автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение формирования окружающей обстановки тренажерных комплексов

004616161

На правах рукописи

КРАВЦОВ Александр Васильевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ОБСТАНОВКИ ТРЕНАЖЕРНЫХ

КОМПЛЕКСОВ

Специальность: 05.13.11 «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-2 пен 2010

Тула 2010

004616161

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» на кафедре «Робототехника и автоматизация производства».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ЛАРКИН Евгений Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ПАНАРИН Владимир Михайлович,

кандидат технических наук, доцент ИЛЬИН Роман Анатольевич

Ведущее предприятие: ОАО «Центральное конструкторское

бюро аппаратостроения», г.Тула

Защита состоится «17» декабря 2010 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.271.07 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г.Тула, пр.Ленина, 92) в аудитории 1-117.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г.Тула, прЛенина, 92).

Автореферат разослан «15» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Данилкин Ф.А.

ВВЕДЕНИЕ

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы, определены цель и предмет исследования, сформулированы задачи диссертации, дана общая характеристика работы и отмечены новизна и практическая ценность проведенных исследований.

Первый раздел работы посвящен анализу существующих достижений в области тренажеростроения.

Определено, что любой тренажер представляет собой физическую модель, подобную реальному объекту с заданной степенью точности. Особенностью тренажера является то, что при воздействии окружающих устройств и блоков на органы чувств, оператор получает визуальную, тактильную, звуковую и другую информацию, которая и создает иллюзию управления объектом.

Отмечено, что при разработке тренажера к нему предъявляются требования, диктуемые принципами системно-эргономического подхода, определяющего целевую функцию человеко-машинной системы, и на основе которого должна разрабатываться методологическая база и схемы практической реализации всех этапов решения задач моделирования объекта-прототипа, а также анализа и синтеза структур тренажера как программно-технического комплекса, предназначенного для подготовки человека-оператора.

Показано, что необходимая и достаточная точность и сложность математической модели объекта управления определяется целевой функцией человеко-машинной системы, которая состоит в следующем:

- обеспечение человеку-оператору адекватной информационной модели прототипа объекта управления;

- обеспечение возможности анализа информации и принятия решений;

- формирование и совершенствование у оператора профессиональных навыков и умений при заранее заданных отклонениях (смещениях) модели относительно моделируемого прототипа, то есть погрешности моделирования, обеспечивающих необходимую эффективность обучения.

Определен состав тренажера (рис. 1): рабочее место инструктора (РМИ), рабочее место оператора (РМО) и средство моделирования объекта (СМО). Инструктор (И) и оператор (О) могут взаимодействовать, так же, непосредственно, минуя технические средства тренажера.

И

О

Рис. 1. Типовая структура тренажера

Обозначена задача современного тренажеростроения, заключающаяся в разработке комплексов технических средств обучения, обеспечивающих все уровни подготовки: от индивидуальной до групповой.

Отмечается, что с развитием компьютерных технологий и технологий математического моделирования неотъемлемой частью построения тренажерных комплексов становится система визуализации, синтезирующая и отображающая виртуальную сцену на экране компьютера или других средствах наблюдения, а также динамическую модель поведения управляемого объекта. В работе выделены условия, которые должны бьггь реализованы в имитаторе визуальной обстановки:

- достаточно подробная виртуальная модель объектов, а также окружающей среды (небо, звезды, водная и земная поверхность и т.д.);

- хорошее качество визуализации, без ступенек на границах объектов, без исчезновения или мигания мелких деталей (антиалиасинг);

- работа в реальном режиме времени, то есть визуализация сцены со скоростью не менее 30 кадров в секунду;

- имитация погодных условий (дождь, снег, дымка, туман);

- имитация приборов и специальных средств наблюдения, а также реальных условий работы, включающих помехи, засветки, блики от оптических приборов и т.д.;

- синхронизация каналов, если их несколько, то есть качественная сшивка соседних изображений, формируемых разными компьютерами;

- доступность аппаратных средств для тренажеров широкого распространения.

Визуализация исследуемых процессов в работе производится при помощи специализированного программного обеспечения, в котором заложены математические модели процессов, реализован интерфейс для управления входными и выходными параметрами. Полученная информация интегрируется в соответствующий аппаратно-программный комплекс.

В работе подробно рассмотрен основной принцип построения тренажерных комплексов - многоканальность (временная синхронизация всех полей зрения в тренажерном комплексе). Выделены две схемы построения многоканальных систем визуализации: первая предполагает наличие одного центрального сервера получения и обработки входной информации и клиентов, предназначенных для формирования видеоизображения на основе полученных от сервера данных, а вторая основана на использовании нескольких серверных систем, каждая из которых состоит из одного сервера и нескольких клиентов. Отмечено главное достоинство последней схемы построения - возможность ее применения как в простых тренажерах, так и в сложных тренажерных комплексах.

Показана роль цифровых карт местности (ЦКМ) в моделировании трехмерных сцен. По ним формируются виртуальные модели местности и обстановки, проигрываются возможные ситуации боевых действий и отрабатываются необходимые решения. В общем виде ЦКМ представляет собой набор векторных объектов с семантикой, разделенных на слои. Каждый слой определяет функции, возложенные на объекты, которые он представляет. Так, объекты в слое «рельеф суши» представляют линии уровня рельефа; в слое «растительность» - площадь заполнения растительностью; в слое «населенные пункты» - места расположения зданий и сооружений; в слое «дорожная сеть» - набор дорог; в слое «дорожные сооружения» - набор мостов, дамб; в слое «гидросеть» - набор рек, озер. Таким образом, все объекты ЦКМ можно отнести к следующим типам: линейные, площадные, векторные и точечные.

Отмечается, что при синтезе изображений в тренажерах одним из важных условий является воспроизведение изображения, наблюдаемого оператором в режиме реального времени. Из этого следует реализация рационального сочетания точности воспроизведения образа с машинным временем, затрачиваемым на формирование изображения. Как правило, методики построения изображений должны обеспечивать перерасчет

изменяемой области сцены за время регенерации одного кадра. Это обстоятельство предопределяет применение экономичных способов описания образа сцены в системах отображения тренажеров. Одним из них является способ, основанный на разделении изображения сцены на «примитивы».

