автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Инструментальные средства моделирования и отображения пространственных сцен на ПЭВМ

11«, -1 9,.?

Академия наук Украини Институт проблем моделирования в энергетике

На правах рукописи

ВАРТОЩУК Сергей Олегович

УДК 681.3.069.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОТОБРАЖЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СЦЕН НА ПЭВМ

Специальность 03.13.13. - внчислительние мапини,

конплекси, системы и сети

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кнев - 1992

Работа выполнена в отделе теории моделирования Института проблей моделирования в энергетике АН Украины.

Научний руководитель:

доктор технических наук, заведующий отделом Катков А.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заведующий отделом ИПМЭ АН Украини, Самойлов В.Д.

кандидат технических наук Цурин О.ф., КПИ.

Ведучая организация:

Институт проблем регистрации информации АН Украины.

Защита состоится •7 й" с^^ре^и^ 1993г. в ' часов мин, на заседании специализированного ученого совета Д 0X6.61.01 при Институте проблем моделирования в энергетике АН Украины по адресу: 252680, г.Киев - 164< ул.Генерала Наумова 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан

..Ж ..

1992г.

Учений секретарь . специализированного совета, кандидат технических наук

Э.П.Семагина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'Актуальность проблем«. Прогресс в области вычислительной техники и информатики привел к проникновению компьютеров практически во все области человеческой деятельности. Потому в настоящее . время одной из важнейших характеристик компьютеров становятся их графические возможности, которые обеспечивают удобство пользователя в получении информации'.

В основе практически всех графических систем лежит отобра-гение графических элементов в плоскости экрана, тогда как визуальное восприятие человеком реальных объемных объектов отличается от восприятия их образов на плоскости. Несмотря на то, что спроецированное на плоскость изображение пространственной сцены создает в сознании человека пространственный образ, основным недостатком такого способа представления является неоднозначность восприятия пространственной информации. Во многих случаях одни и те же изображения на плоскости создают в сознании человека несколько вариантов формы и взаимного расположения отображаемых объектов. Задача устранения-неоднозначности восприятия синтезированных плоских изображений наиболее эффективно решается формированием на экране дисплея стереоскопического изображения. В ;»тон случае пользователь воспринимает пространственную картину практически аналогично восприятию внешнего мира, что позволяет упростить задачу получения однозначной информации о разнообразии форм и взаимной ориентации отображаемых объектов.

Современные разработки систем со стереоскопическим отображением объемной информации ориентированы, в основном, на использование функционально-ориентированных вычислительных структур, лощных универсальных или графических ЭВМ. В подобных системах уелью является отображение в реальном времени и с учетом изменения местоположения и ориентации оператора динамических пространственных сцен высокой степени реалистичности.

Массовое использование достаточно производительных персональных ЭВМ, ставшее реальностью в последние годы, позволяет доставить задачу исследования возможностей практического применения методов стереографического отображения инфорнаинн на базе персональных профессиональных компьютеров.

Прикладными областями, наиболее явно предрасположенными к

использованию стереографики, являются архитектура и недицина. Для тйго, чтобы не ограничивать применение методов стереоскопии какими-либо конкретными приложениями, следует дополнить огромное разнообразие программного обеспечения, созданного для персональных ЭВМ. инструментальными интерактивными средствами моделирования и стереографического отображения пространственных сцен.

Цель диссертационной работы. - комплексная разработка инструментальных средств моделирования и отображения пространственных сиен на ПЭВМ, способов подготовки данных для интерактивной обработки, а также методов использования этих средств в прикладных областях, обеспечивающих повышение эффективности и уровня интеллектуализации человеческой деятельности.

Основные задачи работы. .

- разработать методы построения прикладных ноделей пространственных сцен;

- исследовать методы создания динамических ноделей пространственных сцен;

- разработать структуру н алгоритмические основы для проектирования ядра стереографической системы;

- провести- сравнительный анализ эффективности различных наборов средств управления программой Синтерфейса пользователя);

- разработать способы управления стереомаркером, конструкцию специальных трехкоординатных манипуляторов, а также способы их включения в систему ПЭВМ;

Методы исследования.■ использованные при выполнении настоящей работы, основаны на положениях вычислительной математики, машинной графики»теории матриц, общей сенсорной физиологии. Использованы основы эргономики, проектирования РЭА. а также результаты наблюдений и экспериментов.

