автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование перемещения аватара в пространстве и его взаимодействия с объектами виртуальной среды

На правах рукописи

005013151)

Ситалов Дмитрии Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ АВАТАРА В ПРОСТРАНСТВЕ И ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОБЪЕКТАМИ ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЫ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 МАР 20¡2

Новочеркасск - 2012

005013150

Работа выполнена на кафедре «Программное обеспечение вычислительной техник*] ФГЪОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» (Новочерка ский политехнический институт)» и в ООО «Центр тренажеростроения и подготовки перс* нала» (г. Москва).

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Гринченков Дмитрий Валерьевич

Официальные оппоненты Гайджуров Петр Павлович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный

технический университет» (Новочеркасский

политехнический институт)»,

профессор кафедры «Сопротивление материалов,

строительная и прикладная механика»

Наумов Борис Александрович,

кандидат технических наук, доцент,

ФГБУ «Научно-исследовательский институт

Центра подготовки космонавтов имени Ю А. Гагарина»,

ведущий научный сотрудник

Ведущая организация Научно-исследовательский институт многопроцессорных

вычислительных систем имени академика A.B. Каляева федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

Защита диссертации состоится «20» апреля 2012 г. в 10 часов на заседании диссертс ционного совета Д 212.304.02 при ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный те нический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 34642 г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, (гл. корпус, ауд. 149)

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке «Южн Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнич ского института)». С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ (НП www.npi-tu.ru

Автореферат разослан «07» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /

канд. тех. наук, профессор / Иванченко А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для обеспечения высокого уровня профессиональной подго-жи операторов, управляющих сложными наземными, воздушными и морскими объекта, успешно используются тренажеры и тренажерные комплексы, в которых в максимально иной мере воспроизводятся условия реальной деятельности этих операторов. Наряду с [лномасштабными (натурными) тренажерами, которые строятся на базе использования на бочих местах операторов физических макетов управляемого оборудования, широкое при-нение находят компьютерные тренажеры, в которых ограничиваются схемной визуализа-ей приборного оборудования; при этом программно моделируется динамика протекающих оцессов и логика функционирования управляемых оператором систем. В связи с отсут-зием реального оборудования компьютерные тренажеры значительно дешевле, однако в лу того, что окружающая среда в них не воспроизводится, уровень адекватности условий ятельности оператора в таких тренажерах существенно ниже.

Последние годы все более широкое применение при создании средств подготовки ераторов находят технологии виртуальной реальности. В системе виртуальной реальности ВР) органы управления и другие объекты окружающей среды тоже моделируются в соот-гствии с воспроизводимой ситуацией путем геометрического моделирования каждого объ-та сцены. Таким образом, применение СВР в тренажеростроении позволяет достигать до-аточно высокого уровня подобия воспроизводимого процесса управления при меньших за-атах на имитацию оборудования рабочего места оператора.

Однако в настоящее время при использовании СВР не предусматривается визуальное исутствие человека-оператора в виртуальной среде. Изменение положения органов управ-ния и перемещение объектов виртуальной среды производится условным воздействием на которые активные зоны экрана. Следовательно, и в этом случае имеет место условность толнения действий, связанных с тем, как взаимодействует человек с объектами виртуаль-й среды. Для повышения адекватности процесса моделирования управляемого оператором ъекта становится актуальной задача непосредственного помещения человека (аватара) в фтуальную среду.

В зависимости от характера процесса обучения и отрабатываемых на тренажере задач оратор должен иметь возможность либо наблюдать себя в виртуальной среде «со сторо-I», либо видеть свои руки, когда он осуществляет воздействие на какой-либо объект вирту-1ыюй среды. Одной из важнейших задач, которые решаются на базе тренажеров, является гработка взаимодействия нескольких членов экипажа при выполнении комплексных задач тпример, при ликвидации аварийной ситуации). В этом случае обучаемый оператор долен видеть аватаров (виртуальные копии других членов экипажа), которые совместно с обу-емым участвуют в выполнении упражнения.

Следует отметить, что аналогичная задача моделирования действий аватара в услови-изменяющейся виртуальной среды успешно решается в компьютерных играх. Однако при спользовании модели человека в тренажерах возникают принципиальные трудности, свя-нные с высоким уровнем неопределенности тех действий, которые должен будет осуще-вить обучаемый в следующий момент времени с учетом моделируемой ситуации (ситуа-ию задает и может постоянно изменять инструктор). Хотя и в игровых комплексах в реаль-ом масштабе времени моделируется не полностью определенный процесс, тем не менее, сю совокупность возможных действий пользователя обычно удается свести к ограниченно-у набору типовых операций, которые формируются заранее и заносятся в библиотеку рагментов действий, а в процессе игры производится выбор и «склеивание» соответствую-их фрагментов.

В тренажерах не всегда удается свести множество действий оператора к ограничен-ому набору. Например, если требуется включить определенный тумблер в некоторой зоне

пульта, а исходное положение аватара заранее не определено, то существует бесконеч множество траекторий перемещения пальца аватара из исходного положения к задан! точке пульта. Поэтому возникает задача разработки и программной реализации в реалы масштабе времени алгоритмов координированного перемещения человека в виртуалы среде при заданном начальном и конечном положении частей его тела.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы повыше] эффективности и качества профессиональной подготовки специалистов путем осущесп ния компьютерного моделирования действий операторов современных тренаж моделирующих комплексов (ТМК), построенных с использованием технологий виртуалы реальности. Общие подходы к проектированию тренажеров и повышению качества обуче! персонала на тренажерах отражены в работах Шукшунова В.Е., Потоцкого С.И., Цибл ваВ.В., Безрукова Г.В., ДушенкоА.Г., ЖукаЕ.И., Зубова Н.Е., Макарова A.M., Hayi ва Б.А., Фоменко В.В., Кобзева В.В., Шилова К.Ю., Бобровича В.Ю., Алтунина В.К.

Диссертационная работа соответствует перспективным планам Центра тренаже строения и задачам обеспечения Федеральной космической программы России на 2006-21 годы. Работа выполнена в рамках утвержденных в ЮРГТУ(НПИ) научных направле! «Проблемы автоматизации и обработки информации в тренажерах, информационных и о чающих комплексах» и «Интеллектуальные тренажно-обучающие комплексы, тренаже системы виртуальной реальности, виртуальные лаборатории - основа инновационных об зовательных программ в технических университетах».

Целью диссертационной работы является разработка, исследование и реализа: математических моделей движения оператора в виртуальной среде моделируемого объек которым управляет обучаемый оператор, позволяющие увеличить эффективность обуче! персонала за счет воспроизведения непосредственного воздействия аватара на орган упр ления и обеспечения возможности проведения комплексных упражнений группой опера ров.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие новные задачи исследования:

- анализ существующих методов и средств моделирования аватара в СВР;

- построение математической модели аватара, учитывающей специфику ее при нения в составе тренажера;

- разработка модели перемещения аватара в виртуальном мире тренажера с испо зованием технологий компьютерной анимации персонажа;

- разработка математической модели движения аватара в зоне оперативного п странства в штатных и экстремальных ситуациях;

- реализация численных методов оптимизации движения при моделировании пе мещения аватара в зоне оперативного пространства;

- построение комплекса программных средств, обеспечивающего моделирован ситуации, в которой человек выполняет операции по управлению сложным динамическ объектом;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований эффективное применения модели аватара в составе тренажера: а) оценка временных характеристик раз ботанной математической модели движения руки аватара к целевой точке в процессе pei ния практической задачи, связанной с управлением сложным объектом; б) проведение эк периментального исследования, связанного со структурой геометрической модели аватара;

- оценка адекватности разработанных моделей перемещения аватара в виртуальн мире тренажера и движения в оперативном пространстве.

Методы исследований и достоверность результатов. В работе использованы мет ды математического и компьютерного моделирования, компьютерной графики, линейн

ебры, стереометрии, аналитической геометрии, вычислительной математики, робототех-и и теоретической механики. Достоверность научных результатов и выводов подтвер-ется непротиворечивостью теоретических положений, корректным использованием ма-атического аппарата матричных преобразований, линейной алгебры, теории вероятной и методов оптимизации. Обоснованность принятых допущений и достоверность пред-енных моделей подтверждается результатами практической реализации разработанных елей.

Объектом исследования является представление деятельности человека в виртуаль-среде при его перемещении и взаимодействии с оборудованием управляемого объекта.

Предметом исследования являются математические модели перемещения аватара в туапьном мире тренажера и движения в зоне оперативного пространства, численные ме-ы их описывающие.

Научная новизна. Основные научные результаты, содержащиеся в диссертации:

- разработана общая концепция построения и структура системы моделирования ствий аватаров в виртуальном пространстве, отличительной особенностью которой являя комбинированное использование заранее подготовленных анимаций перемещения тела тара в виртуальном мире тренажера и генерации движения руки аватара в зоне оператив-о пространства в реальном масштабе времени;

- математическая модель скелета аватара как многозвенного комплекса, позволяю-имитировать действия оператора при управлении технической системой, особенностью -

орой является обеспечение возможности изменения структуры скелета руки аватара в ре-ном масштабе времени, что позволяет значительно упростить решение задачи подведения : и аватара в целевую точку;

- новый метод решения задачи моделирования движения аватара в области опера-ного пространства как задачи оптимального перемещения руки аватара в целевую точку действия на объект виртуального мира, основанный на допустимых траекториях движе-

я элементов скелета руки аватара; ' "

- экспериментальное исследование моделей движения аватара в оперативном про-анстве, подтвердившее эффективность разработанной модели аватара на основе допусти- л IX траекторий движения элементов руки;

- численные методы программной реализации предложенных моделей, позволяющие еальном масштабе времени воспроизводить в виртуальном пространстве действия челове-по управлению техническими объектами. На основе этого сформированы рекомендации к строению геометрической модели аватара.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Общая концепция построения системы моделирования действий аватаров в вирту-ьном мире тренажера.

2. Оптимизационная модель движения аватара в зоне оперативного пространства и сленный метод ее реализации, учитывающие ограничения на движения элементов руки атара и допустимые траектории перемещения ее элементов.

