Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Системный анализ, управление и обработка информации

Диссертационная работа:

Хураськин Игорь Анатольевич. Методы и алгоритмы обработки визуальной информации для создания виртуального окружения тренажерных комплексов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.01 / Хураськин Игорь Анатольевич; [Место защиты: Моск. гос. гор. ун-т]. - Москва, 2008. - 148 с. : ил. РГБ ОД, 61:08-5/786

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

Цели и задачи работы 8

Структура работы 10

Глава-1. Создание виртуального окружения в стерео,режиме 13

1.1. Обзор существующих методов создания визуальной обстановки и анализ их использования в тренажерных системах 14

1.2. Технология формирования стереопары для адекватного восприятия виртуального пространства 26

1.2.1. Геометрическая модель человеческого зрения 26

1.2.2. Стереопара и принцип моделирования объемного видения 28

1.2.3. Параметры виртуальных камер для моделирования стерео режима 31

1.2.4. Вычисление параметров виртуальных камер 32

1.3. Реализация стерео режима в подсистеме визуализации тренажерного комплекса...33

1.4. Мультиэкранная визуализация и синхронизация работы компонентов подсистемы визуализации 36

1.4.1. Концепция управления выводом 38

1.4.2. Механизм передачи данных и синхронного вывода 39

Глава 2. Методы определения положения оператора в трехмерном пространстве 42

2.1. Обзор основных типов систем трекинга и анализ их использования в тренажерных системах 42

2.2. Методы оптического трекинга 49

2.2.1. Восстановление положения объекта по изображениям от видеокамер 52

2.2.2. Методы идентификации маркеров на изображении 66

2.3. Реализация подсистемы трекинга для тренажерного комплекса 69

2.3.1. Определение параметров видеокамеры 70

2.3.2. Поиск маркеров на изображении и нахождение групп маркеров 73

Глава 3. Ошибки определения положения оператора и методы их уменьшения 79

3.1. Оценка точности реконструкции трех маркеров, расположенных на отрезке 80

3.2. Визуальные искажения при ошибках определения положения оператора 90

3.3. Уменьшение ошибок при определении положения маркеров на изображении 95

Глава 4. Взаимодействие оператора с виртуальными пультами управления 102

4.1. Технология взаимодействия человека с виртуальными объектами 103

4.1.1. Общая схема взаимодействия человека с виртуальными объектами 103

4.1.2. Определение положения человека в виртуальном окружении тренажера 105

      1. Воздействие на виртуальные объекты и последующая динамика их движения. 109

4.2. Взаимодействие с элементами виртуальных пультов управления 111

4.2.1. Нажатие на виртуальные кнопки 111

4.2.2. Переключение тумблеров 116

4.2.3. Вращение переключателей 122

4.2.4. Вращение регуляторов 125

Глава 5. Реализация разработанных компонентов виртуального окружения для тренажерных комплексов 128

5.1. Структура и функционирование системы виртуального окружения 128

5.2. Тренажерный комплекс "Выход-2" системы обеспечения выхода в космос 135

Заключение 139

Библиография 140 

Введение к работе:

Человечество постоянно расширяет свою область деятельности - пробирается в глубины океана, отправляет космические аппараты на другие планеты и т.п. Зачастую человеку и технике приходится работать в сложных и экстремальных условиях, где особенно важна четкость и точность выполнения любых операций. Это приводит к повышению требований к уровню знаний специалистов, работающих в таких условиях. Обучение и тренировка специалистов (операторов) сложных систем на реальных установках и в реальных условиях слишком дорога, а часто и очень опасна. Альтернативой этому является создание тренажерных комплексов, которые в максимально возможной степени приближены к реальным установкам и позволяют тренирующимся приобрести правильные и устойчивые навыки. При достаточно полной имитации реальных устройств они, тем не менее, безопасны и при совершении ошибок стажером тренажер только информирует его об этом. Особое значение применение тренажерных технологий имеет в подготовке операторов систем управления сложными динамическими процессами. Для их обучения и повышения навыков используются специальные имитационно-тренажерные системы (комплексы).

Эффективность функционирования тренажерных систем зависит от трех основных показателей: показателя качества полученных знаний оператором, показателя скорости обучения и показателя формирования лоншых навыков у оператора. Задача повышения эффективности системы решается путем увеличения значений первых двух показателей и снижения значения последнего. Особенно опасным может быть формирование ложных навыков, т.к. эти навыки могут привести к неправильным действиям в реальной обстановке. Для повышения эффективности тренажерных комплексов важно знать, какие основные параметры тренажера влияют на показатели его эффективности. Эти параметры можно определить, зная структуру и особенности функционирования тренажерной системы.