В работе под примитивом понимается часть пространства, ограниченная одной или несколькими поверхностями.

Примитивы задаются в виде:

(1)

где ^(х,у,г) = 0 -уравнение характеристической поверхности примитива.

Точки пространства х, у, г, удовлетворяющие неравенству, включенному в (1), считаются принадлежащими примитиву Я,; остальные точки пространства примитиву Я, не принадлежат. В системах отображения тренажеров в качестве поверхностей (х,у,г) = О, отделяющих примитивы от окружающего пространства, используются следующие поверхности: плоскость; тетраэдр; параллелепипед; тела, формируемые вращением образующих (цилиндр, конус); поверхности второго порядка (эллипсоид, параболоид, гиперболоид, седло, параболическая гипербола).

Особым примитивом является точка, представляющая собой вырожденный случай ряда других примитивов. Для описания точки А может бьггь использован следующий набор параметров:

Пр={яе>хл,ул,гА}, где яР - признак точки; хА,уА,гА -координаты точки А.

Треугольник является базовым примитивом, так как представляет часть плоскости и может формировать объекты различной сложности. Работу с ним поддерживает большинство систем аппаратной визуализации изображения. Треугольник представляет собой плоскость, ограниченную тремя линиями в той же плоскости, для описания которых требуется 9 параметров:

А = ПА={я&,хА,ул,2А,хв,ув,гв,хс,ус,гс}, (2)

где я"д - признак треугольника; А, В, С- вершины треугольника.

Второй раздел работы посвящен методике построения трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ.

Определены основные характеристики формируемого системой визуализации фотореалистичного изображения: детализация геометрии до уровня, при котором не различима полигональная структура моделируемого объекта; плотность текстурирования порядка 1 тексель — 1 пиксель; отображение различных визуальных эффектов (теней и полутеней), отражений и тонких цветовых градаций; освещение с учетом различных атмосферных эффектов.

Рассмотрена общая структура подсистемы создания трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ (рис. 2), описаны функции и предназначение ее основных составных частей. Также определена общая последовательность синтеза трехмерной модели окружающей обстановки.

Определена общая последовательность синтеза трехмерной модели окружающей обстановки. Первым и наиболее трудоемким этапом является построение трехмерной модели ландшафта с оптимальным количеством вершин.

Второй этап заключается в создании трехмерной модели системы водоемов с последующим ее встраиванием в модель рельефа.

На третьем этапе создается трехмерная модель дорожной сети и встраивается в модель рельефа.

На четвертом этапе производится размещение типовых статических объектов (деревья, здания, ЛЭП, и т.д.) согласно их положению на ЦКМ.

Пятым и заключительным этапом является текстурирование (задание текстурных координат для каждой вершины трехмерной модели) ландшафта в соответствии с типами поверхности.

Рис 2. Подсистема построения трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ Разработан алгоритм построения трехмерной модели рельефа по карте высот, представленной двумерным массивом размером каждый элемент которого несет информацию о высоте соответствующей точки. Предлагаемый алгоритм состоит из двух шагов.

Вначале из исходной матрицы высот с помощью соединения каждых четырех соседних ее элементов в два смежных треугольника формируется список треугольников, в результате чего образуется максимально детализованный трехмерный ландшафт. Этот шаг может быть пропущен в

случае, если входной информацией является не матрица высот, а трехмерный ландшафт высокой детализации.

Затем производится операция итерационного сокращения пар вершин (Ух,Уг) —> V , заключающаяся в перемещении вершин У2 в новую позицию

V (рис. 3). При этом происходит вырождение одной из вершин и грани, лежащей между ними. В результате каждой итерации упрощения исходной поверхности М„ (где и количество вершин поверхности) фактически будет образовываться новая поверхность с количеством вершин, меньшем на единицу, чем в предыдущей итерации. В результате последнего упрощения находится последовательность Мп,Мп_1,Мп_1..М .

Рис. 3. Сокращение пар вершин трехмерной поверхности

В каждой итерации производится поиск пары, у которой квадратичный показатель ошибки минимален. Если указанный показатель меньше заданного придела, то найденная пара вершин подлежит сокращению, в противном случае операция упрощения поверхности завершается. Квадратичный показатель ошибки в каждой вершине равен:

Д(е) = V1

. т I

(3)

где Кр - квадратичный показатель ошибки, представленный в виде матрицы:

-2 аЪ ас ас! Ь2

К = рр1 =

а аЬ

ас Ъс с' а<1 Ьё. ей

коэффициенты, описывающие трехмерную плоскость в

Ъс Ы -г ей сI2

(4)

где а,Ь,с,с1 пространстве.

Ошибка при сокращении пары вершин Уг рассчитывается по формуле:

где К1УК2 — квадратичные показатели ошибки вершин У2 соответственно. Определена зависимость для расчета координат новой вершины V как:

v =сг

где О имеет вид:

*п

9а О

9а Чи

О

О О

0

1

Ча <7н ?зз О

«14

?24 ?Э4 1

где ^ - соответствующий элемент из матрицы К = К1+К1.

Разработан алгоритм построения трехмерной модели гидросети, основанный на методе аппроксимации контуров с использованием квадратичного показателя ошибки; он выполняется в три этапа.

На первом этапе производится аппроксимация исходного контура Кт с целью сокращения временных затрат на последующею обработку. Данная операция основана на итерационном сокращении пар вершин (УпУ2)—>У (рис. 4).

V, V

-__у2

Рис. 4. Сокращение пар вершин контура

В каждой итерации производится поиск пары, у которой квадратичный показатель ошибки минимален. Если указанный показатель меньше заданного предела, то найденная пара вершин подлежит сокращению, в противном случае операция упрощения контура завершается. Квадратичный показатель ошибки рассчитывается по формуле

+ е„

(7)

где е^, еъ — ранее рассчитанные ошибки вершин Ух, У2 соответственно, О -сумма квадратов расстояний между вершиной V и прямыми, проходящими через исходные вершины Ух, У2-

Определена зависимость для расчета координат новой вершины v как: .