3. Результаты моделирования и экспериментальных исследований, подтверждающие екватность разработанных моделей и эффективность предложенных алгоритмов переме-ения аватаров в виртуальном мире тренажера и движения в зоне оперативного простран-ва.

4. Комплекс программ, реализующих предложенные модели движения аватара в ртуальном мире тренажера.

Практическая ценность работы заключается в создании моделей и алгоритмов, еспечивающих возможность строить СВР, в которой воспроизводится работа виртуально-оборудования с имитацией действий одного или нескольких операторов, работающих в

виртуальной среде. Такие системы могут эффективно использоваться в тренажерах для готовки операторов к управлению сложными объектами. Возможности разработанного граммного обеспечения (ПО) позволяют построить траекторию перемещения аватара в данную точку виртуального пространства тренажера из произвольного начального поло ния, воспроизвести плавное движение аватара по вычисленной траектории, а также мод ровать взаимодействие аватара с заданным объектом виртуального мира.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использ ны в процессе создания стенда для отработки планируемых полетных операций на ос моделирования действий экипажа в виртуальной среде интерьера Международной косм ской станции (МКС) и транспортного корабля «Союз-ТМА» с применением технологий туальной реальности и в процессе разработки трехмерных моделей и виртуальных р водств в рамках эксперимента «ВИРУ». Разработанные математические модели и науч результаты работы также внедрены в учебный процесс ЮРГТУ (НПИ).

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результ докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

- седьмой международной научно-практической конференции «Пилотируемые леты в космос», 2007 г. (Звездный городок);

- научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) «Теория, методы проектир ния, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем» в 2 2009 и 2010 гг.;

- научно-технической конференции факультета информационных техноло ЮРГТУ (НПИ) по проблемам автоматизации обработки информации в информационны управляющих комплексах, 2009 г.;

- XIX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, по щенная 50-летию первого полета человека в космос, 2011 г. (ОАО «РКК «Энергия»).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась и обсуждалась ООО «Донской филиал Центра тренажеростроения» (г. Новочеркасск). Получено 2 а внедрения в комплексные ТМК и акт внедрения научных результатов в учебный проц ЮРГТУ (НПИ).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 науч работ, из них 3 в рекомендованных ВАК изданиях, получено 4 свидетельства о регистра программ для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заклю ния и трех приложений, изложена на 204 страницах и содержит: 5 таблиц, 100 рисунко список литературы, включающий 115 наименований.

Автор выражает благодарность к.т.н., проф. А.Н. Иванченко за ценные замечали помощь в оформлении диссертационной работы.

Особую благодарность и признательность автор выражает к.т.н., пр С.И. Потоцкому за руководство научными исследованиями, ценные рекомендации подготовке и оформлению диссертационной работы, а также помощь в становлении авт как ученого и специалиста в области тренажеростроения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель задачи, показаны научная новизна и практическая значимость работы. Представлены по жения, выносимые на защиту, апробация работы и структура диссертации.

В первой главе «Анализ методов моделирования аватара в системах виртуа ной реальности тренажеров» приводится анализ особенностей построения современн

нажных средств, в которых используются технологии виртуальной реальности. Показано, I одним из перспективных путей совершенствования тренажеров данного типа является делирование действий оператора и обеспечение возможности проведения комплексных >ажнений.

Вводятся понятия аватара, представляющего собой модель человека в виртуальном ре, и оперативного пространства аватара, являющегося аналогом зоны сервиса в теории эгозвенных манипуляторов, и определяющего точки пространства вблизи аватара, к кото-VI он может подвести руку без перемещения своего тела, выполняя движение только ру-

I.

Рассмотрены действия оператора в виртуальной среде тренажера, а также способы делирования этих действий. В диссертационной работе рассматривается два типа движе-г.

- определенные движения, представляющие собой ограниченное количество одно-шых движений, которые часто повторяются и ввиду этого их можно заранее подготовить ределить): линейное перемещение, разворот, приседание, пролет по станции;

- недоопределенные движения, которые чрезвычайно разнообразны и ввиду этого их анее подготовить нельзя: разворачивать голову в заданном направлении (множество фавлений взгляда), осуществлять нажатие кнопок на пультах управления и переключение 1блеров указательным пальцем правой руки (множество комбинаций взаимного положе-I аватара и целевой точки), осуществлять хватательные движения руками в зависимости габаритов объекта.

Рассматривая задачу моделирования действий аватара можно провести аналогию с шацией персонажей в компьютерных ЗЭ играх, где движения персонажа заранее извесг-, ограничены небольшим количеством возможных траекторий перемещения и ввиду этого лизуются посредством предварительной подготовки определенных (типовых) движений и создании персонажа в инструментальных комплексах трехмерного моделирования. В ютах Ф. Луна, Д. Адамса, Тютина В.В., Семакина М.М. рассматриваются вопросы анима-и трехмерных персонажей в области машинной графики и компьютерных, игр. Однако щу значительного многообразия движений оператора тренажера решение задачи модели-вания аватара с помощью воспроизведения ограниченного набора движений посредством мпьютерной анимации персонажей не представляется возможным.

Другой близкой областью является раздел робототехники - кинематика многозвен-IX манипуляторов, где движение руки-манипулятора рассчитывается в реальном масштабе емени с высочайшей точностью на основе решения уравнений движения системы звеньев нематической цепи манипулятора. К исследованиям в области кинематики многозвенных нипуляторов можно отнести работы Корендясева А.И., Саламандра Б.Л., Кобринско-А.Е., Веселовского В.В., Вукобратовича М., СтокичаД., Кирчански Н. Решение задачи делирования движения аватара на основе данного подхода является неэффективным ввиду юокой вычислительной сложности моделей движения, учитывающих ряд параметров, ко-рые не требуются для воспроизведения движения аватара в виртуальном мире тренажера стойчивость, моменты сил и др.).

Рассматриваются способы моделирования недоопределенных движений аватара, едставляющих собой задачу перемещения руки аватара в заданную (целевую) точку вир-ального пространства. Выполнен анализ возможности применения методов решения по-бных задач из смежных областей: моделирование персонажей в компьютерных играх а§Во11) и ЗО фильмах, движение руки робота-манипулятора, компьютерная анимация ехмерных моделей персонажей в инструментальных комплексах трехмерного моделирова-я с использованием методов инверсной кинематики. В результате анализа сделан вывод, о существующие методы, позволяющие получить решение задачи движения аватара в зоне

оперативного пространства, обладают рядом недостатков и, как следствие, применение методов является неэффективным. Поэтому актуальной является разработка нового мел реализации недоопределенных движений, основанного на геометрических параметрах р аватара без выполнения моделирования движения, построенного на физических законах реализующего оптимизацию движения и учитывающего особенности кинематики руки ч века.

Формулируется постановка задачи моделирования перемещения аватара в вирту ном мире тренажера и выделяются основные этапы ее решения, среди которых можно вь лить следующие: обеспечение возможности аватара перемещаться по сцене виртуалы мира тренажера и осуществлять руками управление оборудованием (выполнять опреде. ные и недоопределенные движения); достижение достаточной точности движений, кот( обеспечивала бы возможность сторонним наблюдателям видеть, какие именно действия полняет аватар (средний размер кнопки пульта управления 1 см); снижение потребное вычислительных ресурсах, что расширяет сферу применения модели аватара путем сни ния требований к аппаратному обеспечению тренажера; обеспечение достаточного уро детализации геометрической модели аватара; обеспечение плавности выполнения модел] емых движений; учет биомеханических особенностей строения тела человека, таких ограничения на поворот звеньев в суставах, нормальные и предельно допустимые скоро движения элементов тела аватара.

Во второй главе «Математические модели движения аватара в виртуальной ■ де тренажера» рассмотрена общая структура модели аватара, представляющая собой к бинацию компьютерной модели, которую оператор видит на экране, и математической дели, определяющей движение компьютерной модели. Модель аватара предлагается стро как систему, состоящую из двух компонентов: модель скелета, определяющая прост] ственное положение аватара на сцене и движение частей его тела, и наложенная на него метрическая модель поверхности тела (модель реальной формы соответствующей части т человека), представляющая собой кожу аватара (рис. 1). Связь геометрической и скелет моделей аватара осуществляется с применением технологии скелетной анимации (Skel Animation). Таким образом, движение участка поверхности тела аватара определяется по жением близлежащих элементов скелета, что соответствует биологическому строению т человека.

Предложен подход к реализации движений на основе построения модели аватара комбинированной системы, включающей как воспроизведение заранее подготовлен наборов анимаций для определенных движений оператора (передвижение по сцене вир ального мира), так и моделирование движения аватара в реальном времени для моделиро ния недоопределенных движений.

Построена классификация определенных движений аватара. На рис. 2 прямоуголь ками обозначены анимации соответствующих определенных движений, а овалами - сост ния модели аватара (в скобках указан порядковый номер анимации). Переход из одного стояния в другое осуществляется посредством воспроизведения заранее подготовлен анимации, что обозначено стрелками.

На схеме классификации движений выделено два стационарных состояния, в котор человек может находиться длительное время: стоять прямо без действия и сидеть на корт ках. Анимации всех движений строятся таким образом, чтобы они начинались и заканчи лись в одном из возможных стационарных состояний. Переход между данными двумя со яниями возможен только путем моделирования приседания, вставания из состояния присе и прыжка с воспроизведением соответствующих анимаций.

Шея

Правая ключица

Предплечье;

\ Предплечье левой руки

Плечо левой руки

правой руки Плечо правой руки.

Звенья

Левое бедро

Правая голень

Левая голень

Стопа правой ноги

Стопа левой ноги

Рис. 1 - Структура скелета аватара

Поворот влево стоя (10)

Перемещение вперед Перемещение вперед стоя (ходьба) (2) стоя (бег) (6)

Поворот вправо стоя (11)

Перемещение влево стоя (ходьба)(4)

Перемещение влево стоя (бег) (8)

•<J ^-Х-г

Стоять прямо без действия

Приседание (12)

Вставание из приседа (13)

3

Перемещение назад стоя (ходьба) (3)

Перемещение вправо стоя(ходьба)(5)

Перемещение вправо стоя (бег) (9)

#

Перемещение назад стоя (бег) (7)

Бездействие стоя (1)

Прыжок (21)

Перемещение вперед сидя на корточках (15)

Бездействие сидя на корточках (14)

Перемещение влево сидя на корточках (17)

НС

Сидеть на корточках -X-

Перемещение вправо сидя на корточках(18)

Поворот влево сидя на корточках (19)

Перемещение назад сидя на корточках (16)

Поворот вправо сидя на корточках (20)

Рис. 2 - Классификация определенных движений аватара

Разработанная модель движения руки аватара к целевой точке (выполнение недо-яределенного движения) включает в себя следующие этапы:

I 1. Решение обратной задачи, в ходе которого определяется конфигурация скелета ру-и аватара, соответствующая конечному положению руки, когда указательный палец подве-ен к целевой точке.

