Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Планшетные средства вво-1,а (дигитайзеры) служат для ввода графической информации в компьютер и широко применяются в картографии, системах автоматнзп-ювапного проектирования, медицинской диагностике, художественной і издательской деятельности. Несмотря на то, что с момента выпуска іервьіх дигитайзеров прошло три десятка лет, исследования в области )азработкн новых методов и технологий интерактивного графического шода продолжаются и актуальны в настоящее время. Современными тенденциями развития планшетных средств ввода являются повышенна точности и быстродействия считывания, улучшение оргопомиче-:кпх характеристик (включая наличие удобного стержневого указато-ія), усовершенствование технологии изготовления дигитайзеров.
Анализ источников информации с учетом практического опыта разработки планшетных средств показывает, что одними из наиболее перспективных являются электромагнитные устройства, основанные на непрерывном фазовом принципе измерения координат п 'нониус-ном способе координатной привязки. Реализация нониусного способа достаточно проста и эффективна, однако накладывает определенные требования к точности измерения координат фазовым методом. Одной из актуальных задач является повышение надежности понпуспого способа привязки. Для решение вышеупомянутой задачи требуется создание усовершенствованной математической модели взаимодействия индукционных систем фазового принципа измерения координат.
Особый интерес представляет исследование "краевого эффекта" при расположении курсора в периферийных зонах поля считывания планшета, который проявляется в искажении точности считывания координат в этих зонах.
Актуальным является исследование индукционной системы, когда указатель координат представляет собой стержень, имеющий возможность произвольного наклона по отношению к плоскости планшета.
При проектировании дигитайзеров возникает проблема расчета оптимальных параметров их индукционных систем. Она сводится к многомерной оптимизационной задаче, решение которой требует чрезмерных компьютерных ресурсов. Поэтому актуально уменьшение вычислительной сложности этой задачи путем ее декомпозиции на подзадачи с меньшим числом параметров.
Наиболее сложным и трудоемким компонентом нониусной индукционной системы дигитайзера является координатная сетка. Вопросы проектирования и изготовления координатных сеток имеют большое теоретическое и прикладное значение и до сих пор в должной мере не отражены в публикациях.
Решение вышеупомянутых проблем способствует дальнейшему раз витию эффективных средств ввода графической информации.
Связь работы с крупными программами, темами. Диссертационная работа выполнена в рамках следующих научно-технических программ и тем:
- "Разработка теории и аппаратурно-программных средств автомати
зации ввода двумерных и пространственных объектов на основе про
фи лометрических измерений". Приборостроение 2.10, 1991г.
- "Разработка теории п методологии автоматизированного ввода в
ЭВМ двумерной графики и пространственных форм." Машинострое
ние 2.26, 1991-1993гг.
"Разработка аппаратно-программного комплекса цифрования и обработки материалов на прозрачной основе". Республиканская программа исследования и использования космического пространства в интересах народного хозяйства Беларуси, 1993-1997.
"Разработка перспективных технологии ввода в ЭВМ метрической и семантической информации о плоских и пространственных объектах". Информационные технологии-10, 1995.
"Разработка методов п алгоритмов идентификации рукописных символов, которые обеспечивают высокие показатели по быстродействию и точности распознавания и направлены на создание в реальном времени цифрового аппаратно-программного комплекса ввода и распознавания рукописной информации". Интеллект-14, 1996.
Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка элементов теории, математических моделей и расчет параметров индукционных спстем планшетных дигитайзеров с нониусным способом измерения координат, а также автоматизация проектирования компонентов отих индукционных систем.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
- усовершенствовать математические модели пндукцпопного взаимодействия совокупности проводников координатной сетки и катушки индуктивности указателя координат для непрерывного фазового мето-
[\
усовершенствовать алгоритмы привязки координат па основе по-шусного метода анализа фаз с целью повышения надежности вычисле-шя координат;
разработать способы синтеза магнитного поля с наперед заданной функциональной фазо-координатной зависимостью для повышения точности считывания координат;
разработать модель нониусной индукционной системы, пнвартт-штной к наклонам стержневого указателя координат относительно шоскости планшета;
разработать алгоритмы размещения многошттковых индукционных сеток на плоскости с учетом технологического ограничения близости между проводниками;
- автоматизировать расчет параметров индукционных систем и
тропесс проектировгшпя шаблонов сеток координатной матрицы для
ззготовления матриц фотоспособом.
Методы исследований. Исследования, па которых основана работа, базируются на теории электромагнитного ноля, математическом інализе (суммирование рядов, методы аппроксимации), методах нелинейной оптимизации, компьютерной графике и вычислительной геометрии.