_ к2 +к-м-ь-я

Ху= Тр

к2-р-я

где к, n. ь, я, р рассчитываются по формулам

к = а, -вх-м\ +а2 -в2 ■ м\ + аъ-вг ■ м],

-с, -м; +а2-с2 ■м2 +а} -с3-м\,

ь = -м\ +а1 ■с2-м22 +а, ■съ ■м\, я = -в] • Л/,2 + в\ • м\ + Д2 • М2, Р = -Л,2 • М2 + 4 • м22 + л2 • м2.

На втором этапе построения трехмерной модели гидросети осуществляется триангуляция полученного контура Кг, где g - количество точек контура. Была выбрана триангуляция Делоне с ограничениями. При ее использовании либо добавляются некоторые дополнительные точки в триангуляцию (чтобы выполнялось условие Делоне), либо условие Делоне игнорируется вдоль исходных отрезков-ограничений.

Третий этап построения заключается в совмещении полученной модели гидросети и модели местности. При этом можно наблюдать различные артефакты, являющиеся следствием несовпадения полигонов. Данный эффект устраняется путем удаления полигонов модели местности, пересекающихся с моделью поверхности водоема, и последующей триангуляции возникших свободных зон путем построения триангуляции Делоне с ограничениями.

Предложен алгоритм создания трехмерной модели дорожной сети, основанный на использовании квадратичного показателя ошибки.

Формирование трехмерной модели поверхности дороги осуществляется на базе имеющейся трехмерной модели местности, состоящей из набора вершин и полигонов, и векторной модели дороги, представляющей собой двумерный контур Кп, где и - количество точек контура, каждая их которых хранит свои географические координаты {х,у). Предлагаемый алгоритм выполняется в два этапа.

Первый этап заключается в создании трехмерной модели поверхности дороги. Из входного двумерного контура кп формируется трехмерный контур К[, каждая вершина У„ которого имеет трехмерные координаты (х, у, г). Далее для построения трехмерной модели дороги с минимальным количеством вершин и полигонов при допустимом уровне детализации производится

аппроксимация трехмерного контура К\. Данная операция основана на итерационном сокращении пар вершин (Ум,У^2) -» У (рис. 5).

В каждой итерации производится поиск пары, у которой квадратичный показатель ошибки минимален. Если указанный показатель меньше заданного предела, то найденная пара вершин подлежит сокращению, в противном случае операция упрощения контура завершается. Квадратичный показатель ошибки рассчитывается по формуле (9)

е +е

2 +В, (9)

где г»м,еУи1 - ранее рассчитанные ошибки вершин ум, ум соответственно,

£> — сумма квадратов расстояний между вершиной v и прямыми, проходящими через исходные вершины Ум, Уи2.

Определена зависимость для расчета координат новой точки v , при которых квадратичный показатель ошибки минимален:

'X -- З^Е-ГУР^ + с^+Г^+СЛ)

У = р(а£-с2)+г(а/+6с)

а/2+62я + с2(/-ас/я+26с/ , (10)

__ +сс!)+ р(а/ + Ьс) + г(аё-Ь2) р~ af2+b2g+c2d-adg+2bcf где а, Ъ, с, 4 / р, г, 5 рассчитываются как

П--1+2. . "21?, ч п=1*2

а = 2^{п1+т2к\ 6 = 2Х(«Л), с = 2^{пк1к\

к=1 к= I к=1

= 2 + / = 2 £("*"*), я = 2 +/2),

*=ч к=1 к=1

р=2 Е^л** + г=2 + пкщУк - {т1 + ч К),

л=1+2, . . .

51=2 И г К2++»»Лл + пк1кгк),

кт

Второй этап заключается в удалении полигонов трехмерной модели местности, пересекающихся с полигонами трехмерной модели поверхности дороги и триангуляции полученных свободных зон.

Третий раздел работы посвящен методике формирования трехмерного изображения окружающей обстановки по заранее созданной модели. Описаны аспекты отображения рельефа, статических и динамических объектов, предложены алгоритмы создания визуальных эффектов основанных на системах частиц.

Предложена общая структура подсистемы отображения трехмерных объектов (рис. 6), где:

Рис. 6. Подсистема отображения трехмерных объектов - модуль хранения трехмерных сеток для всех объектов, загруженных в сцене, предназначен для централизованного доступа к трехмерным сеткам и для предотвращения загрузки одинаковых частей сеток разными объектами;

- модуль хранения материалов и текстур всех объектов предназначен для хранения материалов и текстур обеспечивает централизованный доступ к различным частям материалов;

- модуль отображения рельефа обеспечивает отображение трехмерной модели рельефа, включает алгоритмы определения видимости его секций;

- модуль отображения статических объектов предназначен для отображения статических объектов, соединения нескольких статических объектов в единую трехмерную сетку;

- модуль отображения динамических объектов предназначен для отображения динамических объектов, управления трансформациями различных частей объектов посредством каналов управления.

Разработан обобщенный метод определения видимости объектов трехмерной сцены в трехмерном пространстве. Для определения видимости задается обрамляющий бокс, координаты которого определяются как

■^яес ' Утт ' ^тт ' ^тш ' Утт ' ^тах ' ^тах ' ' ^тах > ^"тах ' Утт ' ^тш '

"^тш ' Утах ' > У тах ' ^тах ' ^"тах ' Ушах ? ^ тах > тах ' Утах1 ^ти ^

где дг^п, /тш, - минимальные координаты объекта, хтах> -

максимальные координаты объекта.

Таким образом, определение видимости объекта сводится к рассмотрению двух случаев взаимного расположения пирамиды видимости, определенной плоскостями отсечения и ограничивающего бокса В5ес. В первом случае объект помечается как видимый, если хотя бы одна из вершин бокса Вжс лежит внутри области видимости. Следовательно, видимость объекта определяется видимостью конкретной точки р с координатами ¥р, 2Р, точка является видимой, если выполняются следующие условия

Агхр+вг¥р+сггр+ А>0,

где А/, Вь Си А - коэффициенты, определяющие расположение левой плоскости отсечения в трехмерном пространстве.