2. По известным начальной (текущей) яг' и конечной (вычисленной)

\)егк* = (яе{"£/конфигурациям скелета выполняется сферическая линейная интерполяция

(SLERP) кватернионов с изменяющимся параметром Л(/)е[0,1] для определения проме точных конфигураций Çf" =(q™'РУКИ аватара при движении к целевой точке ( количество элементов в скелете руки аватара). Параметр X{t) определяется на каждом та моделирования по формуле

KtXt-t^/T^,

где (/ - tum ) — время, прошедшее с начала движения руки к целевой точке; — общее е мя подведения руки аватара к целевой точке. SLERP выполняется по следующей формуле чТ№ = (яТ" sin[(l - + sin[^ jsmd, /= 1,...,«,

где в - угол вращения из начальной конфигурации 0"аг1 к конечной Çtnd.

Разработан алгоритм определения траектории движения руки аватара к целевой то в штатных и экстремальных ситуациях. Параметром, непосредственно влияющим на с рость движения элементов руки аватара, является время движения к целевой точке Тд представленное в формуле (1), которое определяется из соотноше Тдюж = тах{да,1 a>io!^, где Да, - угол вращения /-го звена скелета при движении руки г

тара к целевой точке; cotozp - ограничение угловой скорости движения /-го звена скелета,

торое выбирается исходя из моделируемой ситуации (штатная, экстремальная) и биомеха ческих параметров движения руки человека. В штатной ситуации параметр Т^иж выбирае таким, чтобы скорости движения элементов руки соответствовали номинальным параметр движения руки человека. В экстремальной ситуации выполняется моделирование мак мально быстрого движения руки к целевой точке, но с учетом ограничений предельно до стимых скоростей движения элементов руки человека.

Для моделирования движения с ускорением элементов руки предлагается исполь вать сферическую линейную интерполяцию с нелинейно изменяющимся параметром. Mo лирование движения с ускорением состоит из трех фаз: а) равноускоренное движение на тервале [f0,i,] - разгон из состояния покоя до ограничивающей скорости ojorp с углов ускорением еогр (при этом элемент за время А/, = /,-<„ поворачивается из начальной ори тации а0 на угол Да,); б) равномерное движение на интервале [f,,i2] со скоростью ыогр (э мент за время Д/2=/2-г, поворачивается на угол Да2); в) равнозамедленное движение интервале [/2,/3] - торможение со скорости ыа,р до нуля с замедлением минус еа,р(элем за время Д/3 = <3 - /2 поворачивается на угол Даг ). При этом изменение угла поворота э мента скелета производится по следующим законам движения:

«о +

a{t) = ■ а0 + Да, + co^t, при / е[/„/2),

а0 + Да, + Да2 +0o,pt-£„,/¡2, при t е[/2,/3].

Тогда параметр интерполяции определяется по формуле X(t) = (а(/)-а0)/Да.

Для уменьшения вычислительных затрат выполнено исследование методов преоб зования скелетной структуры руки модели аватара, содержащей 6 элементов в кинемати ской цепи от плеча к кончику указательного пальца. Упрощенная модель руки содержит элемента и построена на том допущении, что человек выполняет операции управления б движения элементов кисти, а все движение производится в суставах плеча, локтя и запяст Разработан математический аппарат преобразования параметров элементов скелета при п реходе от полной модели скелета руки аватара к упрощенной, (рис. 3), и наоборот.

Рис. 3 - Полная (слева) и упрощенная (справа) модель скелета руки аватара

Предложен новый метод решения обратной задачи моделирования движения аватара рименением математического аппарата геометрии и линейной алгебры, основанный на пустимых траекториях движения частей тела аватара. Исходными данными при решении ратной задачи моделирования аватара на основе данного подхода являются: положение тара и целевой точки С (хц,уг ) в виртуальном мире тренажера; параметры скелета тара (длины звеньев, допустимые углы вращения в суставах); диапазон допустимых правлений (вц,ф ) подведения руки к целевой точке (0Ц - отклонение кисти от нормали в

евой точке; <рц - направление отклонения кисти); ограничивающие параллелепипеды

П) частей тела аватара и объектов виртуального мира, с которыми обрабатываются столк-вения. В результате требуется определить обобщенные координаты дт д„р, д3 звеньев ки-матической цепи руки аватара (плеча, предплечья и запястья соответственно).

Задача определения параметров кинематической цепи руки аватара разделена на спеющие этапы:

1. Переход от полной модели скелета руки аватара к упрощенной.

2. Определение положения сустава запястья С3 (вч,<Рч) в конечном положении в зави-

мости от направления подведения руки к целевой точке. Для этого вычисляется матрица _ 1М преобразования из системы координат целевой точки в мировую систему координат: ,-д /в=/,яп^со5^; /„=/,соЦ; 1я=1,5тОц!>т<рц\ Сш(вч,<рч) = (1,х,1гу,1и)-Мцм. ■■>

3. Определение множества допустимых положений локтевого сустава Спр{хпр,упр,г„р) ешение задачи оптимизации положения локтевого сустава при действии аватара в опера-

вном пространстве. Для этого рассмотрим движение плеча независимо от предплечья («в рыве от предплечья»). Плечевое звено вращается в плечевом суставе, при этом локтевой став С„р описывает в пространстве сферу с центром в С„ радиусом /„ (рис. 4). Аналогич-предплечье вращается независимо от плеча в суставе запястья, при этом локтевой сустав р описывает в пространстве сферу Б„р с центром в С3 радиусом 1„р. Очевидно, что точки пе-сечения этих двух сфер 5„ и Б„р образуют множество возможных положений локтевого су-ава.

Таким образом, обратная задача сводится к задаче поиска точек пересечения двух ер, обозначенных 5„ и Б„р на рис. 4. Для упрощения вычислений введем новую систему ко-динат О'х'у'г' с центром в плечевом суставе и ориентированную таким образом, чтобы су-

ав запястья лежал на оси О 'х'. Тогда 5„: х2 + у2 + г2 = I2; 5/р: (х - сР? +у2 +г2 = . Ре-ение обратной задачи {х'„р,у'„р,г'пр) представляет собой окружность 5;>[,ш: у2 + г2 раса Япр = -х]р с центром в точке (х„р, 0, 0), заданную в системе координат О'х'у'г', жащую в плоскости (р, перпендикулярной оси О 'х' (рис. 4).

Вследствие того, что рука аватара обладает кинематической избыточностью, найден-е решение не единственно и представляет собой множество допустимых положений лок-

тевого сустава, из которых выбирается наиболее соответствующее реальному движению ловека путем решения оптимизационной задачи определения допустимой конфигура! скелета руки аватара.

Рис. 4 — Решение обратной задачи моделирования аватара на основе допустимых траекторий движения частей тела

4. Вычисление обобщенных координат д„, цпр и определяющих ориентацию зве ев кинематической цепи руки аватара в конечной конфигурации скелета руки аватара, полняется следующим образом:

а). По найденным положениям суставов скелета руки аватара определяются напр ления осей Ох всех элементов скелета руки аватара. Поскольку принята договоренность, ось Ох элемента скелета направлена вдоль элемента скелета, то оси Ох лежат на прямых, единяющих суставы руки аватара:

б). Направления осей Оу и Ог систем координат элементов скелета руки ават определяются таким образом, чтобы вращение ортов системы координат при движении начальной конфигурации скелета к конечной было минимальным. Это достигается пу применения процедуры ортогонализации Грамма-Шмидта:

\ /дач \\ /дач /

в). По ортам осей систем координат строятся матрицы преобразования из одной стемы координат в другую для всех элементов скелета руки аватара и кватернионы, явля щиеся обобщенными координатами элементов скелета.

5. Возврат от упрощенной модели скелета руки аватара к полной.

В третьей главе «Оптимизационная модель определения конечной конфигу ции руки аватара и численные методы ее реализации» предложен метод выбора одн из множества найденных допустимых положений локтевого сустава при движении аватар оперативном пространстве на основе решения задачи оптимизации с ограничивающи условиями, учитывающими допустимые движения элементов скелета в суставах. Оптими ционная задача решается во введенной ранее системе координат О 'х 'у 'г'. Переменными

етрами при оптимизации являются:

1. Положение локтевого сустава С*°" = {x'np,y\f,z\p)- Поскольку координата х'пр по-

янная, а пары (у'„р,г'„р^ лежат на окружности радиуса Rnp - ф* - х2пр , то возможные поения локтевого сустава описываются одной угловой координатой у е[0,2я] (рис. 5): = const ,у'пр = R„p sin у, z\p = Rrp cosy.

2. Направление подведения кисти к целевой точке (0ц,<рц).

В качестве целевой функции оптимизации предлагается использовать принцип ни-йшего локтя, применяемый в робототехнике при разработке антропоморфных манипуля-ов. Критерий оптимизации движения руки аватара на основе принципа нижайшего локтя ределяет такое конечное положение локтевого сустава QK0„, при котором расстояние от ктевого сустава до плоскости пола d минимально (рис. 5). При этом целевая функция име-следующий вид

/(у,вч,<рч) = \а ■ Х\р(вч,<рч) + в ■ ад.^ап/ + С ■ ад, fl,)cos у + d\ , Ñ = (А, В,С) - нормаль плоскости пола; D - расстояние от плоскости пола до начала ко-инат.

