Автоматизация проектирования компонентов расширенной реальности Четвергова, Мария Владимировна

Введение к работе

Актуальность темы. Современное развитие информационных технологий предопределило создание систем виртуальной и расширенной реальности. Первая погружает пользователя в виртуальную среду, которая генерируется компьютером в интерактивном режиме, вторая «искусственно» изменяет окружающий мир с помощью виртуальных объектов. Данное направление является динамично развивающимся и востребованным в плане научных исследований.

Производительность персональных компьютеров и мобильных вычислительно-коммуникационных устройств позволяет обрабатывать цифровые аудио- и видеоданные в режиме реального времени, что существенно расширяет сферу применения методов искусственного интеллекта, технологий трехмерного моделирования, способов управления объектами виртуальной реальности, интерфейсов человеко-машинного взаимодействия. Это позволяет пользователю непосредственно участвовать в процессе синтеза, управления и визуализации объектов виртуальной и расширенной реальности, предлагая более качественное восприятие информационных и образовательных материалов.

Поэтому решение задачи разработки моделей, методик и алгоритмов автоматизированного проектирования виртуальных объектов с интеграцией их в сцены реального окружения, реализации возможности интерактивного управления ими и визуализации на мобильных вычислительных устройствах в режиме реального времени является актуальной научно- исследовательской и прикладной проблемой.

Научные исследования и результаты, изложенные в диссертации, основаны на работах И. П. Норенкова, В. А. Камаева, В. А. Сойфера, Я. А. Фурмана, М. Н. Фаворской, М. В. Фурса, А. Г. Кравец и других российских ученых, а также зарубежных ученых, среди которых Р. Вудс, У. Прэтт, Т. Павлидис, R. Azuma, D. Zhang, М. Fiala и многие другие.

Диссертационная работа направлена на решение научной задачи, которая связана с разработкой двухуровневой модели и методики автоматизированного проектирования компонентов расширенной реальности с привязкой виртуальных объектов к предлагаемой системе планарных маркеров и особых точек на изображениях реальных объектов, которая отличается повышенной надежностью, точностью и качеством распознавания, возможностью визуализации синтезируемых сцен на мобильных вычислительных устройствах в режиме реального времени с возможностью управления.

Актуальность исследований обусловлена появлением и широким распространением мобильных информационно-вычислительных систем нового поколения в виде смартфонов и планшетов и существующим отставанием в области создания математического и программного обеспечения для синтеза и работы с виртуальными объектами по технологии расширенной реальности с целью внедрения новых методик и технологий интерактивного «повсеместного» (u-learning) обучения, а также новых способов моделирования и исследования сложных объектов, систем и процессов.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности образовательных и управленческих технологий за счет автоматизации проектирования компонентов расширенной реальности и их использования при подготовке специалистов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ предметной области в плане исследования технологий синтеза виртуальной и расширенной реальности, способов совмещения виртуальных и реальных объектов на сценах, методов анализа, распознавания и классификации изображений, существующих планарных маркерных систем, методов обучения с использованием технологии виртуальной реальности.

2. Разработать универсальную маркерную модель в виде планарно- го графического изображения и методику ее распознавания в цифровом видеопотоке в режиме реального времени с целью совмещения и точной привязки виртуальных объектов к реальному окружению в процессе синтеза сцен расширенной реальности.

3. Разработать методику идентификации точечных особенностей на изображениях физических объектов в цифровом видеопотоке в режиме реального времени с целью совмещения и точной привязки виртуальных объектов к реальному окружению в системе проектирования компонентов расширенной реальности и провести ее экспериментальное исследование.

4. Разработать архитектуру и основные модули системы автоматизированного проектирования компонентов расширенной реальности, функциями которой являются установление соответствия между виртуальными и реальными объектами, идентификация и локализация местоположения маркеров или точечных особенностей, сбор данных, визуализация сцен расширенной реальности.

5. Разработать программно-инструментальные комплексы с компонентами расширенной реальности в виде лабораторий, полигонов и тренажеров для подготовки специалистов различного профиля и поддержки работы в сфере ЖКХ, медицины и образования.