Научная новизна и основные положения, выносиные на защиту.

1. Совокупность методов и алгоритмов синтеза статических и динамических пространственных сцен

2. Методы построения прикладных моделей пространственных сцен .

3. Структура программного ядра стереографической системы.

4. Структура графического интерфейса пользователя для программ со стереоскопическим отображением .

5. Способы реализации трехкоординатных манипуляторов указателем стереомаркера .

Практическая ценность. Применение предложенных методов построения прикладных моделей и синтеза динамических моделей пространственных сцен позволяет: проектировать на базе инструментальные средств моделирования и отображения пространственных сцен различные прикладные системы для ПЭВМ; повысить информационную ценность данных и упростить восприятие пространственной информации путем построения пространственной модели; повысить эффективность работы специалистов прикладных.областей в процессе анализа и обработки диагностической информации.

Предложенная структура графического интерфейса пользователя для программ со стереоскопическим отображением позволяет: расширить возможности использования подобных систем на ПЭВМ с различными наборами устройств ввода информации; унифицировать подход к управлению программой в различных режимах отображения; сделать процесс взаимодействия человека с машиной более простым и эффективным.

Структура предложенного программного ядра стереографической системы позволяет: использовать генератор стереовекторов в качестве основы системы стереографического отображения; встраивать программу стереоскопического отображения в различные прикладные программы иного назначения, а также использовать ее в надстраиваемых оболочках.

Практическая полезность работы подтверждена использованием разработанных методов для стереоскопического отображения результатов психологического самоанализа.

Выполненные автором исследования проводились в рамках госбюджетной темы "Развитие теории цифровых моделируюцих автоматов, разработка и создание пакета прикладных программ и специализированного процессора для мини и персональных ЭВМ, ориентированного на реиение дифференциальных уравнений в частных производных и его применение для оценки технического состояния объектов энергетики", шифр темы 1.7.4, выполняемой по решению N1 бюро ОФТПЭ от 08.01.1990 года.

Внедрение. Частичные результаты работы внедрены в налом предприятии "Перспективные исследования и разработки" Сг.КиевЭ.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы обсуждались на:

- Всесоюзной конференции "Математическое моделирование в энергетике" СЭНМО - 903. г.Киев, 1990 г.;

- Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования", г.Москва, 1991г.;

- 4-й Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров", г.Пенза, 1991 г.;

- X, XI и ХН отчетных конференциях Института проблем моделирования в энергетике АН Украины Сг.Киев, 1990, 1991, 1992г.

- научных семинарах "Методы математического моделирования", проводимых в отделе теории моделирования ИПМЭ АН Украины.

По теме диссертации опубликовано три печатных работы, две подготовлено к печати.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Всего 12Ь страниц машинописного текста, включая 39 иллюстраций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована тема диссертации, показана ее целесообразность, определена цель и основные задачи.

В первой главе предложены методы построения статических и динамических моделей пространственных сцен для стереоскопического отображения с учетом особенностей их внутренней структуры.

Прикладная модель существует в терминах некоторого трехмерного пространс. ва моделирования, которое описывается декартовой правосторонней системой координат и своими размерами. Размеры пространства моделирования определяются возможностями конкретной технической системы и ограничиваются разрядностью данных для хранения координат. Координаты-пространства моделирования аналогичны мировым координатан прикладной модели и не имеют размерности. Система координат пространства моделирования дискретная.

В нодель следует ввести объекты двух типов: объекты-экземпляры и объекты-копии. Отличие объекта-копии от объекта-экземпляра, заключается в тон, что он задается в координатах пространства моделирования, а не в собственных, следовательно к нему не применимы экземплярные преобразования.

Анализ известных способов стереоскопического представления графической информации, проведенный с учетом технических параметров базовой ПЭВМ, показывает, что оптимальными для применения

являются: анаглифический и оптический способы разделения полей зрения. Существует необходимость в режиме отображения перспективной проекции пространственной сцены. Для улучиения пространственного восприятия этот режим должен быть динамическим.