Имитационно-тренажерный комплекс системы управления представляет собой сложный аппаратно-программный комплекс, включающий центр управления, контрольно-управляющую систему (моделирующий комплекс), систему имитации визуальной обстановки (систему визуализации) и систему имитации акустических шумов. Центр управления обычно представляет макет системы управления, содержащий элементы управления, приборы, датчики, и т.п. Таким образом, он воссоздает реальную обстановку вокруг оператора. Моделирующий комплекс управляет работой всех компонентов тренажера и обеспечивает логику функционирования имитируемой системы управления. Он определяет текущее состояние системы, вычисляет параметры визуализации и звукового сопровождения и т.п. Эту информацию он передает другим системам тренажера. Система визуализации создает и визуализирует виртуальные модели и элементы обстановки, окружающей имитируемую систему управления, которые в реальности воспроизвести достаточно сложно. Например, в космическом тренажере по стыковке очень сложно воссоздать международную космическую станцию и ее стыковочные узлы, к которым отрабатывается стыковка. Часто эти узлы или даже модули еще не существуют (не сделаны) в реальности, а тренировка по работе с ними может производиться с использованием виртуальных моделей системы-визуализации. В частности, так проводилась тренировка на виртуальной модели ATV в Европейском космическом агентстве. Система имитации акустических шумов воспроизводит звуки, происходящие в процессе работы системы управления. Информация, получаемая оператором от визуализирующей и аудио систем, а также от индикаторов и измерительных приборов центра управления, отражает реакцию всего тренажерного комплекса на действия. оператора. Таким образом, управление имитируемыми динамическими процессами оператор осуществляет на основе анализа видео и аудио информации, получаемой от соответствующих систем тренажера, и путем воздействия на элементы управления, расположенные в центре управления, такие как кнопки, переключатели и т.п. Устройства фиксируют действия оператора и передают свое состояние в виде сигналов управления моделирующему комплексу, который анализирует эти сигналы и вносит изменения в состояние модели системы управления. Выполнив все необходимые изменения; комплекс передает новую информацию другим системам тренажера, которые интерпретируют ее и выводят оператору.

Система визуализации имитационно-тренажерного комплекса является одной из основных. Она производит синтез изображения трехмерного пространства на специальных экранах, которые в окружающей обстановке представляются окнами в кабине, или телевизорами, выводящими видеоизображение от внешних средств наблюдения. Для создания изображения система использует виртуальную трехмерную модель пространства (виртуальную 3D сцену), которая описывает параметры объектов (положение, ориентацию, форму и т.д.), источников освещения, камер, анимационных треков и других составляющих этого пространства. Для полноценной работы тренажера визуализация виртуальной сцены должна происходить в режиме реального времени и обеспечивать эффект непрерывного движения динамических объектов, что соответствует выводу изображения на экраны с частотой, не менее 30 раз в секунду.

Анализ имитационно-тренажерных систем показал, что, чем более качественна представляемая тренажерной системой информация и выше скорость реакции системы на действия оператора, тем лучше качество и выше скорость обучения оператора. Поэтому одним из вариантов повышения эффективности таких систем является повышение качества выводимой информации. Среди всей этой информации особо следует выделить визуальную, поскольку человек в наибольшей степени получает представление об окружающей обстановке от органов зрении, и качество этой информации играет большую роль в обучении оператора. Анализ существующих тренажерных систем показал, что при имитации пространственной обстановки подсистема визуализации создает изображение, во многом несоответствующее реальному пространству, поэтому важным направлением повышения эффективности тренажерных систем является увеличение степени адекватности видеоинформации, представляемой подсистемой визуализации. Одним из решений такой задачи является использование технологий виртуальной реальности.

Человек способен воспринимать и анализировать окружающее его пространство благодаря мозгу и сенсорным рецепторам. Мозг интегрирует получаемые им сигналы от всех рецепторов и формирует общее представление об окружающем пространстве. Задача создания виртуальной реальности состоит в искусственном формировании у человека ощущений пространства и расположенных в нем объектов. Для этого необходимо сформировать адекватное изображение виртуального пространства, направить его в органы зрения наблюдателя так, чтобы создать у человека правильное объемное видение, обеспечить динамическое изменение изображения?при перемещении человека относительно объектов виртуальной сцены, обеспечить адекватную реакцию (движение, изменение формы и т.д.) виртуальных объектов при воздействии на них человека, смоделировать обратное воздействие объектов на человека (сопротивление воздействию) и т.д. Короче говоря, сделать все, чтобы виртуальное пространство формировало в мозге те же ощущения, что и реальное и, в этом смысле, замена реального пространства на виртуальное не была заметна.

