пластичных деформаций сетей;
предложен способ унифицированного описания процессов формообразования, деформаций, анимационных преобразований, проецирования и визуализация трехмерных пространственных объектов, как результата действия полей деформаций пространства, а также пространственных операций трансляций,
ротаций, масштабирований и компрессий тетрагональных регулярных сетей;
разработаны алгоритмы оперирования моделями данных трехмерных пространственных объектов, обеспечивающие высокую производительность вычислительного процесса и снижение используемых ресурсов памяти;
построена система терминальной обработки данных о пространственных объектах, обеспечивающая повышение коммуникативных возможностей в телекоммуникационных системах.
Практическая ценность работы заключается в применении новых эффективных представлений и методов кодирования моделей данных трехмерных пространственных объектов и составляемых ими трехмерных сцен.
Разработано программное обеспечение терминальной обработки данных о пространственных объектах, реализующее высокопроизводительные алгоритмы оперирования моделями данных трехмерных пространственных объектов, их представления и кодирования для повышения коммуникативных возможностей в телекоммуникационных системах.
Разработанный программный комплекс поддерживает форматы данных интерактивных трехмерных моделей, используемых в распространенных и используемых в настоящее время системах, обеспечивая тем самым совместимость с ними.
Получены оценки эффективности разработанных средств и методов, подтверждающие целесообразность их использования для существенного повышения коммуникативных возможностей телекоммуникационных систем на основе применения эффективных интерактивных трехмерных моделей данных.
Реализация и внедрение работы. Полученные результаты использованы и апробированы для опытно-проиэводственной эксплуатации системы терминальной обработки данных о пространственных объектах, их представления и кодирования для повышения коммуникативных возможностей в телекоммуникационных системах в Филиале в Удмуртской Республике ОАО «Волга Телеком».
Разработанные алгоритмы оперирования моделями данных трехмерных пространственных объектов привели к высокой производительности вычислительного процесса и к снижению используемых ресурсов памяти при передаче трехмерных объектов по цифровым каналам связи.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на российских и международных научно-технических конференциях и конгрессах: Международном Самарском симпозиуме телекоммуникаций для руководящих работников отрасли связи (Самара, 1996 - 2004); Международной конференции: International Conference «Intelligent Networks Services and Standards» & IFIP WG.6.7 (Москва, 1999); Российской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2001); 32-й Научно-технической конференции ИжГТУ (Ижевск, 2002); Российской научно-технической конференции «Высокопроизводительные вычисления и технологии» (Ижевск, 2003); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2004); VI Международном конгрессе по математическому моделированию (Нижний Новгород, 2004); XXXI Международной конференции «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (Украина,
Крым, Ялта - Гурзуф, 2004); V Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2004).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 23 научных работах, в том числе: 1 депонированная рукопись (объемом 47 страниц), 4 статьи в научно-технических журналах и сборниках и 18 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 131 с. машинописного текста. В работу включены 28 рис., 12 табл., список литературы из 118 наименований и приложение, в котором представлен акт об использовании результатов работы.