Линейные размеры реально-отобрахаемого лространсва СРОЮ определяются линейными размерами экрана I/, глубиной предэкранно-го пространства Дп> удалением точки наблюдения Н и неасзрачковин расстоянием 2Ь Сем.'рис. 15. Определим линейные размеры куба РОП, вписанного в "пирамиду видимости". 6

Из треугольника BKll получим JKB/ = /KÚtgtA Иэ подобия треугольников ВСО и LDO следует. что

tgt» =

С0,5-У + bJ Н

С15

С23

сз?

При кубической форме РОП ÍKL! = ILMI, следовательно ^ ^ tllNt 2 H-V

= v ~ 2 -2— " г-н + w + ь •

Для 11 » 0,5 м, Ь - 0,033 м и V т 0,25 м CEGA монитор с диагональю 14"} получим, что /¿N1 ш 0.19 м. Так как отображение происходит в экранной системе координат, единицей измерения которой является пиксел, и плоскость экрана является частью РОП, то единицу измерения системы координат РОП следует выбрать равной размерам пиксела. При этом размерность РОП Мроп будет составлять:

Н «4г. С43

pon сГ

где L - ликейний размер РОП по одной из координат, d - размер пиксела.

Форма представления графических данных об объекте определяет способ интерпретации этих данных в ходе решения задачи построения модели исследуемой пространственной сцены и создания соответсвующей базы данных. Обработка данных, заданных в виде серии срезов, зависит от того, какие компоненты этих изображений несут полезную информацию - точки, плотность их расположения в той или иной части изображения или линии, контуры каких-либо объектов.

Рассмотрим метод интерполяции точечных изображений для графических данных в виде параллельных плоских срезов объекта.

Разобъем плоскость изображения среза на элементарные участки. Пусть это будут квадраты с длиной стороны Д. Диагностической информацией является уровень серого. Зададимся условием, что плотность каждого элементарного участка среза определяет плотность точек в элементарном кубе пространства моделирования..Размер грани куба также равен Д. Тело элементарного куба расположено в направлении интерполяции от плоскости среза. Таким образом, с помощью характетик плоского среза описываем часть пространства. Для интерполяции всего пространства между соседними срезами зададимся шагом интерполяции равным Д. Рассмотрим элементарный участок Л-го среза где j ~ порядковый номер участка по

осям х и у соответсвенно. Пусть в направлении интерполяции на срезе СЛ+1> ему соответствует участок Участок харак-

теризуется плотностью а участок - плотностью рг. Так

если использовать линейную интерполяцию в направлении интерполирования, то

Рт> " Рп-1 + V . С55

где п - порядковый нонер интерполяционного слоя, Ар - изменение плотности.

<Рг ~

Причем Др ■ -^-, С6)

где Л - количество шагов интерполяции от среза к срезу.

Для получения более правдоподобных результатов интерполяции следует учитывать параметры не только тех участков, которые ле-_ жат на линии интерполирования, но и соседних с ними, а также удаление текущего интерполяционного слоя от срезов. Более пригоден такой алгоритм:

если р=рг-р, то УпСрп=р>, п ш *>•■-•£-§-]; С7Э

25 если р^рг, то рп = р^ + ~Скг'рг - к^р^. <83

где и к2 - коэффициенты, учитывающие среднюю плотность на участках вокруг и соответственно, а также удаление слоя п от Л-го и СЛ+13-го срезов. При интерполяции контурных изображений возникает проблема определения соответствующих друг другу точек на линиях в разных срезах, для которых нужно строить интерполирующие точки в плоскостях интерполяции. Решение этой проблемы состоит в задании секущих плоскостей, которые перпендикулярны срезам. Ориентация секущих плоскостей зависит от формы объекта и мохет быть параллельной или радиальной.

Для повышения эффективности представления пространственных сцен предлагается использовать анимационные стереоскопические фильмы. Для этой цели предусмотрен быстрый вывод на экран последовательности изображений отдельных фаз динамического процесса, создающий эффект плавного движения.