Френсис Хэмит писал [78], что виртуальная реальность - это соединение компьютерной графики с взаимодействием «компьютер-человек». Он брал в основу создания киберпространства графические возможности компьютера, т.е. создание такого изображения компьютером, которое бы формировало ощущение действительной картины. По некоторым данным, термин "виртуальная реальность" был придуман в Массачусетском Технологическом Институте (МТИ) в конце 1970-х годов, чтобы выразить идею присутствия человека в создаваемом компьютером пространстве: идея интерактивности уже была в фокусе многих экспериментов в МТИ. Затем она перешла в Лаборатории Атари, где в начале 1980-х работали многие выпускники МТИ, а дальше получила распространение в индустрии компьютерных игр. В мире уже активно идет внедрение технологий виртуальной реальности в тренажерные системы [1, 50, 51]. Появились лаборатории (НАСА, Военно-морская исследовательская лаборатория; Военно-воздушный институт технологий, лаборатория виртуального окружения; Лаборатория прикладных технологий; Лаборатория применения виртуальной реальности в аэрокосмических тренировках и т.д.), которые непосредственно занимаются разработкой тренажеров с применением технологий виртуальной реальности. Сначала лабораториями создавались тренажеры (например, Merchant ship simulation at Warsash), обеспечивающие оператора только объемным видением виртуального пространства без возможности взаимодействия с объектами этого пространства. Причем объемное видение в этих тренажерах не в полной мере соответствовало видению реального пространства. Дальнейшим развитием тренажеров было использование специальных механических средств для реализации воздействия оператора на виртуальные объекты (UNC nanoManipulator). Современные тренажерные системы (NASA "Charlotte" Virtual weightless mass), кроме обеспечения объемного видения и воздействия на виртуальные объекты, позволяют оператору перемещаться внутри виртуальной обстановки. Технологии и методы виртуальной реальности, которые сейчас активно внедряются в имитационно-тренажерные системы, далеко не совершенны и не позволяют создать вокруг оператора обстановку, полностью соответствующую реальной. Поскольку качество и эффективность функционирования тренажера напрямую зависит от степени реалистичности имитируемой им обстановки, то развитие этих технологий является важной задачей для совершенствования тренажерных систем. Исследованием данного вопроса занимается много ученых всего мира [51,104-107], в том числе и российских [2, 3, 27, 61, 95-99 102-103].

Для повышения эффективности работы имитационно-тренажерных комплексов и входящих в них подсистем можно использовать методы исследований, разработанные в системном анализе. Эти методы позволяют разбить систему на составные части, исследовать закономерности их функционирования, установить и исследовать системные и информационные связи между ними, разработать информационные потоки и оптимизировать их обработку. В настоящей работе концепции и методы системного анализа применяются для исследований имитационно-тренажерных комплексов и их подсистем, в частности, подсистемы виртуального окружения. Разработаны также новые методы, технологии и алгоритмы обработки информации, позволяющие повысить эффективность работы систем виртуального окружения и их связей с остальными подсистемами и, тем самым эффективность функционирования всего тренажерного комплекса. В частности, разработана технология формирования стереопары для создания адекватного объемного видения, созданы новые методы оптического трекинга, позволяющего отслеживать перемещение оператора в пространстве, разработаны алгоритмы передачи информации между подсистемами, а также новые алгоритмы обработки изображений и выделения на них специальных реперных точек, используемых в оптическом трекинге. Разработанные технологии, методы и алгоритмы прошли апробацию в Российском Государственном Научно-исследовательском испытательном Центре подготовки космонавтов им. Ю.А.Гагарина и показали свою эффективность при работе в тренажерных комплексах.

Актуальность темы

Использование технологий виртуальной реальности в тренажерах - это новый шаг в развитии и повышении эффективности имитационно-тренажерных систем. Технологии виртуальной реальности могут существенно повысить качество представляемой визуальной информации за счет обеспечения-оператора адекватным объемным видением окружающей виртуальной обстановки. Это позволит ему визуально оценивать удаленность виртуальных объектов и легче ориентироваться в окружающем пространстве, что будет способствовать повышению эффективности процесса обучения. Кроме того, в тренажерных комплексах систем управления эти технологии позволяют улучшить человеко-машинный интерфейс тренажера за счет обеспечения взаимодействия оператора с виртуальными объектами (в частности, с виртуальными пультами управления) имитируемого пространства. С помощью технологий виртуального окружения можно создать среду с произвольными параметрами, которая имитирует различные среды и условия работы оператора тренажера. Большим достоинством этих технологий является возможность замены реального оборудования, используемого операторами при тренировке, на виртуальные аналоги, делая тем самым тренажерный комплекс не только менее громоздким И легко переносимым, но и более универсальным. Таким образом, исследования и развитие новых технологий, методов и алгоритмов создания виртуального окружения для имитационно-тренажерных комплексов является важной и актуальной научно-технической задачей.

