Введение к работе
1.1. Актуальность. Эффективность применения вычислительной техники в научных исследованиях, комплексных тренажерных системах, управлении сложными производственными и технологическими процессами (космонавтика, авиация, энергетика, архитектура, химия и др.) в значительной степени зависит от функциональных возможностей и качества применяемых систем отображения информации (СОИ). Их развитие в стране уже более 25 лет тесно связано с работами, проводимыми в Институте автоматики и электрометрии СО РАН. В настоящей диссертации представлены результаты исследований по трем важным направлениям в области СОИ: каллиграфические дисплеи, системы визуализации реального времени, средства отображения оперативной информации коллективного пользования для диспетчерских комплексов.
При разработке каллиграфических дисплеев актуально обеспечение оперативного взаимодействия человека с ЭВМ. Это потребовало сформулировать предъявляемые к СОИ требования и реализовать их. Были исследованы алгоритмы функционирования и структура высокопроизводительных процессорных устройств каллиграфических дисплеев, методы генерирования символьной и векторной информации.
Развитие систем отображения информации привело к созданию систем визуализации реального времени (СВРВ) для авиационных и космических тренажеров с растровой разверткой. СВРВ это, как правило, конвейерные мультипроцессорные устройства, включающие буферные ЗУ и другие функциональные блоки. Для их создания было необходимо обеспечить функционирование конвейера СВРВ как единого целого, его тестирование, в том числе в процессе тренировки пилотов, синхронизацию, обмен оперативной информацией с ЭВМ. Это потребовало исследования архитектуры специализированного системного устройства - адаптера тестовой магистрали.
Для повышения реализма отображаемых СВРВ сцен необходимо моделировать сложные объекты. Для современных авиационных и космических тренажеров требуется задание нескольких взлетно-посадочных полос: обширных районов местности, над которыми происходит полет: звездного неба. Известны решения, используемые для формирования локальной базы (ЛБ) объемом до 10 тысяч граней в кадре, но для моделирования сложных объектов необходимо
использовать ЛБ объемом до 100 тысяч граней. Поэтому, исследование методов и средств формирования ЛБ являются актуальным.
Управление сложными техническими объектами невозможно без систем контроля и диагностирования. Одной из важнейших частей таких систем являются специализированные пульты операторов-технологов, снабженные широким набором средств отображения информации, в том числе и экраном коллективного пользования (ЭКП).
В ряде технологических процессов (ТП) важно знать не только количественные значения описывающих их параметров, но и совместно с ними наблюдать реальные объекты, важные для контроля, например пламя горелок котла ГРЭС . Это требование может быть выполнено при совмещении в одном устройстве двух типов изображений: телевизионных, полученных от устройств видео-ввода, и синтезированных, генерируемых ПК. Существующие аппаратные средства не позволяют поддержать на экране коллективного пользования синтезированные динамически изменяющиеся изображения, совмещаемые с фрагментами нескольких вводимых видео-изображений. Решение этой задачи требует создания специализированного видеопроцессора, что делает актуальным разработку и исследование его архитектуры.
-
Цель исследований. Развитие методов машинной графики для создания каллиграфических дисплеев и специализированных устройств растровых СВРВ, обеспечение новых функциональных возможностей СОИ.
-
Методы исследований базируются на использовании системного и целевого подхода при оценке архитектурных решений, опираются на математическое и физическое моделирование, матстатистику, теорию вычислительных систем.
-
Научная новизна.
-
Сформулированы требования, предъявляемые к специализированным средствам СОИ: каллиграфическим дисплеям, адаптеру тестовой магистрали СВРВ, видеопроцессору полиэкранной системы отображения (ВППСО) для диспетчерского комплекса АСУ ТП.
-
Предложены и реализованы алгоритм работы и архитектура процессорного устройства каллиграфического дисплея, обеспечивающие совмещение во времени работы функциональных генераторов с выполнением управляющих команд и получением от ЭВМ данных, описывающих изображение.
-
Для формирования локальной базы СВРВ предложен механизм динамического распределения памяти с отсутствием перепол-
нения вплоть до ее полного резервирования, определен критерий включения/удаления моделей объектов в эту локальную базу.
-
Предложена архитектура специализированных средств СВРВ: сценарного процессора (СП), позволяющего на порядок увеличить число обрабатываемых граней в кадре изображения; адаптера тестовой магистрали (ATM), обеспечивающего функционирование конвейера процессоров.
-
Исследована архитектура и предложена структура видеопроцессора полиэкранной системы отображения, позволившая осуществить работу оператора АСУ ТП с синтезированными динамически изменяющимися изображениями, совмещенными с фрагментами нескольких видео-изображений.
1.5. Практическая значимость и реализация.
1.5.1. Результаты диссертационных исследований были
использованы при разработке:
каллиграфических дисплеев: "Символ" (Горький, ВНИИПМ "Сириус", 1972 г.), серийно выпускавшихся: "Дельты" (Новосибирск, НЗМЗ, 1977 г. и другие предприятия страны) и "ЭПГ-400" (Гомель, завод РТО, 1977 г. и Львов, ПО им. Ленина, 1S79 г.);
синтезирующей системы визуальной космической обстановки "Аксай", которая эксплуатируется в составе тренажерно-модели-рующего комплекса Центра подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина (с 1985 г.). Она послужила прототипом для опытно-конструкторской разработки и серийного выпуска систем визуализации для авиационных тренажеров корабельного базирования (Пенза, ППО "Эра"). Использование СВРВ "Аксай" дало значительный экономический эффект.
-
Результаты НИР по исследованию сценарного процессора СВРВ "Текстура", поддерживающего ЛБ, содержащую до 100 тысяч граней в кадре изображения, переданы в ППО "Эра", г. Пенза (1991 г.).
-
Видеопроцессор полиэкранной системы отображения принят заказчиком для эксплуатации в составе АСУ ТП Сургутской ГРЭС-1.
1.6. Основные положения, выносимые на защиту.
-
Алгоритм работы и архитектура процессорного устройства каллиграфического дисплея, обеспечивающие совмещение во времени работы функциональных генераторов с выполнением управляющих команд и получением от ЭВМ данных, описывающих изображение.
-
Механизм динамического распределения памяти ЛБ СВРВ, позволяющий осуществить ее полное заполнение и непосредственную
адресацию сценарного процессора к распределенным в ЛБ сегментам. . 1.6.3. Новые архитектуры специализированных средств СОИ:
архитектура ATM, обеспечивающая работу конвейера процессоров СВРВ как единого целого, их синхронизацию, тестирование;
архитектура СП, позволяющая в реальном масштабе времени работать с ГБ, содержащими до 800 тысяч граней;
архитектура ВППСО диспетчерского комплекса АСУ ТП, обеспечивающая совмещение в реальном масштабе времени синтезированного и произвольных фрагментов нескольких видео-изображений.
-
Апробация работы. Основные положения докладывались на Всесоюзных конференциях: "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭЦВМ" (Новосибирск, 1970), "Автоматизация экспериментальных исследований" (Куйбышев, 1971), "Системы автоматизации научных исследований" (Рига, 1973); на XIX Всесоюзной школе "Автоматизация научных исследований" (Новосибирск, 1985), на Научной сессии - 96 ИАиЭ СО РАН (Новосибирск, 1996), на III Международной научно - технической конференции "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1996).
-
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации изложены в 15 печатных работах, 2 авторских свидетельствах на изобретение, а также в 4 научных отчетах по НИР.