принципу нижайшего локтя

Ограничивающие условия делятся на три группы:

1. Для учета биомеханических параметров движения руки человека применены огра-чения, учитывающие максимальные углы вращения в суставах плеча, локтя и запястья, и этом необходимо для положения локтевого сустава, вычисленного на текущей итера-и, для каждого /-го элемента скелета руки определить обобщенные координаты и преобра-вать их в углы Эйлера а', а., а*, определяющие вращение элемента скелета вокруг осей , Оу, Ог родительского элемента соответственно. Тогда ограничения будут иметь вид

<а* <, а'"'",у <а? <а^у, а™*-' <а* <а™"-2. Преобразуя данные ограничения к

рме gi{y,вlí,(pч}>Ъ, удобной в численной реализации метода оптимизации, получим:

а {уА>Ъ)=< -«Г'г -0; о.

2. Ограничения на допустимые углы подведения кисти к целевой точке """ <0ц< ¿Г" и <р°"° <(рч< <р™* имеют следующий вид:

8в{вч)=вГ-в^0' (з)

Фч)=%-<р7Ф,)=<РГ

3. Ограничения, введенные для предотвращения коллизий (столкновений) элемен руки с другими частями тела аватара и с объектами виртуального мира тренажера, опр ляются как расстояние между ОП /'-го элемента руки (0/7,) и ближайшим ОП объекта трс жера или части тела аватара (ОП0ь.,)'.

g^e^lon^on^o.

Таким образом, постановка задачи оптимизации положения локтевого сустава, им следующий вид:

целевая функция min;

ограничивающие условия (2-5).

Аналитически показано, что в приведенной постановке задачи оптимизации целе функция имеет минимум, следовательно, поставленная задача имеет решение.

Рассмотрены численные методы решения задачи оптимизации положения локтев сустава: методы поиска (модифицированный метод Хука-Дживса, комплексный метод Б са), методы последовательной оптимизации (метод штрафных функций, метод барьер! поверхностей, метод SUMT Фиакко и Маккормика). На основе выполненного анализа п имуществ и недостатков вышеуказанных методов применительно к решению поставлен задачи оптимизации положения локтевого сустава при движении аватара в оперативном п странстве выбран метод оптимизации SUMT (Sequential Unconstrained Minimization Те nique) Фиакко и Маккормика, основанный на применении метода штрафных функций последовательности значений г, стремящейся к нулю, задач без ограничений следующ вида

<Р(х,г) = Дх) + l/g.(x)], при г 0, где = - функция штрафа; х = (у,0ч,<рц) - вектор параметров оптимизац

I

г - малая положительная величина.

Показано, что применение метода SUMT является наиболее предпочтительным, скольку он не накладывает требований на выпуклость допустимой области, что является щественным, поскольку область ограничений при решении задачи оптимизации положе локтевого сустава задается неявно и зависит от множества переменных факторов. М штрафных функций на этапе безусловной оптимизации позволяет использовать методы п мого поиска, что является значимым, поскольку целевая функция нетривиальна и ее диф ренцирование затруднено. Реализацию метода штрафных функций целесообразно строить методе безусловной оптимизации многомерной функции Хука-Дживса, поскольку он об дает хорошими параметрами сходимости и эффективен для широкого спектра функций.

Выполнено экспериментальное исследование временных характеристик численн методов решения задачи оптимизации положения локтевого сустава при движении аватар оперативном пространстве, результаты которого приведены в табл. 1.

Таблица 1 — Исследование методов оптимизации с условиями

Метод Погрешность, % Среднее количество итераций Среднее время работы, мс

Модифицированный метод Хука-Дживса 2,5 28 0,04

Штрафные функции 1,0 35 0,06

SUMT 0,1 53 0,1

Анализ результатов экспериментов показал, что использование метода SUMT Фиак

у(аккормика является предпочтительным, поскольку он обладает значительно большей Юностью при сравнимых временных затратах, сходится в 100 % случаев и гарантировано -яводит к получению решения, принадлежащего допустимой области, даже в случае преж-' ременного завершения работы метода.

I В четвертой главе «Разработка программного комплекса и реализация моделей жжения аватаров в виртуальной среде тренажера» приводятся результаты программ-1 реализации предложенных моделей, структура пакета прикладных программ, особенно-I применения разработанных программных компонентов в составе тренажера. Предложена уктура данных, описывающих элементы скелета аватара, содержащая необходимую ин-рмацию для реализации предложенных моделей движения. При проведении комплексных эажнений модели аватаров участников тренировки переносятся в распределенный мольный мир ТМК, что позволяет каждому участнику тренировки видеть в виртуальном ми-аватаров других участников упражнения. Рассмотрена структура разработанного пакета грамм, реализующих предложенные модели движения, указаны его ключевые особенно-5, рассмотрены вопросы внедрения программных компонентов моделирования аватара в [Ж.

Выполнено экспериментальное сравнение модели движения аватара в оперативном рстранстве, построенной на кинематике манипуляторов (реализованной с использованием йлиотеки моделирования физических процессов NVidia PhysX), и модели, основанной на устимых траекториях движения элементов скелета руки аватара, результаты которого иведены на рис. 6. Из данного рисунка видно, что наилучшие результаты показывает мо-[иь на основе допустимых траекторий движения частей тела аватара. На различных конфи-эациях оборудования модель, построенная на допустимых траекториях движения, работа-|в

Рис. 6 - Оценка времени вычисления траектории перемещения руки для различных моделей движения аватара в оперативном пространстве

Произведено экспериментальное исследование моделей движения аватара в тренаже. При выполнении недоопределенного движения руки аватара к целевой точке на интерва-времени [/„, 4] У исследуемых моделей движения аватара в оперативном пространстве блюдается снижение частоты кадров вывода изображения, вызванное вычислением траек-рии перемещения руки аватара (рис. 7). При использовании моделирования движения на нове модели Ла§Оо11 вычисление положения элементов руки выполняется в каждом такте делирования, поэтому применение данной модели движения вызывает падение частоты !дров на всем интервале времени движения руки, тогда как в двух других моделях движе-'я траектория перемещения руки вычисляется один раз в начале движения.

Снижение частоты кадров при работе моделей движения на основе кинематики мани-'ляторов и динамики составляет 6-7 кадров в секунду, тогда как для модели на ос-

ве допустимых траекторий движения снижение частоты кадров в 3 раза меньше и составит 2 кадра в секунду. На рис. 7 приведены результаты эксперимента при выполнении од-Ц аватаром движения одной рукой. В случае присутствия в виртуальном мире нескольких

1,5-2 раза быстрее.

Время, мс 1,5

Компьютер с поддержкой PhysX

Компьютер без поддержки PhysX

□ Модель на основе кинематики манипуляторов

@ Модель на основе допустимых траекторий движения

Компьютер среднего уровня

аватаров и при выполнении недоопределенных движений обеими руками, снижение чаете кадров еще более существенно. Таким образом, применение модели перемещения авата|. оперативном пространстве на основе допустимых траекторий движения является наибо эффективным.

Частота кадров, Гц

__tK_Время, с_

Рис. 7 - Частота вывода кадров при выполнении недоопределенного движения аватаро\

в оперативном пространстве

Выполнен ряд экспериментов по оценке временных характеристик предложена моделей, оценена производительность программных модулей при работе с геометрически моделями разной детализации. Анализ результатов экспериментов показал, что на соврем] ном оборудовании детализация геометрической модели аватара (количество вершин) п тически не влияет на время ее обработки. Выполнена экспериментальная оценка парамет» геометрической модели аватара в зависимости от количества сегментов вблизи суставов, ляющегося параметром качества геометрической модели.

В результате проведенных экспериментов расхождение верхней оценки вычислен я мгновенных угловых скоростей движения элементов руки аватара и их эксперименташ установленных предельно допустимых значений составило не более 0,1 %, что можно от| сти к погрешности вычислений.

Приведены варианты применения модели аватара в тренажере для моделирова! действий оператора и соответствующие им способы управления его движением. Для мо лирования присутствия в виртуальном мире реально не существующего участника тре ровки, разработан программный модуль задания движения аватара, реализующий управ ние на основе выполнения заранее подготовленной программы действий, представленно виде сценария на языке Lúa. Набор интерпретируемых команд включает в себя определ' ные движения аватара и команду движения руки к целевой точке (недоопределенные двш ния), моделирующую воздействие аватара на орган управления. Реализован алгоритм пои1 пути, позволяющий аватару, управляемому компьютерными средствами, осуществлять к ректное перемещение по сцене виртуального мира не пересекая непроходимые объекть' препятствия. Для этого в виртуальный мир тренажера вписывается граф перемещений. В шинами графа являются стационарные позиции аватара, в которых он может находиться состоянии покоя и выполнять движения в оперативном пространстве. Дуги графа предст ляют собой пути перемещения между стационарными позициями и строятся таким образ чтобы не пересекали непреодолимые препятствия. Траектория перемещения аватара сцене виртуального мира строится на основе решения задачи поиска пути на графе, реали: ванному по алгоритму Дейкстры.

Выполнен обзор преимуществ в обучении персонала, полученных в результате { пользования модели аватара в ТМК, ключевыми из которых являются следующие:

- достигается более высокая адекватность моделирования ситуации. Вместо усл. ного выполнения действия (например, нажатие кнопки) производится непосредственное в полнение данной операции рукой аватара;

- при моделировании взаимодействия аватара с предметами виртуального мира ажера существует возможность производить такие действия, как управление оборудова-

м (нажатие кнопок, переключение тумблеров), взятие предметов в руки и их перенос ример, перемещение огнетушителя);

- при моделировании ситуации с несколькими операторами, тренирующимися сов-тно на одном объекте, каждый из них видит в виртуальном мире образы других операто-

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Сформулирована общая концепция построения системы моделирования действий ратора тренажера, отличающаяся тем, что предусматривает не только моделирование

ействий оператора на органы управления, но и их непосредственное визуальное воспро-дение моделью аватара, что позволяет в значительной степени повысить адекватность елирования ситуации.

2. Предложенные модель аватара и алгоритмы его движения в виртуальном про-нстве тренажера отличаются тем, что реализуют комбинированное использование зара-подготовленных анимаций перемещения тела аватара в виртуальном пространстве и ге-ации движения руки аватара в требуемую точку в реальном масштабе времени, что поз-яет воспроизводить весь спектр действий оператора: перемещение в пространстве к рабо-зоне и взаимодействие с оборудованием.