Цели и задачи работы

Целью данной работы является разработка новых алгоритмов, методов и технологий обработки визуальной информации для создания виртуального окружения тренажерных комплексов управления сложными динамическими системами.

Достижение поставленной цели осуществляется за счет решения следующих задач:

• обеспечение оператора адекватным объемным восприятием виртуального пространства, позволяющим ему видеть в стерео режиме виртуальную обстановку, в наибольшей степени соответствующую реальной;

• определение положения оператора в реальном пространстве для предоставления ему адекватной визуальной информации об окружающей виртуальной обстановке и для правильной реализации взаимодействия его с объектами этой обстановки;

• обеспечение воздействия оператора на основные элементы виртуальных пультов управления и моделирование динамики движения этих элементов после воздействия;

• создание программных модулей системы виртуального окружения для имитационно-тренажерных комплексов на основе разработанных технологий, методов и алгоритмов;

Основные научные положения и их новизна заключаются в следующем:

Разработан новый метод создания стереопары для адекватного объемного видения виртуального пространства;

Предложена технология синхронизации обмена информацией между компонентами подсистемы визуализации и тренажерной системы.

Разработаны новые методы реконструкции положения и ориентации объектов в трехмерном пространстве из двумерного изображения с использованием светящихся маркеров.

Разработаны новые методы и алгоритмы поиска, выделения и идентификации маркеров на изображении.

Предложены методы и алгоритмы работы оператора с элементами виртуальных пультов управления (кнопками, тумблерами, переключателями и регуляторами).

Научная значимость работы заключается в разработке новых технологий, методов и алгоритмов обеспечения человека адекватным объемным видением виртуального пространства, определения положения объектов в реальном пространстве, реализации взаимодействия человека с системами управления в виртуальном пространстве.

Достоверность научных положений, сформулированных в диссертации, подтверждается корректным использованием методов системного анализа, сопоставимостью теоретических и экспериментальных результатов обработки видеоинформации, а также удовлетворительными результатами апробации и тестирования технологий, методов и алгоритмов на реальном тренажере.

Методы исследований

В данной работе использовались методы системного анализа, аналитической геометрии, компьютерной графики и системотехники.

Практическая ценность работы

Разработанные в диссертации технологии, методы и алгоритмы создания виртуального окружения в стерео режиме и обеспечения взаимодействия оператора с виртуальными пультами реализованы в программных модулях, позволяющих создать систему виртуального окружения тренажерного комплекса. Эта система может быть использована в имитационно-тренажерных комплексах управления сложными динамическими системами.

Апробация работы

Результаты диссертации и материалы.исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение специалистов на: - а 2-ой международной конференции "Системный анализ и информационные технологии" (г. Обнинск, 2007); а VI и VII международных научно-технических конференциях "Пилотируемые полеты в космос" (Звездный городок, 2005, 2007); а научных семинарах Центра визуализации и спутниковых информационных технологий НИИСИ РАН..

Разработанные программные модули прошли апробацию в Государственном Научно-исследовательском испытательном Центре подготовки космонавтов им. Ю.А.Гагарина и показали свое соответствие требованиям, предъявляемым в настоящее время к системам виртуального окружения тренажерных комплексов.

Реализация результатов работы.

На основе разработанных программных модулей создана система виртуального окружения для тренажерного комплекса обеспечения выхода в космос "Выход-2" Российского государственного научно-исследовательского испытательного Центра подготовки космонавтов им. Ю.А.Гагарина.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 статей, из них 5 по перечню ВАК Минобрнауки России.

Структура работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. В работе содержится 68 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 78 наименований.

Первая глава посвящена созданию виртуального окружения в тренажерных комплексах. Вначале в ней проводится анализ основных существующих методов обеспечения объемного видения человеком виртуального пространства. На основе этого анализа выбираются методы, пригодные для использования в тренажерных комплексах систем управления сложными динамическими процессами. Для этих методов предлагается новая технология создания стереопары, включающая вычисление параметров соответствующих виртуальных камер и обеспечивающая адекватное (не искаженное) объемное видение виртуального пространства. Далее, рассматриваются особенности реализации выбранных методов и этой технологии в подсистеме визуализации тренажерного Тсомплёкса7 Последнйй раздел посвящен разработанной технологии усовершенствования обменасинформацией между подсистемой "визуализации и "другими компонентами системы. 5? Эта технология обеспечивает синхронность вывода изображений на нескольких экранах, что повышает качество функционирования подсистемы визуализации в много канальном режиме.