Аг-Хр+В,-Гр+Сг-2р+Ог> О,

где А» В г, С„ А• - коэффициенты, определяющие расположение правой плоскости отсечения в трехмерном пространстве.

Аг-хр+в,-гр+с1-гр + Цк о,

где А„ Вь С,, Д - коэффициенты, определяющие расположение верхней плоскости отсечения в трехмерном пространстве.

Аь-Хр + Вь-¥р+Сь-гр+Вь>0,

где Ак Вь, Сь, А - коэффициенты, определяющие расположение нижней плоскости отсечения в трехмерном пространстве.

А/-хр+в/-¥р+сггр+в/*о,

где А/, В/, С/, О/ - коэффициенты, определяющие расположение дальней плоскости отсечения в трехмерном пространстве.

A„-Xp+Bn-Yp+Cn.Zp + Dn> 0.

где A„, Ba C„, Dn — коэффициенты, определяющие расположение ближней плоскости отсечения в трехмерном пространстве.

Во втором случае объект помечается как видимый, если усеченная пирамида видимости пересекает бокс Вж. При этом проводится обобщенный анализ расположения ребер бокса Вхс и пирамиды видимости. Следовательно, определение видимости сводится к определению расположения прямой, заданной точками pi и р2 с координатами Хь У,, Zt и Х2, У2, Z2 соответственно, относительно пирамиды видимости. Таким образом объект является видимым, если для всех ребер бокса Bsec выполняется хотя бы одно из условий

ArX. + B^Y.+CrZ. + D, >0 П Ar-Xt + Br-Yt+Cr-Z, + Dr>0, ArX2^BrY2+CrZ2 + D,> О П Ar-X2+Br-Y2+Cr-Z2+Dr> 0, ArX1 + BrYl+Cl-Zl + D, <0 П Ar-X2 + Br-Y2+Cr-Z2+Dr<0, ArX2+BrY2+CrZ2+Dt< 0 П Ar-Xl+Br-Yl+Cr-Zl+Dr< 0, Л + Bb -У, +C4 -Z, + Db £ 0 Г) A,-X, +BC -Г, +C, -Zj + D, > 0, A„-X2+Bb-Y2+Cb-Z2+Db^ 0 П A1-X2+Bt-Y2+Cl-Z2 + Dl >0, Ab-X1+Bb-Yl+Cb-Zl+Db< 0 П ArX2+BrY2+C,-Z2+Dl< 0, Ab-X2+Bb-Y2+Cb-Z2+Db< 0 П ^-A'I+5l-ri+Ct.ZI+Z?f <0, A^X.+B^Y.+C^Z.+D^ 0 П +

4. +Bn-Y2+C„-Z2 + Dn>0 П Af ■ Хг+ B} -Y2+ Cf ■ Z2+ Df >0, An-Xx+Bn-Yx+Cn-Z,+Dn< 0 П ^/-X2 + S/-F2+C/-Z2 + D/<0, An-X2 + Bn-Y2+Cn-Z2 + D„< 0 П zi/-X,+B/-ri+C/-Z1+D/<0.

Разработан метод текстурирования рельефа, основанный на применении непрерывных и повторяющихся текстур. При нанесении изображения учитываются два уравнения fi(to,x,y) и /¡(t^x.y), определяющие закономерность изменения цвета соответственно в непрерывной и повторяющейся текстурах в зависимости от текстурных координат. На основе этого, цвет рельефа в точке с текстурными координатами х,у определяют как

ffoj'.fo.fi.'i-O = Ф(Л(h>У), f2,x, j'), f2(t2,x,y),...f2(tn,x, j0) , (11) где Ф — функция смешивания цветов, п - количество смешиваемых текстур.

Для достижения большей реалистичности используется одна непрерывная и четыре повторяющихся текстуры: t0 - непрерывная текстура, li - текстура земли, t2 - текстура травы, t3 — текстура камней (скальная), t4 -текстура песка. Функцию смешивания цветов можно представить в виде:

^(с0,с,,с2,...с„) = к0 ■ с0 + к, - с, + к2 • с, +... + к„ ■ с„, (12)

где ко, ki,..k„ - коэффициенты смешивания цветов при ', и —

/=0

количество смешиваемых цветов.

Конечная зависимость цвета рельефа от входных текстур и текстурных координат выглядит как:

<2Р(дг, у, t0, f, ...i„) = /, (/„, jc, у) • k0+f2 (/, ,x,y)-k, + ... + f2 (i„ ,x,y)- k„), (13)

Коэффициенты смешивания цветов ко, kh..k„ равно как геометрия рельефа являются входной информацией для отображения рельефа и могут задаваться несколькими способами. В работе выбран способ задания коэффициентов смешивания через дополнительную текстуру. Используя все компоненты цвета (R, G, В, А), можно передать до четырех коэффициентов смешивания цветов (количество коэффициентов продиктовано выбором четырех повторяющихся текстур).

Также предложена математическая модель освещения ландшафта, основанная на аппроксимации естественного освещения и определяемая зависимостью вида:

I{s,e) = I0Fa{s) + Ii«(s>9), (14)

где /0 - цвет объекта, s - расстояние от камеры до объекта, в - угол между направлениями облучения и рассеяния

J ( в) = М0)+Ри{0)Е и _

lb7T

л (ЙЛ- 1 /? 0-g)2

/vw-T-Pu 7-;-

4л- + ^ -Igcosej

где PR - коэффициент Релея, Рм — коэффициент Ми, g - эксцентриситет фазовой функции, Esm - интенсивность солнечного излучения.

Четвертый раздел работы посвящен вопросам алгоритмической и программной реализации системы визуализации в рамках разработанных методик. С целью апробации предложенного математического обеспечения, оценки его функциональных возможностей и формирования вывода о возможности применения подобных методик в современных тренажерных комплексах было разработано тестовое программное обеспечение.

Тестовое ПО состоит из двух основных частей: программных продуктов «Landscape» и «Sovis». Первый служит для создания трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ и сохранения построенной модели во внутреннем формате. Второй предназначен для отображения ранее построенной трехмерной модели окружающей обстановки посредствам машинной графики.

Описаны функции и назначение основных модулей программного обеспечения. Рассмотрены вопросы, связанные с реализацией разработанных методик.

