автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка и исследование программного обеспечения систем визуализации морских тренажерных комплексов

Список сокращений.

Введение.

1. Разработка подхода к проектированию ПО системы визуализации.

1.1. Общая характеристика задачи.

1.2. Подход к проектированию системы визуализации.

1.3. Структура типового тренажерного комплекса.

1.4. Выделение подсистем системы визуализации.

1.5. Основные типы объектов системы визуализации.

1.6. Постановка задачи исследования.

2. Методы проектирования ПО системы визуализации.

2.1. Повторное использование исходного кода.

2.2. Повторное использование классов.

2.3. Повторное использование компонентов.

2.4. Повторное использование образцов.

2.5. Повторное использование каркасов.

2.6. Оценка методов повторного использования.

2.7. Разработка метода проектирования систем визуализации.

2.8. Выводы.

3. Разработка модели системы визуализации.

3.1. Разработка обобщенной модели основных подсистем.

3.1.1. Запуск и настройка системы визуализации.

3.1.2. Иерархическая структура для хранения объектов сцены.

3.1.3. Отображение объектов сцены.

3.1.4. Поддержка моделей движения объектов.

3.1.5. Разделяемые модели объектов.

3.1.6. Обобщенная модель системы визуализации.

3.2. Разработка модели сетевой подсистемы.

3.2.1. Типы данных.

3.2.2. Передача данных в сетевой модуль.

3.2.3. Передача данных клиенту.

3.2.4. Организация хранения команд.

3.2.5. Отправка команд получателю.

3.2.6. Общая структура сетевой подсистемы.

3.3. Выводы.

4. Проект системы визуализации для тренажера операторов подводного аппарата.

4.1. Методика создания системы визуализации на основе каркаса.

4.1.1. Управляющая подсистема.

4.1.2. Подсистема загрузки графических моделей.

4.1.3. Подсистема движения объектов.

4.1.4. Подсистема хранения и отображения объектов.

4.1.5. Сетевая подсистема.

4.2. Общее описание имитатора ТВК подводного аппарата.

4.3. Оценка эффективности разработанного каркаса.

4.4. Методика оценки производительности имитатора ТВК.

4.5. Выделение подзадач имитатора ТВК.

4.6. Оценка производительности системы на базе каркаса.

4.7. Анализ производительности имитатора ТВК.

4.8. Выводы.

Актуальность. Эксперименты по применению средств машинной графики начались около 35 лет назад в тренажерах военно-транспортной техники [17]. Благодаря резкому снижению стоимости компьютеров и повышению их производительности, применение машинной графики стало повсеместным. Более того, решение задач синтеза изображений может выполняться уже без применения дорогостоящего специализированного оборудования - на базе серийных персональных компьютеров.

Возможность использования ПК стимулировала развитие тренажеростроения и привела к созданию большого числа тренажеров для всех сред, в которых передвигается человек. Задача поддержания и совершенствования необходимых навыков у экипажей различных технических аппаратов достаточно актуальна в данный момент и вряд ли в ближайшем будущем потеряет свою актуальность. Следовательно, необходимость соответствия используемого тренажерного парка современному уровню техники неизбежно приведет к созданию новых тренажерных комплексов и модернизации уже существующих.

В состав любого компьютерного тренажера входит система визуализации, изображающая окружающую среду, в рамках которой функционирует имитируемое техническое средство. Данная система также может отображать и контрольно-управляющую часть кабины, если в тренажере не предусмотрена механическая часть, имитирующая такую кабину.

Создание новых тренажеров влечет за собой необходимость разработки новых систем визуализации. Создание каждой следующей системы с нуля является неэффективным, поскольку требует серьезных затрат. В связи с этим появляется необходимость использования подхода к проектированию систем визуализации, основанного на выделении общих элементов в составе системы визуализации. Выделенные общие элементы могут быть спроектированы однократно и, затем, многократно использоваться в последующих системах. Подобный подход к проектированию программного обеспечения широко распространен и позволяет уменьшить время и стоимость разработки соответствующего ПО, а также сократить количество ошибок в нем. Тем не менее, имеет место недостаток информации относительно применения данного подхода к созданию систем визуализации тренажеров.

Предлагаемая работа посвящена проблемам повышения эффективности проектирования систем визуализации тренажеров. Данная задача представляется весьма актуальной, поскольку разработка моделей проектирования позволит сократить время и стоимость создания систем визуализации.

Целью работы является разработка обобщенной модели системы визуализации тренажера. Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:

- разбиение системы визуализации на общую и специализированную части с выделением основных задач и объектов, характерных для данной предметной области;

- анализ и разработка методов проектирования систем визуализации;

- проектирование архитектуры системы визуализации для решения выделенных типовых задач;

- реализация спроектированной модели и создание на ее базе системы визуализации тренажера подводного аппарата;

- оценка эффективности реализации обобщенной модели.