Научная новизна полученных результатов. В рамках поста-зленных теоретических и практических задач, связанных с разработкой математических моделей индукционных систем и автоматизацией [гроектнроваїшя, получен ряд новых результатов.
Предложен способ аналитического суммирования бесконечных рядов рациональных функций на основе комплексных вычетов, а также аналитическое выражение для перехода от бесконечных пределов суммирования к конечным. На основе предложенного способа суммирования получены аналитические модели индукционного взаимодействия совокупности проводников координатной сетки планшета и катушки индуктивности указателя координат для фазового способа измерения координат.
Выполнены расчеты оптимальных индукционных сеток для повышения точности считывания координат, а также найдены параметры индукционной катушки стержневого указателя, при которых минимизируется погрешность фазовых измерений при наклонах отого указателя относительно плоскости планшета.
— Предложены алгоритмы оптимального размещения проводников
сетки индукционной системы планшета на плоскости с учетом техно
логического ограничения их близости.
- Усовершенствованы алгоритмы вычисления относительной и аб
солютной координат нониусыым способом с учетом динамики движе
ния курсора и разности во времени чтения отсчетов фаз, полученных
от основной и нониусной сеток дигитайзера.
Практическая значимость полученных результатов. Создан комплекс программ моделирования индукционного взаимодействия координатной системы дигитайзера и расчета оптимальных параметров этой системы.
Разработана модель индукционной системы, позволяющая практически реализовать дигитайзер с инвариантным к наклонам стержневым указателем за счет выбора оптимальных параметров его индукционной системы. В отличии от известных методов компенсации погрешности, вызванной наклонами указателя, такая модель не требует выполнения дополнительных корректирующих процедур.
Создан программный комплекс для проектирования индукционных коордпнатно-пзмерптельных систем, позволяющий автоматически готовить данные для промышленного изготовления координатных сеток планшета фотоспособом.
Предложенные алгоритмы определения абсолютной коордпнаты с учетом динамикп перемещения курсора реализованы в управляющей микропрограмме планшетного дигитайзера.
На этой основе создан параметрический ряд планшетных дигитайзеров различных форматов, но своим характеристикам не уступающих лучшим зарубежным образцам.
Экономическая значимость полученных результатов. На основе данных исследований раэработапа п производится серия планшетных дигитайзеров форматов от A3 до АО. Эти устройства обладают высокими техническими показателями при низкой себестоимости их изготовления.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
аналитические модели индукционного взаимодействия совокупности проводников координатной сетки планшета п катушки индуктивности указателя координат, отличающиеся представлением в замкнутой форме через элементарные функции;
аналитические соотношения и рекомендации по расчету оптн-
мальпых параметров координатных сеток для обеспечения высокой точности считывания координат;
аналитические соотношения для расчета оптимальных параметров стержневого указателя с минимальной погрешностью фазовых измерений при наклонах этого указателя относительно плоскости планшета;
усовершенствованные с учетом погрешности измерений и динамики перемещения курсора алгоритмы ноппусной привязки и отслеживания абсолютной координаты;
алгоритмы размещения проводников координатных сеток нони-усной индукционной системы в двух плоскостях с учетом отражательной симметрии и ограничения близости между проводниками;
методика и программный комплекс проектирования нониусной индукционной координатно-измерительной системы дигитайзера.
Личный вклад соискателя. Основные результаты диссертации получены лично автором, используя постановки задам, предложенные научным руководителем. Совместно с Короликом С.Н. проведено численное .моделирование, реализован и экспериментально проверен инвариантный к наклонам указатель координат. Дальнейшие исследования отражательной симметрии множеств выполнены совместно с Ту-зпковым А.В и Марголпным ГЛ.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы представлены на 1-ой Всесоюзной конференции "Распознавание образов и анализ изображений", г. Минск, 1991; на 4-й Всесоюзной конференции "Методы и средства обработки сложной графической информации", Н.Новгород, 1991; на научпо-практпческой конференции "Теория и методы создания интеллектуальных САПР в машиностроении и приборостроении", Минск, 1992: на 2-ой международной конференции "Распознавание образов п анализ изображений'', г. Минск, 1993; на 3-й международной конференции "Распознавание образов и обработка информации", г. Минск, 1995.
Публикации. По теме опубликовано 11 работ, в том числе: 2 статьи в журнале "Весні АНБ", 2 депонированных рукописи, 1 препринт, 6 тезисов докладов научных конференций.
Структура н объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающей 92 наименования, приложений, и занимает 99 страниц, из которых 10 страниц - приложения.
