Введение к работе
Актуальность темы. Тренажерные системы являются одним из приоритетных направлений развития компьютерных технологий. Имитационно-тренажерные комплексы, максимально приближенные к реальным установкам, позволяют обучаемым приобретать правильные и устойчивые навыки.
Особенно следует отметить роль тренажеров в процессе подготовки специалистов различных сфер деятельности. Наблюдающееся в настоящее время развитие и конструктивное усложнение специальной техники, а также увеличение количества реализуемых в ней задач, требуют от операторов технического профессионализма, соблюдения установленных правил и порядка действий. По этой причине подготовка операторов немыслима без использования тренажерных средств, которые позволяют экономить ресурсы спецтехники, сократить стоимость обучения, уменьшить аварийность дорогостоящего оборудования в процессе его освоения, отрабатывать действия при возникновении нестандартных ситуаций (пожар, отказ систем управления).
Обеспечение успешного решения поставленных задач в современных тренажерах обусловило необходимость разработки новых средств, методов и технологий обучения, базирующихся на математическом моделировании и элементах виртуальной реальности. Поскольку основным требованием, предъявляемым к тренажеру, является подобие реальному объекту, его неотъемлемой частью является система визуализации (имитации) окружающей обстановки.
При построении трехмерной модели окружающей обстановки в современных системах визуализации используются цифровые карты местности (ЦКМ), что обеспечивает имитацию реальных окружающей обстановки с высокой степенью реализма. Цифровые карты местности представляют собой набор векторных объектов с семантикой, разделенных на слои. Каждый слой определяет функции, возложенные на объекты, которые он представляет.
Создание трехмерной сцены на базе цифровой карты местности включает последовательность следующих операций: чтение электронных карт и преобразование к внутреннему формату; создание карты высот; создание трехмерной модели рельефа, создание представления для слоевых объектов (водоемы, дороги и т.п.); расстановка уникальных объектов (аэродромы); встраивание полученных трехмерных моделей в уже построенную сетку ландшафта; текстурирование ландшафта в соответствии с типами поверхности ЦКМ; расстановка типовых наземных объектов (зданий, деревьев и т.д.) по некоторому закону.
Исходя из вышесказанного, для тренажерных комплексов актуальной является задача создания математического и программного обеспечения формирования окружающей обстановки.
Объектом исследования диссертационной работы является аппаратно-программный комплекс тренажера, воспроизводящий условия функционирования реального объекта.
Предметом исследования диссертационной работы является математическое и программное обеспечение моделирования внешней обстановки, обеспечивающее подобие тренажера реальному объекту.
Цель диссертационной работы состоит в повышении качества изображения, предоставляемого обучаемому, и уменьшении аппаратных затрат на его формирование в реальном времени, путем разработки математических моделей, алгоритмов и программных средств автоматического моделирования виртуальной сцены по цифровой карте местности и алгоритмов визуализации полученных данных.
Задачи исследований:
1. Определение общей структуры и классификации программных средств системы визуализации и ее составных частей.
2. Создание методики построения трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ, учитывающей представление исходных данных на ЦКМ взаимодействие основных объектов ЦКМ, особенности вычислительной среды, и позволяющей получить трехмерную модель окружающей обстановки с минимальным количеством примитивов при заданной точности.
3. Создание методики формирования трехмерного изображения окружающей обстановки, позволяющей минимизировать вычислительную сложность алгоритмов и учитывающей особенности аппаратной базы вычислительной техники.
4. Построение трехмерной модели рельефа по ЦКМ, ориентированной на программную реализацию в выбранном аппаратном комплексе, с минимальным количеством примитивов при заданной точности.
5. Построение трехмерных моделей основных типов объектов по ЦКМ и их встраивание или размещение в трехмерной модели ландшафта.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика построения трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ, учитывающая представление исходных данных на ЦКМ, особенности вычислительной среды, и позволяющая получить трехмерную модель окружающей обстановки с минимальным количеством примитивов при заданной точности.
2. Разработан алгоритм создания трехмерной модели рельефа с минимальным количеством примитивов при заданной точности на основе нерегулярной сетки с использованием квадратичного показателя ошибки.
3. Разработаны методы и алгоритмы построения основных типов объектов по цифровой карте местности с использованием квадратичного показателя ошибки.
4. Разработана методика формирования трехмерного изображения окружающей обстановки по полученной трехмерной модели, позволяющая повысить качество изображения, минимизировать вычислительную сложность алгоритмов и учитывающая особенности аппаратной базы вычислительной техники.
Практическая ценность работы выражается в том, что разработанные алгоритмы и программные средства ориентированы на использование в системах визуализации разрабатываемых и модернизируемых тренажерных комплексов, что позволяет повысить их технические характеристики и уровень подготовки специалистов.
Достоверность результатов подтверждается использованием предлагаемой методики при разработке программного обеспечения тренажеров.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика построения трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ.
2. Алгоритм создания трехмерной модели высокоточного рельефа на основе нерегулярной сетки с использованием квадратичного показателя ошибки.
3. Методы и алгоритмы построения основных типов объектов по ЦКМ с использованием квадратичного показателя ошибки.
4. Методика формирования трехмерного изображения окружающей обстановки.
Реализация и внедрение результатов. Предложенная в работе методика формирования системы визуализации была успешно использована автором при выполнении опытно-конструкторских работ на ОАО «Тулаточмаш» и при разработке коммерческих программных продуктов, формирующих трехмерное изображение виртуальных сцен в ООО «Девелопер Софт».
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 11 работ, включенных в список литературы: 9 статей, в том числе 1 статья в сборнике, рекомендуемом ВАК РФ, и 2 тезисов докладов на II магистерской научно-технической конференции ТулГУ и Всероссийской НТК «Интеллект-2009».
Структура и объем диссертации. Данная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 130 листах машинописного текста, и включает: 59 рисунков, список литературы из 104 источников, 2 приложения на 69 листах, содержащих листинг программного обеспечения и акт внедрения результатов исследований.
Похожие диссертации на Математическое и программное обеспечение формирования окружающей обстановки тренажерных комплексов