Оценено время генерации трехмерной модели окружающей обстановки, сформированы изображения фоноцелевой обстановки в режиме реального времени.

Произведено сравнение созданной системы визуализации с имеющимися аналогами по временным параметрам, затрачиваемым аппаратным ресурсам, качеству и фотореалистичности изображений.

Среди преимуществ разработанного ПО по сравнению с аналогами выделены: хорошая проработка рельефа, расширенный объектный состав трехмерной сцены, более детальное отображение лесов, улучшенная имитация дорожной сети.

Среди недостатков разработанного ПО отмечены: отсутствие детальной реализации травяного покрова (имитируется с помощью текстуры), плохая проработка придомовых территорий.

Перечисленные недостатки не являются критичными для процесса обучения работе на тренажере и устраняются доработкой программного обеспечения на основе разработанных методов построения и отображения основных типов объектов сцены.

Разработанная методика создания программного обеспечения формирования окружающей обстановки была успешно использована автором при выполнении опытно-конструкторских работ по проектированию тренажерных комплексов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Определены две составляющие системы визуализации: подсистема создания трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ и подсистема отображения трехмерных объектов.

2. 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.

3. Решена задача построения трехмерной модели рельефа с помощью квадратичного показателя ошибки с минимальным количеством примитивов при заданной точности.

4. Разработан алгоритм размещения объектов на полученной модели рельефа, основанный на операции встраивания произвольного многоугольника в трехмерную поверхность.

5. Предложены алгоритмы создания трехмерных моделей гидросети и дорожной сети с применением квадратичного показателя ошибки и алгоритма размещения объектов на полученной модели рельефа.

6. Решена задача размещения сторонних трехмерных объектов на

полученной модели рельефа.

7. Разработана методика отображения рельефа, статических и динамических объектов путем преобразования трехмерных моделей в изображение окружающей обстановки на мониторе обучаемого, позволяющая минимизировать вычислительную сложность алгоритмов и учитывающая особенности аппаратной базы вычислительной техники.

8. Рассмотрены методы определения видимости частей (секций) рельефа, статических и динамических объектов.

9. Предложен способ построения траекторий движения воздушных и наземных целей, максимально приближенных к возможностям движения реальных объектов.

10. Сформированы модели освещения для объектов трехмерной сцены, основанные на применении коэффициентов рассеяния Релея и Ми.

11. Разработаны математические модели визуальных эффектов, основанных на системах частиц.

12. Реализовано программное обеспечение с применением разработанных методик построения и отображения трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ, позволяющее повысить качество изображения, предоставляемого обучаемому.

13. Результаты работы апробированы при выполнении опытно-конструкторских работ на ОАО «Тулаточмаш» и при разработке коммерческих программных продуктов, формирующих трехмерное изображение виртуальных сцен в ООО «Девелопер Софт».

Публикации по теме диссертации

1. Зайчиков И.В., Кравцов A.B. Принципы моделирования визуальной обстановки в тренажерных системах // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. Вып. 7. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - С. 37-40.

2. Кравцов A.B. Аппроксимация естественного освещения в вычислительных системах // Вестник ТулГУ. Серия: Вычислительная техника. Вып. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 47-55.

3. Кравцов A.B. Аппроксимация контуров с использованием квадратичного показателя ошибки // XXVI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2008. - С. 36-39.

4. Кравцов A.B. Аппроксимация трехмерных поверхностей с использованием квадратичного критерия // XXVI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2008. - С. 33-36.

5. Кравцов A.B. Многоканальные системы визуализации // Материалы Всероссийской НТК «Интеллект 2009». - Тула: ТулГУ, 2009. - С. 97.

6. Кравцов A.B. Обзор математических моделей освещения при построении трехмерных сцен II Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып.3,2010. - С. 278-284.

7. Кравцов A.B. Построение трехмерного ландшафта по цифровой матрице высот с использованием квадратичного показателя ошибки //

% Vo

Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22: Сборник трудов XXII Международной научной конференции. Том 2. - Псков: ПГПИ, 2009. - С. 77-80.

8. Кравцов A.B. Построение трехмерной модели поверхности дороги по цифровой векторной карте // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. Вып. 7. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - С. 78-83.

9. Кравцов A.B. Применение ROAM алгоритма для построения трехмерного ландшафта по цифровой матрице высот // II магистерская научно-техническая конференция: Тезисы докладов. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 97.

10. Кравцов A.B. Проблемы создания фотореалистичного отображения виртуальной окружающей среды в динамических тренажерах военной техники // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. Вып. 6. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. - С. 60-63.

11. Пинин Д.В., Кравцов A.B. Классификация виртуальных транспортных средств по степени взаимодействия с моделируемой средой // XXVII научная сессия, посвященная Дню радио и 150-летию со дня рождения A.C. Попова: Сборник научных статей. — Тула, 2009. — С. 145—149.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 12.11.2010. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 037

Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ДОСТИЖЕНИЙ В ОБЛАСТИ ТРЕНАЖЕРОСТРОЕНИЯ.

1.1 Введение.

1.2 Тренажеры как информационные системы.

1.2.1 Тренажер как модель реального объекта.

1.2.2 Общая структура и классификация тренажеров.

1.3 Система визуализации как неотъемлемая часть построения тренажерных комплексов.

1.3.1 Имитация окружающей обстановки.

1.3.2 Тенденции развития систем визуализации.

1.3.3 Многоканальные системы визуализации.

1.3.4 Использование цифровых карт местности для моделирования окружающей обстановки.

1.3.5 Формирование изображения трехмерной сцены из графических примитивов.

1.4 Выводы.

2 МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ ОКРУЖАЮЩЕЙ ОБСТАНОВКИ ПО ЦИФРОВОЙ КАРТЕ МЕСТНОСТИ.

2.1 Введение.

2.2 Построение трехмерной модели рельефа

2.3 Построение трехмерной модели гидросети.

2.4 Построение трехмерной модели дорожной сети.

2.5 Построение трехмерной модели наземных объектов.

2.6 Выводы.

3 МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ОБСТАНОВКИ.

3.1 Введение.