Основные методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы интерактивной машинной графики [36], методы проектирования программного обеспечения [1, 3, 16, 35], а также методы проектирования и оценки производительности систем реального времени [13].

Научная новизна.

1. Предложен оригинальный метод к проектированию системы t визуализации;

2. Разработана обобщенная модель проектирования для т системы визуализации, описывающая базовую архитектуру данной системы.

Практическая ценность работы.

1. Разработан каркас системы визуализации тренажера; ( 2. Реализованы и внедрены три программных системы визуализации подводной обстановки с использованием каркаса;

3. Произведен анализ эффективности созданного каркаса системы визуализации.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись и обсуждались на семинарах кафедры Вычислительной Техники СПбГЭТУ и Научно-проектного центра оптоэлектронных комплексов наблюдения (С. - Петербург, 2003).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 63 наименования, и приложения. Работа содержит 114 страниц основного текста, 30 иллюстраций и 14 таблиц.

4.8. Выводы

1. Для оценки эффективности каркаса предлагается измерить степень повторного использования, обеспечиваемую каркасом, при разработке конкретной системы визуализации. Для системы визуализации тренажера операторов подводного аппарата этот показатель составил более 30%. Таким образом, использование каркаса в данном случае позволяет сократить количество разрабатываемого кода приблизительно на 30-40%, что является существенным преимуществом по сравнению с разработкой данной системы «с чистого листа».

2. Каркас системы визуализации представляет собой реализацию универсальной части системы. Он содержит набор виртуальных методов, которые должны быть добавлены разработчиком для получения работоспособной конечной системы. Предложенная в данном разделе методика построения системы на базе каркаса описывает основные классы и методы, которые должны быть реализованы в первую очередь.

3. Поскольку к системе визуализации предъявляются требования реального времени, после построения системы на базе каркаса целесообразно произвести анализ производительности полученного приложения. Для этой цели предлагается использовать теорию планирования в реальном времени. В разделе приводится методика оценки производительности и иллюстрация ее применения на примере разработанной системы визуализации.

- 123 -Заключение

В результате проведенного исследования были получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод проектирования системы визуализации, позволяющий описать архитектуру системы в виде набора элементов 4 типов: модулей ввода/вывода, обработчиков, управляющих модулей и данных. Каждый тип элементов выполняет строго определенную роль в системе и определяет характер взаимодействий конкретного элемента с окружением;

2. Создана обобщенная модель системы визуализации, описывающая базовую архитектуру приложений данного семейства. Предложенное описание дает возможность создания генератора ПО систем визуализации;

3. На основе разработанной обобщенной модели создан каркас системы визуализации, позволяющий существенно сократить затраты на создание приложений указанного семейства;

4. В составе тренажерных комплексов «Коралл-ТВ» и «Салинг-ТВ» реализованы и внедрены три программных системы визуализации подводной обстановки с использованием каркаса;

5. Произведена оценка эффективности разработанного каркаса на примере одной из полученных систем визуализации. Использование предложенного каркаса в процессе создания данной системы позволило сократить количество заново разрабатываемого кода более чем на 30%.

- 124

1. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р. Влиссндес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. СПб: Питер, 2001.

2. Johnson R., McConnell С., Lake J. The RTL System: A framework for code optimization. Proceedings of the International Workshop on Code Generation. Code Generation Concepts, Tools, Techniques, pp. 255-274, Dagstuhl, Germany, 1992.

3. Ларман К. Применение UML и шаблонов проектирования. М.: Изд. дом «Вильяме», 2001.

4. OMG Unified Modeling Language (UML) Specification. Version 1.3 (June 1999). The Object Management Group

5. Ефанов B.H., Бодрунов С.Д. Авиационные тренажеры пятого поколения: концепция виртуальной аэронавигационной среды. // Мир авионики. 2001. - №2. - стр. 17-24.

6. Бюшгенс А.Г., Шапиро М.Г., Воейков В.В., Литвиненко А.А. Опыт модернизации тренажера самолета СУ-33. // Мир авионики.- 2001. №2. - стр. 25-28.

7. Шаповалов А.В. Программная архитектура HLA. // Мир авионики.- 2001. №2. - стр. 36-37.

8. Schmidt D.C. Reactor: An Object Behavioral Pattern for Concurrent Event Demultiplexing and Event Handler Dispatching. Pattern1.nguages of Program Design (Coplien J.O. and Schmidt D.C., eds.), pp. 529-545, Reading, MA: Addison-Wesley, 1995.

9. Harrison Т., Pyarali I, Schmidt D.C., Jordan T. Proactor An Object Behavioral Pattern for Dispatching Asynchronous Event Handlers. The 4th Pattern Languages of Programming Conference (Washington University technical report #WUCS-97-34), September 1997.