6. Выполнить апробацию и провести экспериментальные исследования предложенной системы автоматизированного проектирования компонентов расширенной реальности, а также разработанных обучающих лабораторий и полигонов с компонентами расширенной реальности при решении управленческих и образовательных задач.

Объектом исследования диссертационной работы является автоматизированная система проектирования компонентов расширенной реальности.

Предметом исследования являются модели компонентов расширенной реальности, а также методики и алгоритмы их автоматизированного проектирования.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались алгоритмы обработки цифровых изображений, методы математического и системного анализа, методы контурного анализа, методы и алгоритмы теории распознавания образов, методы и алгоритмы трехмерного моделирования, синтеза виртуальной среды расширенной реальности, объектно-ориентированного проектирования.

Научная новизна:

6. 1. Предложены универсальная графическая планарная модель маркера и методика ее детектирования в цифровом видеопотоке в режиме реального времени для интеграции виртуальных объектов в сцены реального мира, которая в отличие от существующих позволяет распознать и идентифицировать объект даже при перекрытии маркера до 70 %.

   2. Предложена методика обнаружения и распознавания точечных особенностей на изображениях реальных объектов в цифровом видеопотоке, включающая этапы выделения, обработки, локализации особенности, идентификации контуров, распознавания, которая в отличие от аналогов позволяет сопоставлять дескрипторы объектов путем использования ран- домных деревьев с учетом перспективных искажений.

   3. Впервые разработаны функциональная модель системы и методика автоматизированного проектирования компонентов расширенной реальности, которая позволяет синтезировать обучающую виртуальную среду с использованием мобильных вычислительных устройств в реальной окружающей среде.

   4. Разработаны архитектура и функциональные модули системы автоматизированного проектирования компонентов расширенной реальности, которая в отличие от аналогов использует мобильные клиентские приложения для сбора данных и синтеза виртуальной среды, а серверное решение - для обработки, распознавания, хранения, поиска и загрузки сложных сцен и моделей.

   Практическая значимость работы. Диссертационные исследования выполнены в рамках приоритетного направления «Информационно- телекоммуникационные системы» и способствуют развитию критических технологий доступа к мультимедийным услугам, уменьшения последствий природных и техногенных катастроф, обработки, хранения, передачи и защиты информации».

   Результаты исследований позволяют разрабатывать и внедрять технологии виртуальной и расширенной реальности в различные области знаний, в частности, для визуализации результатов автоматизированного проектирования сложных технических объектов и систем, для подготовки специалистов (врачей-стоматологов, юристов, инженеров) с использованием технологии «погружения» в виртуальную среду, для мониторинга состояния объектов инженерных коммуникаций жилищно-коммунального хозяйства РФ.

   Практическая ценность заключается в разработке инновационных методик и алгоритмов синтеза элементов расширенной реальности на мобильных коммуникационных вычислительных устройствах руководителей и персонала в реальном времени при наведении объектива видеоустройства на объекты контроля и мониторинга с возможностью локализации местонахождения и передачи изображений объектов для распознавания в центр обработки и получения необходимой информации по беспроводным каналам связи.

   Разработанные модели маркеров, методики и алгоритмы распознавания и синтеза элементов расширенной реальности, программно- технической системы синтеза и визуализации виртуальной реальности могут быть использованы для решения задач «компьютерного» зрения в различных отраслях, при создании современных интеллектуальных систем поддержки принятия решений, систем автоматизированного проектирования и производства, автоматизированных систем мониторинга, управления и диспетчеризации. В работе даны практические рекомендации по внедрению результатов исследований и примеры их реального применения в сферах ЖКХ, образования, медицины.

   Достоверность и обоснованность результатов. Обоснованность и адекватность разработанного адаптивного алгоритма подтверждается корректностью использования математического аппарата, их практической реализацией, соответствующими выводами по итогам теоретического анализа путем сравнения результатов работы общеизвестных алгоритмов с предлагаемыми в работе, итогами экспериментальных исследований, полученных с помощью тестовой системы.