3. Разработана и реализована оптимизационная модель движения аватара в опера-ном пространстве на основе допустимых траекторий движения элементов скелета руки ара, обладающая высоким быстродействием и отличающаяся тем, что при моделирова-перемещения руки аватара к целевой точке используются только геометрические пара-ы элементов тела аватара и на движения накладываются ограничения, основанные на

механических параметрах движения тела человека, что позволяет в реальном масштабе мени моделировать взаимодействие аватара с объектами тренажера, не требующая ис-ьзование специализированного оборудования.

4. Разработанные геометрическая модель аватара и комплекс программ отличаются изной и реализуют разработанные модели и алгоритмы движения, что позволяет модели-ать весь набор движений человека-оператора тренажера. Проведены комплексные экспе-енты по оценке эффективности разработанных алгоритмов моделирования перемещения тара, показавшие двукратное преимущество в скорости работы предложенной оптимиза-нной модели движения аватара в оперативном пространстве по сравнению с существую-ми решениями.

5. Опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в рекомендованных ВАК издани-получено 4 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

Публикации в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК

1. Ситалов, Д.С. Упрощенная модель руки для решения обратной задачи моделиро-ия аватара / Д.С. Ситалов // Изв. вузов. Северо-Кавк. регион. Техн. науки. - 2010. - № 6. -15-18.

2. Ситалов, Д.С. Проблемы моделирования действий оператора в современном тре-ере / Д.С. Ситалов // Программные продукты и системы. - 2010. - № 4 (92). - С. 137-140.

3. Ситалов, Д.С. Оптимизационная модель решения обратной задачи моделирования жения аватара в оперативном пространстве / Д.С. Ситалов // Программные продукты и

емы. -2011. -№3 (95).-С. 114-117.

Публикации в сборниках научных статей, трудов и материалов конференщ

4. Ситалов, Д.С. Проблемы построения сопряженной системы реального и вирту ного мира / С.И. Потоцкий, А.Г. Душенко, Д.С. Ситалов // Пилотируемые полеты в кос сб. тез. VII Междунар. науч.-практ. конф., Звездный городок, Моск. обл., 14-15 нояб. 200 ЦПК им. Ю.А. Гагарина. - Звездный городок, 2007. - С. 115-116.

5. Ситалов, Д.С. Постановка задачи моделирования аватара в виртуальном окр нии и этапы ее реализации / Д.С. Ситалов // Теория, методы проектирования, програм техническая платформа корпоративных информационных систем: материалы VI Между науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 26 мая 2008 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Н черкасск: ЮРГТУ, 2008. - С. 85-86.

6. Ситалов, Д.С. Моделирование скелета аватара / Д.С. Ситалов // Теория, мс проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных стем: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 26 мая 2008 г. / Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2008. - С. 86-95.

7. Ситалов, Д.С. Об опыте использования новых информационных технолог рамках УНИК ЮРГТУ (НПИ) / С.И. Потоцкий, Д.С. Ситалов, Е.Ю. Шашлова // Состоян перспективы развития университетских технопарков как механизмов интеграции вузовс сектора науки, образования и производства и как механизмов поддержки создания и р тия малых и средних инновационных предприятий: материалы науч. конф., г. Москва, окт. 2008 г. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. - С. 92-96.

8. Ситалов, Д.С. Варианты применения модели аватара. Проблемы решения об ной задачи при моделировании аватара / Д.С. Ситалов // Теория, методы проектирова программно-техническая платформа корпоративных информационных систем: матер VII Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 25 мая 2009 г. / Юж.-Рос. гос. техн. (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. - С. 167-170.

9. Ситалов, Д.С. Подход к решению обратной задачи при моделировании авата позиции динамики систем / Д.С. Ситалов // Теория, методы проектирования, програм техническая платформа корпоративных информационных систем: материалы VII Между науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 25 мая 2009 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Н черкасск: ЮРГТУ, 2009. - С. 170-173.

10. Ситалов, Д.С. Разработка структуры системы управления движением авата Д.С. Ситалов // Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа ко ративных информационных систем: материалы VIII Междунар. науч.-практ. ко г.Новочеркасск, июнь 2010 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮР 2010.-С. 54-59.

11. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011613005 «Модель ав ра» / Д.С. Ситалов. — Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 14.04.2011.

12. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011618253 «Программ модуль моделирования поведения аватара» / Д.С. Ситалов. - Зарегистрировано в рее программ для ЭВМ 19.10.2011.

13. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011618252 «Программ модуль моделирования определенных движений аватара» / Д.С. Ситалов. - Зарегистрир но в реестре программ для ЭВМ 19.10.2011.

14. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011618510 «Программ модуль моделирования недоопределенных движений аватара» / Д.С. Ситалов. - Зареги ровано в реестре программ для ЭВМ 31.10.2011.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: в [4] - оценка фективности построения сопряженной системы виртуальной реальности; [7] - стру мультимедийного комплекса для проведения лекций.

*****

Ситалов Дмитрий Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ АВАТАРА В ПРОСТРАНСТВЕ И ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОБЪЕКТАМИ ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЫ

Автореферат

Подписано в печать 27.02.2012 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризо графил. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,41. Тираж 100 экз. Заказ 48-4238.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 Тел., факс (863-52) 5-53-03

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ АВАТАРА В СИСТЕМАХ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ТРЕНАЖЕРОВ.

1.1 Анализ особенностей тренажеров, построенных с использованием технологий виртуальной реальности.

1.2 Анализ действий операторов в виртуальной среде тренажера.

1.3 Обзор методов и средств моделирования человека в системах виртуальной реальности.

1.4 Анализ методов моделирования недоопределенных движений аватара

1.5 Постановка задачи моделирования перемещения аватара в виртуальной среде тренажера.

1.6 Выводы по главе 1.

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ АВАТАРА В ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЕ ТРЕНАЖЕРА.

2.1 Разработка модели аватара как многозвенного комплекса.

2.2 Общая структура модели аватара.

2.3 Модель генерации определенных движений.

2.4 Модель формирования недоопределенных движений в штатных и экстремальных ситуациях.

2.5 Алгоритм определения конечной конфигурации руки при выполнении недоопределенного движения аватара.

2.6 Выводы по главе 2.

3 ОПТИМИЗАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЕЧНОЙ КОНФИГУРАЦИИ РУКИ АВАТАРА И ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ.

3.1 Решение задачи оптимизации положения руки аватара при выполнении недоопределенного движения.

3.2 Исследование сходимости задачи оптимизации положения руки аватара

3.3 Численные методы решения задачи оптимизации положения руки аватара.

3.4 Экспериментальное исследование временных характеристик методов численной реализации задачи оптимизации положения руки аватара.

3.5 Выводы по главе 3.

4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА И РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ АВАТАРОВ В ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЕ ТРЕНАЖЕРА.

4.1 Структура пакета прикладных программ, реализующего перемещение аватара в виртуальной среде тренажера.

4.2 Анализ эффективности реализации модели формирования недоопределенных движений.

4.3 Анализ способов построения геометрических моделей частей тела аватара в области суставов.

4.4 Имитация присутствия в виртуальной среде тренажера аватара реально несуществующего оператора.

4.5 Анализ результатов внедрения моделей движения аватара в моделирующий комплекс тренажера.

4.6 Выводы по главе 4.

Актуальность темы. Для обеспечения высокого уровня профессиональной подготовки операторов, управляющих сложными наземными, воздушными и морскими объектами, успешно используются тренажеры и тренажерные комплексы, в которых в максимально полной мере воспроизводятся условия реальной деятельности этих операторов. Наряду с полномасштабными (натурными) тренажерами, которые строятся на базе использования на рабочих местах операторов физических макетов управляемого оборудования, широкое применение находят компьютерные тренажеры, в которых ограничиваются схемной визуализацией приборного оборудования; при этом программно моделируется динамика протекающих процессов и логика функционирования управляемых оператором систем. В связи с отсутствием реального оборудования компьютерные тренажеры значительно дешевле, однако в силу того, что окружающая среда в них не воспроизводится, уровень адекватности условий деятельности оператора в таких тренажерах существенно ниже.

Последние годы все более широкое применение при создании средств подготовки операторов находят технологии виртуальной реальности. В системе виртуальной реальности (СВР) органы управления и другие объекты окружающей среды тоже моделируются в соответствии с воспроизводимой ситуацией путем геометрического моделирования каждого объекта сцены. Таким образом, применение СВР в тренажеростроении позволяет достигать достаточно высокого уровня подобия воспроизводимого процесса управления при меньших затратах на имитацию оборудования рабочего места оператора.

Однако в настоящее время при использовании СВР не предусматривается визуальное присутствие человека-оператора в виртуальной среде. Изменение положения органов управления и перемещение объектов виртуальной среды производится условным воздействием на некоторые активные зоны экрана. Следовательно, и в этом случае имеет место условность выполнения действий, связанных с тем, как взаимодействует человек с объектами виртуальной среды. Для повышения адекватности процесса моделирования управляемого оператором объекта становится актуальной задача непосредственного помещения человека (аватара) в виртуальную среду.

В зависимости от характера процесса обучения и отрабатываемых на тренажере задач оператор должен иметь возможность либо наблюдать себя в виртуальной среде «со стороны», либо видеть свои руки, когда он осуществляет воздействие на какой-либо объект виртуальной среды. Одной из важнейших задач, которые решаются на базе тренажеров, является отработка взаимодействия нескольких членов экипажа при выполнении комплексных задач (например, при ликвидации аварийной ситуации). В этом случае обучаемый оператор должен видеть аватаров (виртуальные копии других членов экипажа), которые совместно с обучаемым участвуют в выполнении упражнения.

Следует отметить, что аналогичная задача моделирования действий аватара в условиях изменяющейся виртуальной среды успешно решается в компьютерных играх. Однако при использовании модели человека в тренажерах возникают принципиальные трудности, связанные с высоким уровнем неопределенности тех действий, которые должен будет осуществить обучаемый в следующий момент времени с учетом моделируемой ситуации (ситуацию задает и может постоянно изменять инструктор). Хотя и в игровых комплексах в реальном масштабе времени моделируется не полностью определенный процесс, тем не менее, всю совокупность возможных действий пользователя обычно удается свести к ограниченному набору типовых операций, которые формируются заранее и заносятся в библиотеку фрагментов действий, а в процессе игры производится выбор и «склеивание» соответствующих фрагментов.