10. Lavender R.G., Schmidt D.C. Active Object: An Object Behavioral Pattern for Concurrent Programming. Pattern Languages of Program Design (Coplien J.O. and Vlissides J., Kerth N., eds.), Reading, MA: Addison-Wesley, 1996.

11. Гома X. UML. Проектирование систем реального времени, распределенных и параллельных приложений. М.: ДМК Пресс, 2002.

12. Garlan D., Perry D.E. IEEE Transactions on Software Engineering. Vol.21, No.4, 1995, pp. 269-274.

13. Perry D.E., Wolf A.L. Foundations for the study of software architecture. ACM SIGSOFT Software Eng. Notes, Vol.17, No.4, 1992

14. Макаров В.В., Амальник М.С. Анализ и синтез архитектуры сложных аппаратных и программных систем // Автоматизация проектирования. 1999 - №2.

15. Прохоров А. Многоликая виртуальная реальность. // КомпьютерПресс. 2000 - №8 - стр. 9-15.

16. Александров А.П., Артамонов Е.И., Высотин О.В., Новиков Д.В., Шевченко А.Г. Программное обеспечение для разработки тренажеров. // Автоматизация проектирования. 1998 - №4.

17. Мамаев В.Я. Новые информационные технологии в авиационном тренажеростроении // Мир авионики. 2001. - №2. - стр. 38-40.

18. Lanergan R., Grasso С. Software engineering with reusable designs and code. IEEE Trans. SE, SE-10(5), pp. 498-501, September 1984.

19. Lanergan R., Poynton B. Reusable code: The application • development technique of the future. Proceedings of the IBM

20. SHARE/GUIDE Software Symposium, pp. 127-136, Monterey, CA, October 1979

21. Szyperski C. Components and Objects Together. Software Developer Magazine, May 1999

22. Muehlhaeuser M. (Ed.) Special Issues in Object-Oriented Programming, Workshop Reader of 10th European Conference on Object-Oriented Programming (ECOOP '96), Heidelberg, Germany, 1997

23. Snyder A. Encapsulation and inheritance in object-orientedlanguages. Object-Oriented Programming Systems, Languages, and Applications (OOPSLA '86) Conference Proceedings, pp. 38-45, Portland, OR, November 1986

24. Ambler S. A Realistic Look at Object-Oriented Reuse. Software Developer Magazine, pp. 30-41, January 1998

25. Rumbaugh J., Blaha M., Premerlani W., Eddy F., Lorenson W. Object-Oriented Modeling and Design, Prentice Hall, Englewoodf Cliffs, NJ, 1991

26. Annual Report on Civil Aviation. ICAO Journal, Vol.55, No.6, July/August 2000, pp. 10-40.

27. Mattsson M., Bosch J., Fayad M.E. Framework Integration Problems, Causes, Solutions. Communications of the ACM, Vol.42, No.10, October 1999

28. Johnson R.E., Foote В. Designing reusable classes. Journal of Object-Oriented Programming, Vol.1, No.2, June/July 1988, pp. 2235.

29. Roberts D., Johnson R.E. Evolve Frameworks into Domain-Specific Languages. Proceedings of the 3rd Conference on Pattern Languages and Programming (PLoP '96), pp. 471-486, Montecillio, IL, 1996.

30. Mattsson M. Evolution and Composition of Object-Oriented Frameworks. Ph. D. thesis, University of Karlskrona/Ronneby, Sweden, 2000

31. Мацяшек JI.А. Анализ требований и проектирование систем. М.: Изд. дом «Вильяме», 2002

32. Шаллоуей А., Тротт Д.Р. Шаблоны проектирования. М.: Изд. дом «Вильяме», 2002

33. Эйнджел Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL. М.: Изд. дом «Вильяме», 2001

34. Lehoczky J., Sha L., Ding Y. The rate-monotonic scheduling algorithm: exact characterization and average case behavior. Proceedings of the 10th IEEE Real-Time Systems Symposium, pp. 166-171. December 1989

35. Schmidt D.C. The ADAPTIVE Communication Environment: An Object-Oriented Network Programming Toolkit for Developing Communication Software. Proceedings of the 12th Sun User Group Conference. San Francisco, CA, June 14-17, 1994.

36. Schmidt D.C. An Architectural Overview of the ACE Framework: A Case-study of Successful Cross-platform System Software Reuse. ;login: The Magazine of USENIX and SAGE, Special Issue on Tools, January 1999

37. Klasky R., Anscheutz R., Molnar J., Jones T. Dismounted Soldier System: The First Virtual Soldier Simulator. 14th Distributed Interactive Simulation (DIS) Workshop, vol.l-Position Papers, pp. 43+, Orlando, Florida, 11-15 March, 199641,42.