   Соответствие паспорту специальности.

   Работа выполнена в соответствии с паспортом специальности ВАК РФ 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования, пункты 4, 5 и 8.

   На защиту выносятся:

   6. 4. 1. Модель маркера и методика ее детектирования в цифровом видеопотоке в режиме реального времени.

         2. Методика обнаружения и распознавания точечных особенностей на изображениях реальных объектов в видеопотоке.

         3. Модель системы и методика автоматизированного проектирования компонентов расширенной реальности.

         4. Архитектура и функциональные модули системы автоматизированного проектирования компонентов расширенной реальности.

         Внедрение результатов работы и связь с научными программами. Диссертационные исследования проводились на кафедре «Системы автоматизированного проектирования» Пензенского государственного университета (ПГУ) и выполнялись в процессе ряда НИР федеральных и ведомственных целевых программ: «Исследование методов и принципов управления информационными процессами в сенсорных и ячеистых сетях нового поколения»; «Методы управления потоками мультимедийной информации в самоорганизующихся ячеистых сетях», «Теоретические и алгоритмические основы позиционирования, мониторинга и визуализации состояния мобильных объектов в информационном пространстве на основе самоорганизующихся беспроводных сетей».

         Результаты исследования внедрены в эксплуатацию при создании виртуального кабинета для обучения подготовки стоматологов в медицинском институте Пензенского государственного университета, для создания подсистемы визуализации результатов мониторинга распределенных инженерных коммуникаций в муниципальном предприятии «Гортеплосеть» г. Кузнецка Пензенской области и для отработки приемов работы и получения практических навыков с элементами деловой игры в Пензенском филиале Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства.

         Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: I Международной конференции «Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования» (Ижевск, 2009); VII, X Международной научно- методической конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе» (Пенза, 2009); VI Всероссийском научно-методическом симпозиуме «Ин- фосельш - 2009» (Анапа, 2009); VIII Международной научно- методической конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе» (Пенза, 2010); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2010); V Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2010); V Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2011); I Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (Пенза, 2011); IV Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» (Муром, 2012); I, II Международной научно-практической конференции «Современные проблемы отечественной медико-биологической и фармацевтической промышленности. Развитие инновационного и кадрового потенциала Пензенской области» (Пенза, 2012); IV Всероссийской молодежной научной конференции «Научный потенциал молодежи - будущее России» (Муром, 2012); XXXIX Международной конференции «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (Украина, Ялта- Гурзуф, 2012).

         Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК, 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

         Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 187 страницах, списка литературы из 214 наименований, 2 приложений, содержит 47 рисунков, 20 формул и 7 таблиц.
         

         Похожие диссертации на Автоматизация проектирования компонентов расширенной реальности

         

         Автоматизация проектирования электрических соединителей на основе формализации и типизации проектных процедурСафонов, Александр Леонидович

         

         Разработка средств автоматизации проектирования сложных функциональных блоков микроэлектроники с учетом воздействия отдельных ядерных частицПотапов Игорь Петрович

         Автоматизация проектирования систем цифровой фильтрации в базисах ПЛИС и заказных микросхемПлотников Павел Владимирович

         

         Моделирование системы автоматизации проектирования установок подготовки нефтегазовых продуктовЮнусов Артур Русланович

         

         Автоматизация проектирования информационного обеспечения иерархических АСУКочеров Михаил Сергеевич

         

         Разработка средств автоматизации проектирования радиационно-стойкой микроэлементной базы для нового поколения систем управления двойного назначенияАчкасов Владимир Николаевич

         

         Система автоматизации проектирования устройств виброзащиты кабин дорожных машин на базе колесных тракторовМалахов Иван Игоревич

         

         Система автоматизации проектирования рабочего оборудования строительного манипулятора с активным рабочим органомПеров Сергей Анатольевич

         

         Автоматизация проектирования систем электровзрыванияСаханский Юрий Владимирович

         

         Автоматизация проектирования и верификации межмодульных интерфейсов информационных систем на основе операторного моделированияКорчагин Александр Сергеевич