При моделировании динамических пространственных сцен следует учитывать то, что в большинстве случаев подвижными, на текущем временном отрезке, является лишь часть элементов сцены. Иерархическая структура модели позволяет разделить ее на фоновые и активные элементы. При этом время вывода на экран всего кадра:

Т = t■n * ЬСЫ-пЭ, <95

где * - время вывода на экран одного элемента, N - общее количество элементов сцены, п - количество подвижных элементов сцены <п < Ю, Ь - время копирования одного элемента из фонового изображения в кадр Спричем Ь « <3. Динамическую модель можно хранить в виде набора опорных ' кадров, а недостающие изображения создавать в процессе вывода на экран. Использование интерполяции для получения промежуточных кадров по опорным возможно на разных этапах построения стереоскопического изображения. В случае применения интерполяции к экранным кадрам с получением промежуточных кадров для вывода их на экран интерполирующая функция должна быть линейной, и промежуточный кадр можно описать так:

ПК = /И<ЭК1, ЭК2. п, Ю. <103

где / - интерполирующая функция,

п - количество промежуточных кадров, N - номер текущего шага интерполяции.

- в -

В случае применения интерполяции к прикладным базам данных, описывающим опорные кадры, описание промежуточной базы данных очень похоже на описание промежуточного кадра С10Э:

ПБА = РИС£41, БА2. п, N3. СИЗ

где - интерполирующая функция. При интерполяции баз данных опорных кадров на Функцию не накладываются какие либо ограничения. Это позволяет получить более высокое качество передачи движения при меньшем количестве опорных кадров. Существенный проигрыш в скорости формирования промежуточных экранных кадров в этом случае обусловлен тем, что на каждом шаге интерполяции приходится выполнять преобразование "база данных — экранный кадр".

Во рторой главе изложены вопросы создания средств взаимодействия пользователя с программой стереоскопического отображения графической информации. Предложены способы редактирования моделей пространственных сцен с помощью стереомаркера, детально рассмотрены алгоритмы синтеза графических примитивов. Разработан универсальный алгоритм выполнения, поворота вокруг координатных осей. Исследованы способы формирования графического описания модели и различные форматы прикладных структур данных. Главное внимание уделено исследованию вопросов построения интерфейса пользователя стереографической системы. Рассмотрены различные варианты реализации управления указателем стереомаркера и командной оболочкой программы. Предложен способ формирования графического интс фейса пользователя для стереографических систем. Разработаны структуры аппаратных и програмных средств, а также приведены конструктивные решения для устройств управления ете-реомаркерои и программой.

Обратная связь от стереографической системы к пользователю, показывающая как система интерпретирует те или иные его действия в трехнерном пространстве моделирования, реализуется с помочью стереомаркера. Стересгмаркер состоит из изображения пространственного указателя, а также логических, программных и аппаратных средств управления его местоположением.

Стереомаркер является основным инструментом для интерактивного синтеза моделей пространственных сцен. С его помощью возможно выполнение следующих операций: создание, удаление, перемещение точки; создание, удаление, перемещение, модификация вектора; создание, удаление, модификация грани; создание таких графи-

чееких просчранственных примитивов как окружность, кр;'г, прямоугольник, параллелепипед, сфера и шар.

Для описания прикладных структур данных предлагаются два формата баз данных, которые приведены на рис.2 и рис.3.

ПРОСТР. СЦЕНА

Количество объектов

Указатель18 ■

ОПИСАН.ОБЪЕКТА

Параметры

Количество точек

Указатель13-

Количество, пучков

Указатель8®-

Количество граней

Указатель®■

СПИСОК ОБЪЕКТОВ

Номер объекта UULI Номер объекта

-и Указатель я Указатель

список ПУЧКОВ

Т N

О и

Р м И

0 0 0

Т N

О и

р М 1

список ГРАНЕЙ

PI Р2 P3

COLOR

ODD

PI j P2 P3

COLOR

СПИСОК ТОЧЕК

X Y Z с о L О R

□ □ □

X Y z С О L О R

ОПИСАНИЕ ПУКА

TAIL

COLOR

□ □□

TAIL

COLOR

Рис. 2.