3.2 Отображение трехмерной модели рельефа.

3.3 Отображение статических объектов.

3.4 Отображение динамических объектов.

3.5 Математическая модель освещения.

3.5.1 Математическая модель освещения для отображения статических и динамических объектов.

3.5.2 Математическая модель освещения для отображения трехмерной модели ландшафта.

3.6 Формирование визуальных эффектов.

3.7 Выводы.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ СОЗДАНИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

4.1 Введение.

4.2 Реализация построения трехмерной модели окружающей обстановки по цифровой карте местности.

4.2.1 Реализация построения трехмерной модели рельефа

4.2.2 Реализация построения трехмерной модели гидросети.

4.2.3 Реализация построения трехмерной модели дорожной сети.

4.2.4 Реализация построения трехмерной модели наземных объектов.

4.3 Реализация отображения трехмерной модели окружающей обстановки.

4.3.1 Реализация отображения трехмерной модели рельефа.

4.3.2 Реализация отображения статических объектов.

4.3.3 Реализация отображения динамических объектов.

4.3.4 Реализация модели освещения.

4.3.5 Реализация визуальных эффектов.

4.4 Сравнение и комплексная работа.

4.5 Выводы.

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 разработке математических моделей, алгоритмов и программных средств автоматического моделирования виртуальной сцены по цифровой карте местности и алгоритмов визуализации полученных данных с целью повышения качества изображения, предоставляемого обучаемому, и уменьшения аппаратных затрат на его формирование.

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, определение методов отображения основных объектов трехмерной сцены.

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 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.

13. Результаты работы апробированы при выполнении опытно-конструкторских работ на ОАО «Тулаточмаш» и при разработке коммерческих программных продуктов, формирующих трехмерное изображение виртуальных сцен в ООО «Девелопер Софт».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом по работе можно сделать следующие выводы:

1. Определены две составляющие системы визуализации: подсистема создания трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ и подсистема отображения трехмерных объектов.

2. 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.

3. Решена задача построения трехмерной модели рельефа с помощью квадратичного показателя ошибки с минимальным количеством примитивов при заданной точности.

4. Разработан алгоритм размещения объектов на полученной модели рельефа, основанный на операции встраивания произвольного многоугольника в трехмерную поверхность.

5. Предложены алгоритмы создания трехмерных моделей гидросети и дорожной сети с применением квадратичного показателя ошибки и алгоритма размещения объектов на полученной модели рельефа.

6. Решена задача размещения сторонних трехмерных объектов на полученной модели рельефа.

7. Разработана методика отображения рельефа, статических и динамических объектов путем преобразования трехмерных моделей в изображение окружающей обстановки на мониторе обучаемого, позволяющая минимизировать вычислительную сложность алгоритмов и учитывающая особенности аппаратной базы вычислительной техники.

8. Рассмотрены методы определения видимости частей (секций) рельефа, статических и динамических объектов.

9. Предложен способ построения траекторий движения воздушных и наземных целей, максимально приближенных к возможностям движения реальных объектов.

10. Сформированы модели освещения для объектов трехмерной сцены, основанные на применении коэффициентов рассеяния Релея и Ми.

11. Разработаны математические модели визуальных эффектов, основанных на системах частиц.

12. Реализовано программное обеспечение с применением разработанных методик построения и отображения трехмерной модели окружающей обстановки по ЦКМ, позволяющее повысить качество изображения, предоставляемого обучаемому.

1. Аммерал JI. Машинная графика на персональном компьютере. — М.: СолСистем, 1992. 230 с.

2. Андреев В.Ю., Базлов А.Ф. Моделирование боевых действий в тактическом тренажере // Сборник научных трудов. — Тверь: НИИ ЦПС, 2004. -с. 104-109

3. Андреев В.Ю., Новиков И.В., Шорин А.Б. Автоматизированный сценарий тренировки в тактическом тренажере // Программные продукты и системы. -2009.-№1-с. 113-116

4. Андриянов A.B., Шпак И.И. Цифровая обработка информации в измерительных приборах и системах. Минск: Вышэйшая школа, 1987. — 176 с.

5. Аоки М. Введение в методы оптимизации: Пер. с англ. — М.: Наука, 1977.-344 с.

6. Бабенко B.C. Имитаторы визуальной обстановки тренажерных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978. — 142 с.

7. Боднер В.А., Закиров P.A., Смирнова Н.И. Авиационные тренажеры. -М.: Машиностроение, 1978. 192 с.

8. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977. - 239 с.

9. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений / Под ред. Т.С. Хуанга: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1984. — 224 с.

10. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирование. — М.: Высшая школа, 1984. 440 с.

11. Гольберг JLM. Цифровая обработка сигналов. — М.: Радио и связь, 1990.-325 с.

12. Дикарев В.А., Бростилов А.Н. Методологические подходы к моделированию тактического фона в авиационных тренажерах // Вестник Академии военных наук. 2007. - № 4 - с. 22-29

13. Елыков H.A., Белаго И.В., Кузиковский С.А., Некрасов Ю.Ю. Методы непрерывной детализации террэйна // Материалы 12-й Международной Конференции по компьютерной графике и машинному зрению «ГрафиКон'2002». Н.-Новгород, 2002.

14. Жималинов С.В, Терещук С.П. Пилотажно-навигационные и комплексные тренажеры.- Иркутск: ИВВАИУ, 1990. 488 с.

15. Жуков В.Т., Сербенюк С.Н., Тикунов B.C. Математико-картографическое моделирование в географии. — М.: Мысль, 1980. 224 с.

16. Загляднов И.Ю., Касаткин В.Н. Построение изображений на экране персональной ЭВМ. Киев: Техника, 1990. - 116 с.

17. Зайцев B.C. Системный анализ операторской деятельности. М.: Радио и связь, 1990. - 120 с.

18. Зайчиков И.В., Кравцов A.B. Принципы моделирования визуальной обстановки в тренажерных системах // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. Вып. 7. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. — с. 37-40.

19. Зарубин B.C. Математическое моделирование в технике. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - 496 с.

20. Зигель А., Вольф Дж. Модели группового поведения в системе «человек-машина»: Пер. с англ. М.: Мир, 1973. - 304 с.

21. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 256 с.

22. Иванов А.Ю., Полковников С.П., Ходасевич Г.Б. Военно-технические основы построения и математическое моделирование перспективных средств икомплексов автоматизации. СПб.: ВАС, 1997. - 419 с.

23. Иванов В.П., Батраков A.C. Трехмерная компьютерная графика. — М.: Радио и связь, 1995. 224 с.

24. Катыс Г.П., Катыс П.Г. Трехмерное отображение визуальной информации в виртуальном пространстве: Учебное пособие. М.: МИРЭА, 1998.-78 с.

25. Катыс Г.П. Обработка визуальной информации. — М.: Машиностроение, 1990. 320 с.

26. Ковалев A.M., Талныкин Э.А. Машинный синтез визуальной обстановки // Автометрия. 1984. - № 4 — с.67-76

27. Копанев A.A. Информационное и техническое обеспечение тренажерных комплексов. СПб.: СПГУВК, 1998. — 138 с.

28. Кочубиевский И.Д. и др. Динамическое моделирование и испытания технических систем. М.: Энергия, 1978. - 302 с.

29. Кравцов A.B. Аппроксимация естественного освещения в вычислительных системах // Вестник ТулГУ. Серия: Вычислительная техника. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - с. 47-55.

30. Кравцов A.B. Аппроксимация контуров с использованием квадратичного показателя ошибки // XXVI Научная сессия, посвященная Дню радио. Тула: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2008. - с. 36-39.

31. Кравцов A.B. Аппроксимация трехмерных поверхностей с использованием квадратичного показателя ошибки // XXVI Научная сессия, посвященная Дню радио. Тула: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2008. - с. 33-36.

32. Кравцов A.B. Многоканальные системы визуализации // Материалы Всероссийской НТК «Интеллект 2009». — Тула: ТулГУ, 2009. — с. 97.

33. Кравцов A.B. Обзор математических моделей освещения при построении трехмерных сцен // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып.З, 2010. — с. 278-284.

34. Кравцов A.B. Построение трехмерного ландшафта по цифровой матрице высот с использованием квадратичного показателя ошибки //

35. Математические методы в технике и технологиях ММТТ-22: Сборник трудов XXII Международной научной конференции. Том 2. - Псков: 111'ПИ, 2009. — с. 77-80.

36. Кравцов A.B. Построение трехмерной модели поверхности дороги по цифровой векторной карте // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. Вып. 7. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. — с. 78-83.

37. Кравцов A.B. Применение ROAM алгоритма для построения трехмерного ландшафта по цифровой матрице высот // II магистерская научно-техническая конференция: Тезисы докладов. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. — с. 97.

38. Кравцов A.B. Проблемы создания фотореалистичного отображения виртуальной окружающей среды в динамических тренажерах военной техники // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. Вып. 6. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. с. 60-63.

39. Краснощекое П.С., Петров A.A. Принципы построения моделей. — М.: ФАЗИС, 2000.-412 с.

40. Красовский A.A. Основы теории авиационных тренажеров. — М.: Машиностроение, 1995. 304 с.

41. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы. М.: Мир, 1975.-312 с.

42. Кузнецов А. В., Сакович В. А., Холод Н. И. Высшая математика: Математическое программирование. — Мн.: Выш. шк., 2001. — 351 с.

43. Курочкин С.А. Об одном подходе к разработке тренажеров наземных комплексов // Приборы и управление. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. — с. 41-47.

44. Курочкин С.А., Ларкин Е.В. Моделирование движения наземного объекта в тренажере // Проблемы специального машиностроения. Вып. 6. Т.2. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. с. 190-197.

45. Курочкин С.А., Пушкин A.B. Создание моделей объектов при проектировании тренажеров // Проблемы специального машиностроения: Вып. 6. Т.2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. - с. 188-190.

46. Ламот А. Программирование трехмерных игр для Windows. Советыпрофессионала по трехмерной графике и растеризации: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2006. 1424 с.

47. Ларкин Е.В., Первак И.Е. Отображение графической информации. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2000. 109 с.

48. Ласло М. Вычислительная геометрия и компьютерная графика на С++: Пер. с англ. М.: БИНОМ, 1997. - 304 с.

49. Линник В.Г. Построение геоинформационных систем в физической географии. М.: Изд-во МГУ, 1990. - 80 с.

50. Литвак И.И., Ломов Б.Ф., Соловейчик И.Е. Основы построения аппаратуры отображения в автоматизированных системах. — М.: Советское радио, 1975. 353 с.

51. Литвинцева Л.В. Виртуальная реальность — новый шаг в технологии человеко-машинного взаимодействия // Теория и системы управления. — 1995. — № 5 с. 173-183

52. Ломов Б.Ф., Васильев A.A., Офицеров В.В., Рубахин В.Ф. Военная инженерная психология. М.: Воениздат, 1970. - 400 с.

53. Майдельман И .Я., Ревенко В.Н., Саркисян Б.Г. Отображение информации в автоматизированных системах управления. М.: Советское радио, 1972.-296 с.

54. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. — М.: Радио и связь, 1988.-230 с.

55. Мамросенко К.А. Имитационно-тренажерные и обучающие распределенные системы // Программные продукты и системы. — 2008. — №3 — с. 32-35

56. Масанов А.Н. Принципы и методы проектирования информационного обмена имитаторов тренажерных комплексов // Вестник компьютерных и информационных технологий. — 2005. — №12 с. 21-25

57. Масанов А.Н. Технологии проектирования цифровой модели местности для тренажеров наземного транспорта // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2006. - №11 - с. 3-7

58. Мельник A.A. Тренажеры для обучения водителей. — Киев: Техника, 1973.- 140 с.

59. Михайлюк М.В. Компьютерная графика в системах визуализации имитационно-тренажерных комплексов // Программные продукты и системы. — 2003.-№3-с. 7-15

60. Михайлюк М.В. Компьютерные системы визуализации в технологии виртуальной реальности // Программные продукты и системы. — 1995. — №4 с. 8-12

61. Никулин Е.А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 560 с.