В тренажерах не всегда удается свести множество действий оператора к ограниченному набору. Например, если требуется включить определенный тумблер в некоторой зоне пульта, а исходное положение аватара заранее не определено, то существует бесконечное множество траекторий перемещения пальца аватара из исходного положения к заданной точке пульта. Поэтому возникает задача разработки и программной реализации в реальном масштабе времени алгоритмов координированного перемещения человека в виртуальной среде при заданном начальном и конечном положении частей его тела.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы повышения эффективности и качества профессиональной подготовки специалистов путем осуществления компьютерного моделирования действий операторов современных тренажно-моделирующих комплексов (ТМК), построенных с использованием технологий виртуальной реальности. Общие подходы к проектированию тренажеров и повышению качества обучения персонала на тренажерах отражены в работах ШукшуноваВ.Е., Потоцкого С.И., Циблиева В.В., Безрукова Г.В., Душенко А.Г., ЖукаЕ.И., Зубова Н.Е., Макарова A.M., Наумова Б.А., Фоменко В.В., КобзеваВ.В., Шилова К.Ю., Бобровича В.Ю., Алтуни-наВ.К.

Диссертационная работа соответствует перспективным планам Центра тренажеростроения и задачам обеспечения Федеральной космической программы России на 2006-2015 годы. Работа выполнена в рамках утвержденных в ЮРГТУ (НПИ) научных направлений «Проблемы автоматизации и обработки информации в тренажерах, информационных и обучающих комплексах» и «Интеллектуальные тренажно-обучающие комплексы, тренажеры, системы виртуальной реальности, виртуальные лаборатории - основа инновационных образовательных программ в технических университетах».

Целью диссертационной работы является разработка, исследование и реализация математических моделей движения оператора в виртуальной среде моделируемого объекта, которым управляет обучаемый оператор, позволяющие увеличить эффективность обучения персонала за счет воспроизведения непосредственного воздействия аватара на орган управления и обеспечения возможности проведения комплексных упражнений группой операторов.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи исследования:

- анализ существующих методов и средств моделирования аватара в

СВР;

- построение математической модели аватара, учитывающей специфику ее применения в составе тренажера;

- разработка модели перемещения аватара в виртуальном мире тренажера с использованием технологий компьютерной анимации персонажа;

- разработка математической модели движения аватара в зоне оперативного пространства в штатных и экстремальных ситуациях;

- реализация численных методов оптимизации движения при моделировании перемещения аватара в зоне оперативного пространства;

- построение комплекса программных средств, обеспечивающего моделирование ситуации, в которой человек выполняет операции по управлению сложным динамическим объектом;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований эффективности применения модели аватара в составе тренажера: а) оценка временных характеристик разработанной математической модели движения руки аватара к целевой точке в процессе решения практической задачи, связанной с управлением сложным объектом; б) проведение экспериментального исследования, связанного со структурой геометрической модели аватара;

- оценка адекватности разработанных моделей перемещения аватара в виртуальном мире тренажера и движения в оперативном пространстве.

Методы исследований и достоверность результатов. В работе использованы методы математического и компьютерного моделирования, компьютерной графики, линейной алгебры, стереометрии, аналитической геометрии, вычислительной математики, робототехники и теоретической механики. Достоверность научных результатов и выводов подтверждается непротиворечивостью теоретических положений, корректным использованием математического аппарата матричных преобразований, линейной алгебры, теории вероятностей и методов оптимизации. Обоснованность принятых допущений и достоверность предложенных моделей подтверждается результатами практической реализации разработанных моделей.

Объектом исследования является представление деятельности человека в виртуальной среде при его перемещении и взаимодействии с оборудованием управляемого объекта.

Предметом исследования являются математические модели перемещения аватара в виртуальном мире тренажера и движения в зоне оперативного пространства, численные методы их описывающие.

Научная новизна. Основные научные результаты, содержащиеся в диссертации:

- разработана общая концепция построения и структура системы моделирования действий аватаров в виртуальном пространстве, отличительной особенностью которой является комбинированное использование заранее подготовленных анимаций перемещения тела аватара в виртуальном мире тренажера и генерации движения руки аватара в зоне оперативного пространства в реальном масштабе времени;

- математическая модель скелета аватара как многозвенного комплекса, позволяющая имитировать действия оператора при управлении технической системой, особенностью которой является обеспечение возможности изменения структуры скелета руки аватара в реальном масштабе времени, что позволяет значительно упростить решение задачи подведения руки аватара в целевую точку;

- новый метод решения задачи моделирования движения аватара в области оперативного пространства как задачи оптимального перемещения руки аватара в целевую точку воздействия на объект виртуального мира, основанный на допустимых траекториях движения элементов скелета руки аватара;

- экспериментальное исследование моделей движения аватара в оперативном пространстве, подтвердившее эффективность разработанной модели аватара на основе допустимых траекторий движения элементов руки;

- численные методы программной реализации предложенных моделей, позволяющие в реальном масштабе времени воспроизводить в виртуальном пространстве действия человека по управлению техническими объектами. На основе этого сформированы рекомендации к построению геометрической модели аватара.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Общая концепция построения системы моделирования действий ава-таров в виртуальном мире тренажера.

2. Оптимизационная модель движения аватара в зоне оперативного пространства и численный метод ее реализации, учитывающие ограничения на движения элементов руки аватара и допустимые траектории перемещения ее элементов.

3. Результаты моделирования и экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность разработанных моделей и эффективность предложенных алгоритмов перемещения аватаров в виртуальном мире тренажера и движения в зоне оперативного пространства.

4. Комплекс программ, реализующих предложенные модели движения аватара в виртуальном мире тренажера.

Практическая ценность работы заключается в создании моделей и алгоритмов, обеспечивающих возможность строить СВР, в которой воспроизводится работа виртуального оборудования с имитацией действий одного или нескольких операторов, работающих в виртуальной среде. Такие системы могут эффективно использоваться в тренажерах для подготовки операторов к управлению сложными объектами. Возможности разработанного программного обеспечения (ПО) позволяют построить траекторию перемещения аватара в заданную точку виртуального пространства тренажера из произвольного начального положения, воспроизвести плавное движение аватара по вычисленной траектории, а также моделировать взаимодействие аватара с заданным объектом виртуального мира.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в процессе создания стенда для отработки планируемых полетных операций на основе моделирования действий экипажа в виртуальной среде интерьера Международной космической станции (МКС) и транспортного корабля «Союз-ТМА» с применением технологий виртуальной реальности и в процессе разработки трехмерных моделей и виртуальных руководств в рамках эксперимента «ВИРУ». Разработанные математические модели и научные результаты работы также внедрены в учебный процесс ЮРГТУ (НПИ).

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

- седьмой международной научно-практической конференции «Пилотируемые полеты в космос», 2007 г. (Звездный городок);

- научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) «Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем» в 2008, 2009 и 2010 гг.;

- научно-технической конференции факультета информационных технологий ЮРГТУ (НПИ) по проблемам автоматизации обработки информации в информационных и управляющих комплексах, 2009 г.;

- XIX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, посвященная 50-летию первого полета человека в космос, 2011 г. (ОАО «РКК «Энергия»).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась и обсуждалась в ООО «Донской филиал Центра тренажеростроения» (г. Новочеркасск). Получено 2 акта внедрения в комплексные ТМК и акт внедрения научных результатов в учебный процесс ЮРГТУ (НПИ).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ, из них 3 в рекомендованных ВАК изданиях, получено 4 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений, изложена на 204 страницах и содержит: 5 таблиц, 100 рисунков и список литературы, включающий 115 наименований.

4.6 Выводы по главе 4

1. Разработаны программные компоненты, реализующие моделирование аватара, его перемещение в пространстве и взаимодействие с объектами виртуальной среды тренажера. Рассмотрена структура разработанного пакета программ, реализующих предложенные модели движения аватара, указаны ключевые особенности программных средств моделирования движений аватара и особенности их применения в составе тренажера.

2. Произведена оценка адекватности моделирования недоопределенных движений аватара в оперативном пространстве, в ходе которой оценивались угловые скорости движения элементов. При этом расхождение максимальных значений угловых скоростей не превышает антропометрические параметры движения тела человека более чем на 0,1 %, что подтверждает корректность разработанных моделей.

3. Предложена методика проведения комплексной тренировки, включающей аватаров нескольких операторов, что позволяет проводить совместные упражнения на одном объекте нескольких операторов.

4. Разработаны и реализованы программные средства управления движением аватара на основе применения языка сценариев, что позволяет проводить комплексные тренировки в виртуальной среде тренажера с аватарами, поведение которых моделируется программными средствами.

5. Получены зависимости и графики, отображающие сравнительные показатели эффективности моделей движения аватара в зоне оперативного пространства, показавшие уменьшение в 2 раза времени поиска траектории перемещения руки для модели движения аватара, основанной на допустимых траекториях движения элементов скелета руки аватара, относительно существующих методов.

6. Выполнена экспериментальная оценка параметров ГМ аватара в зависимости от количества сегментов вблизи суставов, показавшая значительное преимущество технологии скелетной анимации при применении ее для визуализации ГМ аватара на современном оборудовании.

7. Проведен ряд экспериментов по оценке временных характеристик модели аватара, в ходе которых выполнена оценка производительности модели аватара с различным уровнем детализации ГМ при моделировании движения аватара в виртуальной среде тренажера на двух различных вычислительных системах, показавшая, что скорость работы системы практически не зависит от детализации ГМ аватара при применении современного оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сформулирована общая концепция построения системы моделирования действий оператора тренажера, отличающаяся тем, что предусматривает не только моделирование воздействий оператора на органы управления, но и их непосредственное визуальное воспроизведение моделью аватара, что позволяет в значительной степени повысить адекватность моделирования ситуации.