Вторая глава посвящена технологиям определения положения и ориентации в пространстве оператора тренажерного комплекса. В главе проводится анализ основных типов существующих систем трекинга. Этот анализ позволяет выбрать тип систем, наиболее подходящих для использования в тренажерных комплексах систем управления. Из них наиболее эффективным представляется класс оптических систем трекинга с использованием специальных светящихся маркеров. Для повышения эффективности работы этого типа систем необходимо найти такие конфигурации, которые содержали бы минимально возможное число маркеров, но позволяли, тем не менее, однозначно определять положение и ориентацию отслеживаемых объектов. В данной главе показывается, что одного и двух маркеров недостаточно для решения поставленной задачи, а также доказываются теоремы об однозначном определении положения и ориентации определенных конфигураций из трех и четырех маркеров и определяются условия, при которых эта реконструкция невозможна. Кроме того, предлагаются новые методы и алгоритмы идентификации маркеров на изображении. С целью повышения эффективности разрабатываемой системы трекинга найдено минимальное количество цветов, необходимое для однозначной идентификации маркеров рассматриваемых конфигураций на изображении. Последний раздел посвящен реализации подсистемы трекинга для тренажерных систем.

В третьей главе производится оценка погрешности реконструкции положения конфигурации из трех маркеров, расположенных на отрезке, в зависимости от ее удаленности и ориентации в пространстве. Доказанные теоремы устанавливают верхние и нижние оценки такой погрешности. Для уменьшения погрешности реконструкции предлагаются новые методы корректировки положения маркеров на изображении, основанные на построении наиболее вероятной прямой, содержащей заданное множество точек. Кроме того, в главе рассматривается влияние ошибок системы трекинга на качество работы системы визуализации и доказывается теорема, определяющая зависимость смещения видимого положения виртуальных объектов от смещения положения наблюдателя.

В четвертой главе разрабатывается общая концепция и технология взаимодействия человека с виртуальными объектами. В рамках технологии предлагаются методы создания виртуального образа человеческого тела и его частей (рук, кистей, пальцев и т.д.) и преобразования информации о нем из системы трекинга в систему визуализации. Кроме этого, созданы динамические модели взаимодействия оператора тренажера в виртуальном пространстве со стандартными элементами пультов управления, такими как виртуальные кнопки, тумблеры, переключатели и регуляторы. Данные модели позволяют выполнять высокореалистичную визуализацию движения виртуальных элементов управления при воздействии на них оператора.

В пятой главе представлена реализация системы виртуального окружения для тренажерных комплексов. В главе описывается структура разработанной системы виртуального окружения тренажерного комплекса и системные связи между ее компонентами, рассматриваются схемы функционирования этой системы, а также описываются особенности реализации разработанных компонентов для использования их в тренажерных комплексах. В последнем разделе главы представлено описание тренажерного комплекса обеспечения выхода в космос «Выход-2», на котором были апробированы разработанные в данной работе технологии, методы и алгоритмы.

Подобные работы
Котельников Борис Викторович
Методы и алгоритмы обработки информации для автоматизированных систем диагностики электрооборудования электрических станций
Гайнуллин Марат Фаритович
Алгоритмы и методы обработки информации в системах контроля качества процессов крашения
Малевинский Михаил Федорович
Математические методы и алгоритмы обработки информации при идентификации динамических систем
Поленова Юлия Евгеньевна
Разработка методов и алгоритмов обработки информации на основе совместного использования пространственных, временных и частотных параметров сигналов
Штыков Роман Александрович
Методы и алгоритмы обработки информации для оперативного управления тепловыми сетями промышленных предприятий
Авшалумов Александр Шамаилович
Методы и алгоритмы обработки информации в условиях неоднородности данных
Кудряшов Максим Юрьевич
Спектрально-временные методы и алгоритмы обработки звуковой информации
Кривоногов Леонид Юрьевич
Методы и алгоритмы помехоустойчивой обработки электрокардиографической информации
Сердюков Юрий Павлович
Методы и алгоритмы обработки сигналов, повышающие скорость передачи информации
Шер Арнольд Петрович
Исследование тестовых методов диагностики и разработка на их основе алгоритмов обработки океанологической информации для задач рыбопромыслового прогнозирования

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net