Иерархическая структура графического описания модели позволяет легко выполнять операции редактирования и преобразования, а также организовывать библиотеки пространственных объектов. Для унификации операций поворота вокруг координатных осей следует

ПРОСТР.СЦЕНА

Количество объектов

Указатель0•

ОПИСАН.ОБЪЕКТА

Параметра

Указатель

Количество точек

Указатель®•

Количество пучков

Указатель1® ■

Количество граней

Указатель1*-

ВСПОМ. ТОЧКА

СПИСОК ОБЪЕКТОВ

Номер объекта

■ * Указатель

Набор

преобразований

□ 00

Номер объекта

в Указатель

Набор

преобразований

СПИСОК ТОЧЕК

X Y Z

COLOR

ООО

X Y Z

COLOR

список ПУЧКОВ

• T N

О и

р М

о □ о

т N У

о и

р м в

СПИСОК ГРАНЕЙ

PI Р2 РЗ

COLOR

ООО

PI Р2 РЗ

COLOR

ОПИСАНИЕ ПУЧКА

TAIL

COLOR

□ □□ tail

COLOR

X

z

Рис.3.

использовать алгоритм, К' = К;

■ ЗиссСК'} = ЗиссСКЭ-сояв +• Рг-есКЮ -зЫв; С12>

РгесКК'Э = РгеаКК) -сояв - ЯиссСК)

основанный на определении для множества декартовых координат функций предшествования Ргвс! и следования £Гиссг

Рг-ес1СХГ> - г

Рг-^ЫСП - X

ЯгесК2Э = У

SuccC.ro •» Г

5исеСУ> «= г

висесгз » л*

СЮ

В классическом варианте в качестве основного средства управления программой используется алфавитно-цифровая клавиатура. На ней выделяются клавиши указания напрвления перемещения сте-реомаркера, а также клавиши управления оболочкой программы.

Кроне выделенных клавиш для управления стереомаркером и оболочкой програнмы можно применять программу графического интерфейса пользователя СГИПЭ, который позволяет реализовать целый ряд преимуществ:

во-первых, унифицировать подачу на экран управляющей информации;

во-вторых, все управляющие воздействия выполнять с помощью однотипных операций пользователя с мытью;

в-третьих, в ГИП для мыии моделируются такие логические устройства, как кнопки, селектор, локатор, клавиатура;

в-четвертых, существенно упрощается и ускоряется процесс обучения работе с программой, поскольку восприятие новой информации происходит не на вербальном, а на образной уровне;

в-пятых, графическая информация воспринимается проще, чем текстовая;

в-шестих, что самое главное, внимание пользователя не отвлекается от экрана, следовательно устраняется необходимость адаптации зрения к разным способам зрительного восприятия.

Структуру графического интерфейса трехкоординатного- манипулятора СТКЮ определяют особенности ухе принятых подходов' к моделированию пространственных сиен. Разработаны четыре режина управления указателен стереомаркера:

- дискретность пространства моделирования определяет пошаговый режим, когда на каждой ваге, любая из координат стереомаркера изменяется на единицу;

- структура нижнего уровня графического описания модели

определяет поточечный режим, когда множество возножных-положений указателя стереомаркера совпадает с множеством точек пространственной сцены;

- выбор каркасной модели для описания пространственной сцены определяет третий режим управления стереомаркером - режим слежения. В режиме слежения при изменении одной из координат на некоторое значение Д значения двух других координат изменяются так. чтобы результирующая точка принадлежала вектору пространственной сцены; .

- то, что любая точка пространства описывается своими координатами задает режим конечной точки. В этом режиме пользователь непосредственно задает значения всех трех координат нового положения стеромаркера.

■ Непосредственное задание номера точки или координат конечной точки в режимах поточечного перемещения и конечной точки, соответственно, подразумевают применение клавиатуры. В ГИП эта Функция выполняется с помощью наборного поля - специального графического интерфейса, моделирующего клавнян. необходимые для ввода десятичных чисел.