2. Предложенные модель аватара и алгоритмы его движения в виртуальном пространстве тренажера отличаются тем, что реализуют комбинированное использование заранее подготовленных анимаций перемещения тела аватара в виртуальном пространстве и генерации движения руки аватара в требуемую точку в реальном масштабе времени, что позволяет воспроизводить весь спектр действий оператора: перемещение в пространстве к рабочей зоне и взаимодействие с оборудованием. '

3. Разработана и реализована оптимизационная модель движения аватара в оперативном пространстве на основе допустимых траекторий движения элементов скелета руки аватара, обладающая высоким быстродействием и отличающаяся тем, что при моделировании перемещения руки аватара к целевой точке используются только геометрические параметры элементов тела аватара и на движения накладываются ограничения, основанные на биомеханических параметрах движения тела человека, что позволяет в реальном масштабе времени моделировать взаимодействие аватара с объектами тренажера, не требующая использование специализированного оборудования.

4. Разработанные геометрическая модель аватара и комплекс программ отличаются новизной и реализуют разработанные модели и алгоритмы движения, что позволяет моделировать весь набор движений человека-оператора тренажера. Проведены комплексные эксперименты по оценке эффективности разработанных алгоритмов моделирования перемещения аватара, показавшие двукратное преимущество в скорости работы предложенной оптимизационной модели движения аватара в оперативном пространстве по сравнению с существующими решениями.

5. Опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в рекомендованных ВАК изданиях, получено 4 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

1. Корендясев, А.И. Теоретические основы робототехники. В 2 кн. / Кн. 1. / А.И. Корендясев, Б.Л. Саламандра, Л.И. Тывес / Отв. ред. С.М. Каплунов. Ин-т машиноведения им. A.A. Благонравова РАН. М.: Наука, 2006. -383 с. - ISBN 5-02-033952-0.

2. Синельников, Р.Д. Атлас анатомии человека. Т. 1 / Р.Д. Синельников. М.: Медицина, 1967. - 268 с.

3. Даламбер, Жан Ле Рон. Динамика. Пер. с франц. / Жан Ле Рон Да-ламбер. Н.: ИО НФМИ, 2000. - 336 с. - ISBN 5-80323-375-7.

4. Пересечение: Две окружности Электронный ресурс. -(www.algolist.manual.ru/maths/geom/intersect/circlecircle2d.php). Загл. с экрана.

5. Цисарж, В.В. Математические методы компьютерной графики / В.В. Цисарж, Р.И. Марусик. К.: Факт, 2004. - 466 с. - ISBN 966-664-097-Х.

6. Понарин, Я.П. Аффинная и проективная геометрия / Я.П. Понарин. М.: МЦНМО, 2009. - 286 с. - ISBN 978-5-94057-401-9.

7. Виленкин, И.В. Высшая математика. Линейная алгебра. Аналитическая геометрия. Дифференциальное и интегральное исчисление / И.В. Виленкин, В.М. Гробер. -М.: Феникс, 2011.-416 с. ISBN 978-5-222-18236-9.

8. Пересечение двух сфер Электронный ресурс. -(http://www.terver.ru/perese4eniedvuxsfer.php). Загл. с экрана.

9. Weisstein, Eric W. «Sphere-Sphere Intersection». From Math World A Wolfram Web Resource Электронный ресурс. -(http://mathworld.wolfram.com/Sphere-SphereIntersection.html). - Загл. с экрана.

10. Понарин, Я.П. Элементарная геометрия. В 2 томах. Том 2. Стереометрия, преобразования пространства / Я.П. Понарин М.: МЦНМО, 2007. -256 с. - ISBN 978-5-94057-223-7.

11. Заславский, A.A. Геометрические преобразования / A.A. Заславский. М.: МЦНМО, 2004. - 86 с. - ISBN 5-94057-094-1.

12. Шишкин, Е.В. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения / Е.В. Шишкин, A.B. Боресков М.: Диалог-МИФИ, 1995. - 288 е., ил.-ISBN: 5-86404-061-4.

13. Роджерс, Д. Математические основы машинной графики / Д. Роджерс, Дж. Адаме. -М.: Мир, 2001. 604 с. - ISBN 5-03-002143-4.

14. Бахвалов, Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2008. - 640 с. - ISBN 978-594774-815-4.

15. Васильев, Ф.П. Методы оптимизации / Ф.П. Васильев. М.: Факториал пресс, 2002. - 824 стр. - ISBN 978-5-88688-056-4.

16. Спиридонова, И.А. Топологические структуры и их применение: Методические указания к проведению практических занятий по курсу «Специальные главы высшей математики» / И.А. Спиридонова. Новочер. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГТУ, 1997. - 23 с.

17. The Matrix and Quaternions FAQ Электронный ресурс. -(http://www.flipcode.eom/documents/matrfaq.html#Q55). Загл. с экрана.

18. Асланов, B.C. Некоторые вопросы динамики твердого тела: учеб. пособие /B.C. Асланов. Издательство Саратовского университета, Самарский филиал. - Самара, 1992. - 79 с. - ISBN 5-292-01472-9.

19. Веселовский, В.В. Кинематика манипуляторов: учеб. пособие / В.В. Веселовский. Моск. ин-т радиотехники, электроники и автоматики. - М., 1991. - 72 с. - ISBN 5-230-12056-8.

20. Ратнер, Питер. Трехмерное моделирование и анимация человека / Питер Ратнер. М.: Изд-во Вильяме, 2005. - 272 с. - ISBN: 5-8459-0811-6, 04712-1548-1.

21. Макашева, З.М. Исследование систем управления / З.М. Макашева. М.: Кнорус, 2009. - 176 с. - ISBN: 978-5-85971 -631 -9.

22. Официальный сайт Electronic Arts Электронный ресурс. -(http://www.ea.com/games/crysis). Загл. с экрана.

23. Официальный сайт компании Crytek Электронный ресурс. -(http://www.crytek.com/). Загл. с экрана.

24. Jason Ocampo, Steve Butts, Jeff Haynes. Top 25 PC Games of All Time We pick the best and most influential games to ever hit the PC Электронный ресурс. (http://pc.ign.com/articles/101/1011624pl.html). - Загл. с экрана.

25. Итоги 2007-го года. Церемония награждения Электронный ресурс. (http://www.playground.ru/articles/19667/). - Загл. с экрана.

26. Петров, Б.А. Манипуляторы / Б.А. Петров. JL: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1984. - 238 е., ил.

27. Бутенин, Н.В. Курс теоретической механики. В двух томах / Н.В. Бутенин, Я.Л. Лунц, Д.Р. Меркин / Оформление обложки С.Л. Шалапиро, А.А. Олексенко. СПб.: Издательство «Лань», 1988. - 736 с. - ISBN 5-81140052-7.

28. Накано, Э. Введение в робототехнику: Пер. с япон. / Э. Накано. -М.: Мир, 1988. 334 е., ил. - ISBN 5-03-000396-7.

29. Кобринский, А.А. Манипуляционные системы роботов: основы устройства, элементы теории / А.А. Кобринский, А.Е. Кобринский. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. - 344 с.

30. На старт. Внимание. Марс! «Московский Комсомолец» № 25368 от 4 июня 2010 г. Электронный ресурс. (http://www.mk.ru/ sci-ence/article/2010/06/03/503767-na-start-vnimanie-mars.html). - Загл. с экрана.

31. What is Gimbal Lock and why does it occur? Электронный ресурс. -(http://www.anticz.com/eularqua.htm). Загл. с экрана.

32. Euphoria: Bringing Games to Life Электронный ресурс. -(http://www.naturalmotion.com/euphoria). Загл. с экрана.

33. Вукобратович, М. Неадаптивное и адаптивное управление манипу-ляционными роботами: Пер. с англ. / М. Вукобратович, Д. Стокич, Н. Кирчан-ски. М.: Мир, 1989. - 376 с, ил. - ISBN 5-03-000540-4.

34. Величенко, В.В. Матрично-геометрические методы в механики с приложениями к задачам робототехники / В.В. Величенко. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 280 с. - ISBN 5-02-013888-6.

35. Ястребов, B.C. Системы управления движением робота /B.C. Ястребов, A.M. Филатов. М.: Машиностроение, 1979. - 176 е., ил.

36. Черноусько, Ф.Л. Манипуляционные роботы: динамика, управление, оптимизация / Ф.Л. Черноусько, H.H. Болотник, В.Г. Градецкий. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 368 с. - ISBN 5-02-014107-0.

37. Ситалов, Д.С. Упрощенная модель руки для решения обратной задачи моделирования аватара / Д.С. Ситалов // Изв. вузов. Северо-Кавк. регион. Техн. науки.- 2010. -№ 6.-С. 15-18.

38. Ситалов, Д.С. Проблемы моделирования действий оператора в современном тренажере / Д.С. Ситалов // Программные продукты и системы. -2010.-№4(92).-С. 137-140.

39. Ситалов, Д.С. Моделирование скелета аватара / Д.С. Ситалов //

40. Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 26 мая 2008 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ, 2008. - С. 86-95.

41. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011613005

42. Модель аватара» / Д.С. Ситалов. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 14.04.2011.

43. Кобринский, А.Е. Некоторые проблемы теории манипуляторов / А.Е. Кобринский, Ю.А. Степаненко // Механика машин. Выпуск 7-8. М.: Издательство «Наука», 1967. - С. 4-24.

44. Дольников, Ю.И. Экспериментальные исследования движений в крупных суставах руки / Ю.И. Дольников // Механика машин. Выпуск 7-8. -М.: Издательство «Наука», 1967. С. 76-84.

45. Амелькин, Н.И. Кинематика и динамика твердого тела / Н.И. Амелькин. М., Московский физико-технический институт, 2000. - 64 с.

46. Адаме, Д. DirectX: продвинутая анимация. Пер. с англ. / Д. Адаме. -М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2004. 480 с. - ISBN 5-9579-0025-7.

47. Alexander Savenko. A Biomechanics-Based Model for the Animation of Human Locomotion / Alexander Savenko, Dr. Serge Van Sint Jan, Dr. Gordon Clap-worthy // The 9-th International Conference Computer Graphics & Vision GraphiCon 1999.-M., 1999.

48. Канатников, A.H. Аналитическая геометрия: учебник для втузов / А.Н. Канатников, А.П. Крищенко. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 387 с. - ISBN 978-5-7038-3538-8.

49. Cyclic Coordinate Descent (CCD) Электронный ресурс. -(http://www.geekyblogger.com/2008/04/cyclic-coordinate-descent-ccd.html). Загл. с экрана.