62. Очин Е.Ф. Вычислительные системы обработки изображений. — JL: Энергоатомиздат, 1989. — 132 с.

63. Подчуфаров Ю.Б. Физико-математическое моделирование систем управления и комплексов / Под ред. А.Г.Шипунова. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2002. — 168 с.

64. Поляков А. Ю., Брусенцев В. А. Программирование графики: GDI+ и DirectX. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 368 с.

65. Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия: Введение: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. -237 с.

66. Привалов А.Н., Милысо И.В. Построение программного обеспечения комплексов автоматизации управления войсками и оружием на основе унифицированных программных модулей // Научно-технический сборник ТАИИ. Вып. 20. Тула: ТАИИ, 2003. - с. 54-68.

67. Присняков В.Ф., Присняков Л.М. Математическое моделирование переработки информации оператором человеко-машинных систем. — М.: Машиностроение, 1990. -247 с.

68. Программирование шейдеров на HLSL Электронный ресурс. — Режим доступа: http://vAvw.gamedev.ru/code/articles/HLSL.

69. Роджерс Д., Адаме Д., Математические основы машинной графики: Пер. с англ. М.: Мир, 2001. - 604 с.

70. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. — СПб.: Питер, 2003. 608 с.

71. Сиваков И. Как компьютер рассчитывает изображения. Технологии программного рендеринга. Часть 1. Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.fcenter.ru/online.shtml7articles/hardware/videos/8749.

72. Сиваков И. Как компьютер рассчитывает изображения. Технологии программного рендеринга. Часть 2. Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.fcenter.ru/online.shtml7articles/hardware/videos/8924.

73. Сигал И. X., Иванова И. П. Введение в прикладное дискретное программирование. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 240 с.

74. Скворцов A.B. Алгоритмы построения триангуляции с ограничениями // Вычислительные методы и программирование. Том 3. М.: Изд-во МГУ, 2002. - с. 82-92.

75. Скворцов A.B. Построение объединения, пересечения и разности произвольных многоугольников в среднем за линейное время с помощью триангуляции // Вычислительные методы и программирование. Том 3. — М.: Изд-во МГУ, 2002. с. 116-123.

76. Скворцов A.B. Триангуляция Делоне и ее применение. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. 128 с.

77. Снук Г. Создание ЗО-ландшафтов в реальном времени с использование С++ и DirectX 9: Пер. с англ. М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2006. - 368 с.

78. Таран В А. Эргатические системы управления. — М.: Машиностроение, 1976.- 188 с.

79. Фрейдзон И.Р., Филиппов Л.Г. Математические модели в судовых обучающих комплексах. — Л.: Судостроение, 1972. — 350 с.

80. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. — М.:

81. Финансы и статистика, 1998. -288 с.

82. Шорин А.Б., Новиков И.В. Варианты взаимодействия рабочих мест тактического тренажера // Программные продукты и системы. — 2009. — №1 — с. 109-111.

83. Шукшунов В.Е., Циблиев В.В., Потоцкий С.И. и др. Тренажерные комплексы и тренажеры. Технологии разработки и опыт эксплуатации. — М.: Машиностроение, 2005. — 384 с.

84. Шукшунов В.Е., Бакулов Ю.А., Григоренко В.Н. и др. Тренажерные системы. М.: Машиностроение, 1981. — 256 с.

85. Юань Ф. Программирование графики для Windows: Пер. с англ. — СПб.: Питер, 2002. 1072 с.

86. Dalmau D.S.-C. Core techniques and algorithms in game programming. — Indianapolis, IN: New Riders Publishing, 2003. 888 p.

87. Duchaineau A., Wolinsky M. and others. ROAMing Terrain: Real-time Optimally Adapting Meshes // IEEE Visualization'97 Conference Proceedings. -1997.-p. 81-88.

88. Garland M., Heckbert P. Surface simplification using quadric error metric // ACM SIGGRAPH' 97 Conference Proceedings. 1997. - p. 209-216.

89. Hoffman N., Mitchell K. J. Photorealistic Terrain Lighting in Real Time // Game Developer. 2001. - №7. - p. 32-41.

90. Hoppe H. New quadric metric for simplifying meshes with appearance attributes // IEEE Visualization'99 Conference Proceedings. 1999. - p. 59-66.

91. Hoppe H. Smooth view-dependent level-of-detail control and its application to terrain rendering // IEEE Visualization'98 Conference Proceedings. — 1998. p. 3542.

92. Johnson C., Hansen C. The visualization handbook. — Orlando, FL: Academic Press Inc, 2004. 984 p.

93. Leiterman J. Learn vertex and pixel shader programming with DirectX 9. -Piano, TX: Wordware Publishing Inc., 2004. 289 p.

94. Lengyel E. Mathematics for 3D game programming and computer graphics.

95. Second edition. Hingham, MA: Charles River Media, 2004. - 551 p.

96. Levkowitz H. Color theory and modeling for computer graphics, visualization, and multimedia applications. Norwell, MA: Kluwer Academic Publishers, 1997.-219 p.

97. Nguyen D., Enright D., Fedkiw R. Simulation and animation of fire and other natural phenomena in the visual effects industry // Western States Section. Combustion Institute. Fall Meeting // University of California, 2003.

98. Polack T. Focus on 3D terrain programming. — Cincinnati, OH: Premier Press, 2003.-222 p.

99. Preetham A. J. A Practical Analytic Model for Daylight // M.Sc. thesis, Department of Computer Science // University of Utah, 1999.

100. Ronfard R., Rossignac J. Full-range approximation of triangulated polyhedra. // Computer Graphics Forum. Aug. 1996. - № 15(3).

101. Schneider P., Eberly D. Geometric tools for computer graphics. San Francisco, С A: Morgan Kaufmann Publishers, 2003. - 1009 p.

102. Skinner M. Shadows Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.gamedev.net/reference/articles/articlel300.asp ,

103. Walsh J. Normal Computations for Heightfield Lighting Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.gamedev.net/reference/articles/article2264.asp

104. Velho L., Gomes J., Figueiredo L. Implicit objects in computer graphics. — New York, NY: Springer-Verlag Inc, 2002. 208 p.