Использование описанных выие средств графического интерфейса управления стереомаркером, а также традиционного иерархического экранного меню управления программой позволяет сократить стандартный набор И{гт диалоговых устройств, входящих в состав интерфейса пользователя

Ист ° f<A.n.R>. С15Э

где А - дисплея, Н - иишь, К - клавиатура до вида it± - JCA.tti. С165

Для более эффективного управления стереомаркером предлагается использовать механические манипуляторы в виде специальной функциональной клавиатуры или рычагов указательного типа двух видов: с поворотной и подвижной головками для управления движением по третьей координате.

Включение ТКН в систему ПЭВМ осуществлено через стандартные средства связи с вневними устройствами: порт параллельного интерфейса Centronics, порт последовательного интерфейса EIA-232-c или порт игрового адаптера СGAME adapter?.

Функциональная реализация драйвера ТКМ позволяет использовать последний в режиме эмуляции курсора мыпи и, следовательно, выполнять с его помощью все функции по управлению программой.

В третьей главе рассмотрены вопросы структурного и алгоритмического проектирования ядра стереографической системы. Изложены математические основы реализации специальных режимов управления стереомаркером. Предложена структура и алгоритмы генератора стереовекторов.

Выполнение функции "ЗАХВАТ" перемещает указатель стереомар— кера в ближайшую точку пространства моделирования, которая принадлежит одному иэ векторов пространственной сцены.

Пусть вектор САВЗ задан точками АСх¡у^^ и ВСхгУ2г2?. Указатель стереомаркера находится в точке 5Сх3у3я3>. Необходимо определить координаты точки О, для которой выполняются условия: Г<2 « САВЗ;

{ С17)

с/г « савз, (кз/ > юзп. Пусть точка О имеет координаты х,у,г, тогда длину отрезка <2=/<}5/

можно определить из равенства

2 2 2 2 Сх - х3> + Су - у3> ■♦•Си - я3> - а .

Исходя из условия С17Э можно записать, что

X - У - у 2-Я

С185

Уг ~ Vt

C19J

Расстояние от точки S<x3y3z3> до прямой, заданной двумя своими точками АСх^у^^ и ВСхгугг2>. определяется по форнуле:

2 ' 2 г СCx3-xt> • m-Cy3-y t> • 13 * CCy3-ytJ • п-Ся3~я^ • ml

d = -г-г-j-♦

l + m + n

—5-S-2~

I +• m + n

С20Э

где I = x2-xt; m = y2-y,,; n

Выразив переменные у и г через х С195 и подставив их и значение г

d из С20Э в уравнение С18Э можем решить его -относительно -х. Аналогично решается уравнение С18Э относительно переменных у и г. Результатом решения системы уравнений

У ~ Vi + -y Cx-XjJ;

г = Sj + -2.-Cx-x,J;

2 2 2 2 Cx-xj) + Су-у3.) + Cz-z3J » d

<21?

будут координаты точки О. лежащей на пересечении прямой CABJ и перпендикуляра к ней, проходящего через точку S. Если точка Q делит отрезок CAB3 в соотношении

К = S-. С225

QB

xi " x - У «1 " г

x ~ *г " V - J>2 " z - z2 ' *•• CZ3>

Если Л. > О * Q « fyJW. <24>

и точка Q есть искомая точка. Если асе Q в CAB], то искомой, т.е. ближайшей к точке S. является олна из конечных точек отрезка. Ближайшую из них определяем, сравнив результаты, полученные при подстановке координат этих точек в равенство С18Э.

Поиск вектора, содержащего точку, минимально удаленную от стереомаркера. выполняется перебором всех векторов, вычислением для каждого из них квадрата кратчайшего расстояния до указателя и выбором того ребра, для которого последний параметр минимален.

В режиме слежения координаты указателя стереомаркера после его перемещения определяются, как координаты точки пересечения текучего вектора и плоскости К - А', где К e iX.Y.Z>, ah' - новое значение координаты, которая изменялась при управлении указателем стереомаркера.

В случае' неоднозначности пути дальнейшего перемещения сте-реонаркера критерием выбора являются минимальный угол между направляющим вектором ребра и направляющим вектором управляющего воздействия. Предварительно отбрасываются ребра, образующие с

вектором управляющего воздействия угол больший чем 90*. Для оставшихся вычисляется квадрат косинуса вышеупомянутого угла. Выбор осуществляется по максимуну этого параметра. Возможен также ручной режим выбора, в котором пользователь может поочередно выделять каждый из векторов и указать на свой выбор.