50. Human Motion Animation with Inverse Kinematics Электронный pe-сурс. (http://www.geekyblogger.com/2008/04/human-motion-animation-with-inverse.html). - Загл. с экрана.

51. Горловина, JI.И. Линейная алгебра и некоторые ее приложения / Л.И. Горловина. М.: Изд-во «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1971. - 288 е., ил.

52. Ефимов, Н.В. Линейная алгебра и многомерная геометрия / Н.В.Ефимов, Э.Р. Розендорн. М.: Изд-во «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1970.-528 с, ил.

53. Погорелов, А.В. Элементарная геометрия / А.В. Погорелов. М.: Изд-во «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1972. - 208 е., ил.

54. Привалов, И.И. Аналитическая геометрия / И.И. Привалов. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954. -300 е., ил.

55. Frank Luna. Skinned Mesh Character Animation with Direct3D 9.0c Электронный ресурс. (http://mathinfo.univ-reims.fr/image/dxMesh/extra /d3dxskinnedmesh.pdf). - Загл. с экрана.

56. Тютин, В.В. Рациональное описание движения анимированного персонажа в системах ЗБ-графики / В.В. Тютин // Международная конференция по компьютерной графике GraphiCon, 2004.

57. Семакин, М.М. Моделирование сложного движения персонажа по высокоуровневому описанию: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.13.18 / Семакин Михаил Михайлович. Ижевск, 2004. - 24 с.

58. Armin Bruderlin, Thomas W. Calvert. Goal-directed, dynamic animation of human walking Электронный ресурс. (http://www.cs.princeton.edu/ courses/archive/spr01/cs598b/papers/bruderlin89.pdf). - Загл. с экрана.

59. Bruderlin, Armin. Interactive animation of personalized human locomotion / Armin Bruderlin, Thomas W. Calvert // Graphics Interface 93 May 19-21, 1993.-Toronto, 1993.-P. 17-23.

60. Bruderlin, Armin. Knowledge-driven, interactive animation of human running / Armin Bruderlin, Thomas W. Calvert // Graphics Interface 96 May 1996. -Toronto, 1996.-P. 213-221.

61. Abt, K. Serious Games / K. Abt. New York: Viking Press, 1970.176 p.-ISBN 0-8191-6147-0.

62. R. Stuart Ferguson. Practical Algorithms for 3D Computer Graphics / R. Stuart Ferguson. А К Peters/CRC Press, 2006. 550 p. - ISBN 1568811543.

63. Pandasoft DirectX Exporter Электронный ресурс. -(http://www.andytather.co.uk/Panda/directxmaxmainfeatures.aspx). Загл. с экрана.70. kW X-porter Электронный ресурс. (http://sourceforge.net/projects/ kwxport/). - Загл. с экрана.

64. SecondLife Электронный ресурс. (www.secondlife.com). - Загл. сэкрана.

65. Лилов, Л.К. Моделирование систем связанных тел / Л.К. Лилов. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1993. 272 с. - ISBN 5-02-014300-6.

66. Serious Game Design Электронный ресурс. -(http://seriousgames.msu.edu/). Загл. с экрана.

67. David М. Bourg. Physics for Game Developers / David M. Bourg. -USA: O'REILLY, 2002. 352 c. - ISBN 9780596000066.

68. Технология NVIDIA PhysX дарит играм потрясающий реализм, невиданный прежде Электронный ресурс. (http://www.nvidia.ru/object/nvidia physxru.html). - Загл. с экрана.

69. Newton Game Dynamics. Open-Source Physics Engine Электронный ресурс. (http://newtondynamics.com/forum/newton.php). - Загл. с экрана.

70. Havok Physics Engine Электронный ресурс. -(http://www.havok.com). Загл. с экрана.

71. Run-Time Skin Deformation. Jason Weber. Intel Architecture Labs Электронный ресурс. (http://www.intel.com/ial/3dsoftware/index.htm). - Загл. с экрана.

72. Andrew Witkin and David Baraff. Physically Based Modeling: Principles and Practice (Online Siggraph '97 Course notes) Электронный ресурс. -(http://www.cs.cmu.edu/~baraff/sigcourse/). Загл. с экрана.

73. Thomas Jakobsen. Advanced Character Physics Электронный ресурс. (http://www.gamasutra.com/resourceguide/20030121/jacobson01.shtml). - Загл. с экрана.

74. Бриллиант, К. Цифровая модель человека / К. Бриллиант. М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2004.-400 с. - ISBN 5-9579-0006-0, 1-58450-285-1.

75. Экзоскелет Электронный ресурс. (http://modusponens.info/ 2010/05/exoskeleton/). - Загл. с экрана.

76. Олег Линьков. Создание текстурных разверток Электронный ресурс. (http://www.gamedev.ru/articles/?id=60107). - Загл. с экрана.

77. Журавлев, В.Ф. Основы теоретической механики / В.Ф. Журавлев. -М.: Наука. Физматлит, 1997. 320 с. - ISBN 5-02-015154-8.

78. Спыну, Г.А. Промышленные роботы. Конструирование и применение: Учеб. пособие / Г.А. Спыну. 2-е изд., перераб. и доп. - К.: Выща шк., 1991. - 311 с, ил. - ISBN 5-11-002474-Х.

79. Пол, Р. Управление траекторией руки с помощью вычислительной машины (перевод Карнаушенко Е.К.) / Р. Пол // Интегральные роботы. Сборник статей. Под ред. Г.Е. Поздняка. Пер. с англ. М.: Издательство «Мир», 1973. -с. 326-339.

80. Банди, Б. Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ. / Б. Бан-ди. М.: Радио и связь, 1988. - 128 е.: ил. - ISBN 5-256-00052-7.

81. А.Г. Трифонов. Постановка задачи оптимизации и численные методы ее решения Электронный ресурс. (http://matlab.exponenta.ru/optimiz/ book2/34.php). - Загл. с экрана.

82. Motion Capture by Maureen Furniss Электронный ресурс.http://web.mit.edu/comm-fomm/papers/furniss.html). Загл. с экрана.

83. Телевидение. Цифровое Кинопроизводство. Виртуальная Реальность. 3D-Производство. 40-Кинотеатры Электронный ресурс. (www.jcsi.ru). -Загл. с экрана.

84. Шилов, К.Ю. Интеллектуальные функции корабельных тренажеров и пути их реализации / К.Ю. Шилов // Программные продукты и системы. -2006.-№4. -С. 13-15.

85. Бобрович, В.Ю. Учебно-методическое обеспечение понятийных тренажеров / В.Ю. Бобрович // Системы управления и обработки информации: научн.-техн. сб. ФНПЦ НПО «АВРОРА». СПб.: ФНПЦ «НПО «АВРОРА», 2004.-С. 171-175.

86. Тренажеры. Современные тренажерные технологии Электронный ресурс. (http://www.traintech.ru/ru/trenazhery/). - Загл. с экрана.

87. Филатова, H.H. Мультимедиа тренажерные комплексы для технического образования / H.H. Филатова, Н.И. Вавилова, O.J1. Ахремчик // Educational Technology & Society. 2003. - № 6. - С. 164-186.

88. Алтунин, B.K. Информационно-функциональное пространство проектирования тренажерных и обучающих систем / В.К. Алтунин // Тренажеростроение: современное состояние, перспективы развития. Тверь: ЗАО НИИ ЦПС, 2005.-С. 20-23.

89. Ситалов, Д.С. Оптимизационная модель решения обратной задачи моделирования движения аватара в оперативном пространстве / Д.С. Ситалов // Программные продукты и системы. 2011. - №3 (95). - С. 114-117.

90. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011618253 «Программный модуль моделирования поведения аватара» / Д.С. Ситалов. -Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 19.10.2011.

91. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011618252 «Программный модуль моделирования определенных движений аватара» /Д.С. Ситалов. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 19.10.2011.

92. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011618510 «Программный модуль моделирования недоопределенных движений аватара» / Д.С. Ситалов. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 31.10.2011.

93. ХановаА.А. Численное решение уравнений и систем уравнений. Решение систем нелинейных уравнений Электронный ресурс. -(http://www.exponenta.ru/educat/systemat/hanova/equation/loc.asp). Загл. с экрана.

94. Афанасьев, В.О. Системы 3D-визуализации индуцированной виртуальной среды: автореф. дис. доктора физ.-мат. наук: 05.13.11 / Афанасьев Валерий Олегович. М., 2007. - 36 с.

95. Michael, David. Serious Games: Games That Educate, Train, and Inform / David Michael, Sande Chen. Course Technology PTR, 2005. - 313 p.

96. Verena Elisabeth Kremer. Quaternions and SLERP Электронный ресурс. (http://embots.dfki.de/doc/seminarca/KremerQuaternions.pdf). - Загл. с экрана.

97. Quaternion Slerp v.s. Matrix Lerp Электронный ресурс. -(http://blogs.msdn.eom/b/ito/archive/2009/05/01/more-bones-04.aspx). Загл. с экрана.

98. Мунипов, В.М. Эргономика / В.М. Мунипов, В.П. Зинченко. М.: Логос, 2001. 356 е.: ил. - ISBN 5-94010-043-0.

99. Профессионализм, эргономика и качество. Сохранение здоровья при работе за компьютером Электронный ресурс. -(http://www.falto.ru/article/article36.php). Загл. с экрана.

100. Меньшов, А.И. Космическая эргономика / А.И. Меньшов. Ленинград: Наука. Ленинградское отделение, 1971. 296 с.

101. Панеро, Джулиус. Основы эргономики. Человек, пространство, интерьер. Справочник по проектным нормам / Джулиус Панеро, Мартин Зелник. М.: ACT, 2008. 320 с. - ISBN 5-17-038655-0.

102. Донской, Д.Д. Биомеханика/ Д.Д. Донской. М.: Просвещение, 1975. -239 с.: ил.

103. Александер, Р. Биомеханика / Р. Александер. М.: Мир, 1970.339 с.

104. Grand Theft Auto IV PC. Recommended system requirements Электронный ресурс. (http://www.rockstargames.com/IV/#?page=pc). - Загл. с экрана.

105. Altmann, SimonL. Rotations, quaternions, and double groups / Simon L. Altmann. New York: Oxford University Press, 1986. - 303 p. - ISBN 0-19855372-2.