В процессе вычисления координат точки, принадлежащей отрезку. при выполнении функции "ЗАХВАТ" присутствуют аддитивные методические погрешности. Первая составляющая этой погрешности возникает из-за различия методов построения экранных образов отдельной точки и точки, входящей в состав вектора Сно не концевой). Вторая составляющая возникает из-за необходимости округления вычисленных координат точки в дискретном пространстве моделирования. Последняя составляющая погрешности ножет быть уменьшена путем изменения способа вычисления координат стереопары точек. Что же касается первой составляющей погрешности, то представляется возможный лишь устранение видимого ее проявления методом подбора координат.

Недостатки средств отображения традиционной двумерной графики наиболее ярко проявляются при построении утолщенных и утол-

ценных прерывистых стереовекторов. На основе анализа этих недостатков и. учитывая требования к выполнению других операций, набор функциональных возможностей программного генератора стерео-векторов определен так:

15 разложение в растр стереопары векторов;

.25 управление толщиной линий изображения стереовектора;

32 формирование штриховых стереовекторов;

45 определение пространственных и экранных координат точки прстранственного вектора, ближайшей к заданной точке пространства моделирования;

55 реализация операции пространственного отсечения;

■ 65 определение пространственных и экранных координат указателя стеромаркера при его перемещении в режиме слежения.

Структура генератора стереовекторов приведена на рис.4 и 5.

Для разложения в растр стереопары векторов используем целочисленный алгоритм Брэзенхема для стереопар концевых точек. Управление толщиной линий стереовектора выполняется путем вывода на экран вместо каждого пиксела соответствующей ему матрицы пикселов, Ненужные операции по выводу накладывающихся эленентов изображения устраняются с помощью специального способа позиционного кодирования. Для Формирования штриховых стереовекторов используется специально создаваемый в памяти массив стереопар точек экранного образа стереовектора. Определение координат точки вектора .ближайшей к заданной точке пространства, выполняется с использованием методов уменьшения методической погреиности, нас-сива стереопар точек экранного образа и метода подбора. Пространственное отсечение векторов осуществляется на этапе отображения. Первичная идентификация вектороа выполняется по методу Коэна-Сазерленда. Пространственные координаты точки пересечения вектора с отсекателем определяются с помощью математического аппарата, используемого для реализации режима слежения, а отображение видимой части вектора происходит с помощью массива- стереопар точек экранного образа с заданием граничных элементов зоны видимости.

В четвертой главе описаны Функциональные возможности программы Стереографического Интерактивного Редактора ССИР5. раскрыты некоторые аспекты системного проектирования стереографических программ. Приведен краткий анализ возможностей практического применения стереографнки в прикладных областях.

"Генератор СТЕРЕОВЕКТОЮВ"

Рис. 4.

PROGRAM "PUTVEOTOR"

С НАЧАЛО >

I Д*

< КОНЕЦ >

"Ближайвая точка вектора"

С НАЧАЛО >

Р«аультат О, О <п)

< КОНЕЦ >

PROGRAM '•STEREOSCR''-гичисление. экранной

стереопары. PROGRAM "RA3TR" - разложение в растр

стереопари векторов. ' PROGRAM "FIT" - подбор ближайвей стереопари точек. RPOGRAM "SPATIAL" -вычисление пространственных координат по стереопаре.

Рис.5.

По своему общему функциональному назначению СИР является . инструментальной средой, которая предназначена для синтеза пространственних сцен и их стереоскопического отображения. Кроне того, СИР несет некоторые черти авторских систем Cauthoring systems) , позволяющие создавать автономный продукт в виде анимационного стереоскопического фильма.

Для хранения данных разработаны специальные форматы файлов:

- SDB - для структурированного хранения данных модели про-

странственной сцены;

- SDL — для хранения наборов данных об объектах-прототипах;

- GND - для хранения статических элементов изображения при

моделировании динамических сцен;

- SNR - для хранения сценария аннмационного стереофильма.

Обработка данных пространственной сцены включает в себя редактирование и видовое преобразование пространственной сцены. Операции редактирования заключаются во внесении каких-либо изменений в базу-данных. Операции преобразования применяются ко всей базе данных вцелом. Набор операций преобразования ограничен, в него включены лииь те функции, которые не требуют значительных затрат вренени • на вычисления. Операции преобразования носят вспомогательный характер.

Базовыми способами отображения являются: анаглифическое и оптическое разделение стереопар. Дополнительный способ отображения - динамическое перспективное проецирование.

СИР обеспечивает нирокие возможности по настройке параметров рабочей среды и выбору устройств управления программой. В програнме реализованы современные подходы к построению диалоговых графических систем.

Рассмотрена возможность использования новых технических средств: специальных мониторов, поставляемых в комплекте с эклипсныни очками, для управления которыми используется синхронизация с помощью ИК-лучей, и манипулятора типа трекбол, реализующего позиционный способ управления по трен координатам, для чего в его конструкцию определенным образом добавлено небольшое колесико.

Взаимодействие частей программы, обеспечивающих интерпретацию воздействий пользователя иа различные устройства управления, организовано через систему прерываний.

Рассмотрены несколько конкретных вариантов применения сте-

реографики в прикладных мультимедиа систенах. Одна из них -"Электронны!! планировщик операция" СЭЛ05 предназначена для использования в ортопедии. Работа ЭПО в части обработки, отображения и манипуляции данными базируется на принципах, изложенных в диссертации. ЭПО включает в себя модули планирования, контроля времени, оповещения и интерпретации заданного графика операции.

Любой этап смоделированной операции, равно как и весь план, можно проконтролировать путем интерпретации сетевого графика и воспроизведения запланированных действий на модели перелома.

Вторая система - "Электронный тренажер ортопеда"СЭТОЭ. ЭТО концентрирует в себе инструментальные средства СИР, средства планирования ЭПО, подход гипермедиа в организации текстовых и иллюстративных справочных материалов, что позволяет использовать в системе видеоролики реальных операций, анимационные стереографические фильмы и статические изображения наряду с текстовой информацией.

В заключении сфорнулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложении представлен документ, подтверждающий внедрение основных результатов'диссертационной работы, а также характе-тнки упоминаемых в работе устройств.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложены нетодн построения прикладных моделей пространственных сцен, позволяющие использовать графические данные об исследуемых объектах.

3. Предложены методы синтеза динамических моделей пространственных сцен, позволяющие значительно повысить эффективность отображения результатов пространственного моделирования.

3. Разработаны варианты реализации трехкоординатных манипуляторов указателем стереонаркера, улучшающих эргономические характеристики систем со стереоскопическим отображением.

4. Предложена структура графического интерфейса пользователя для программ со стереоскопическим отбражением, снижающего нагрузку на пользователя и обладающего гибкостью в выборе средств управления программой.

5. Проведен анализ и предложены способы уменьпения погрешностей моделирования пространственных сцен, позволяющие повысить

точность воспроизведения пространственной информации.

6. Разработана структура програмны генератора стереовекто-ров, позволяющая'использовать элементы стереографики в составе других программных продуктов.

Публикации по теме диссертационной работы.

1. Бартощук С.0. Интерфейс пользователя стереодисплея и его включение в состав графической системы моделирования сложных процессов Тез. докл. Всесоюзной конференции ''Маиематическое моделирование в энергетике". Киев, 1990.

2. Бартощук С.0. Интерфейс пользователя стереодисплея ss Гибридные вычислительные машины и комплексы.- Киев: Наукова думка, 1992. - Вып. 15.

3. Бартощук С.0. Система технической диагностики энергетического оборудования Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития и применения средств ВТ для моделирования автоматизированного исследования", Москва, 1991.

Подписано к печати 07,ig,.issz,r. Формат 60x64/16 Бумага офсетная Усл.-печ.лист.(,о. Уч.-изд.лист \,о. Тираж юо. Заказ I2.90Í - Бесплатно

Полиграф, уч-к .Института электродинамики АН Украины 252057, Киев-57, проспект Победа, 56.