автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Развитие и применение методов параллаксной компьютерной стереографики в информационно-измерительных и управляющих системах с ЭЛТ трубками

Введение.

Глава 1. Обзор современных методов демонстрации стереоскопического эффекта.

1.1. Изучение стереоскопического эффекта и принципа построения стереоизображений

1.2. Голографический способ демонстрации стереоизображений. 12 1.3 .Поляризационный способ сепарации стереоизображений.

1.4. Эклипсная система сепарации стереоизображений.

1.5. Растровый способ демонстрации стереоизображений.

1.6. Обзор существующих аппаратных устройств индивидуальных систем демонстрации стереоскопических изображений, их достоинства и недостатки, тенденции их развития.

Выводы.

Глава 2. Оптическая система для массовой демонстрации стереоскопического эффекта. (Аппаратные средства массовой демонстрации автостереоэффекта)

2.1. Анализ технических устройств массовой демонстрации стереоэффекта.

2.1.1. Линзовый растровый экран

2.1.2. Линзовый рир-проекционный растровый экран

2.2. Принцип работы и свойства жидкокристаллических ячеек. 40 2.2. Активная стереоскопическая насадка на экран ЭЛТ монитора персонального компьютера (диффузионный просветный поляроидный растровый экран).

2.4. Выводы.

Глава 3. Разработка нового графического формата стереоскопических объектов, использующего данные, инвариантные к преобразованиям систем координат.

3.1. Методы построения реалистичных трехмерных изображений

3.2.Выбор избыточного оптимального набора данных 59 3.3 Определение условий видимости элементов объекта, вписанного в сферу.

3.4. Матрица отображения графического объекта.

3.5. Выводы.

Глава 4. Алгоритм построения трехмерных изображений по матрице отображения стереообъектов.

4.1. Анализ существующих алгоритмов рендеринга.

4.1.1. Алгоритм Робертса.

4.1.2. Алгоритм разбиения области Варнока

4.1.3. Построчный алгоритм Уоткинса

4.1.4. Алгоритм удаления поверхностей с Z-буфером.

4.1.5. Алгоритм трассировки лучей

4.2. Алгоритм построения трехмерных изображений по матрице отображения стереообъектов.

4.2.1. Алгоритмы триангуляции.

4.2.2. Построение стереоскопического объекта по матрице отображения.

4.2.2.1. Алгоритм прокола объектной сферы лучом, исходящим из фокальной точки камеры.

4.2.2.2. Алгоритм обхода найденной области объекта в экранной зоне.

4.2.2.2.1. Алгоритмы бисекции и трисекции.

4.2.2.3. Алгоритм определения цвета экранной пикселы.

С развитием информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) все большее значение приобретает задача обработки исходных данных и их итогового интегрированного представления. Так как 90% информации воспринимается органами зрения человека, то очевидно, что задача создания адаптированных ИИУС, использующих способы и устройства отображения информации в виде, удобном для человеческого восприятия, и является в настоящее время одной из важнейших. При этом представление плоского изображения на экране монитора компьютера стало недостаточным (не содержит пространственную информацию), поэтому в области представления информации наметился переход на качественно новый уровень - объемное изображение.

В области стереографики имеется ряд работ таких ученых, как Аничкин Б.А., Виницкий И.Г., Валюс Н.А. Индивидуальные аппаратные средства являются самыми примитивными устройствами наблюдения стереоэффекта, поэтому не рассматриваются в работе. Но современные аппаратные средства в области автостереоскопических систем также обладают рядом недостатков, которые ограничивают область их применения в ИИУС. Такими недостатками являются их технологическая сложность, дороговизна и невозможность использования наиболее распространенных мониторов ЭЛТ типа. Поэтому в ИИУС со стереоскопическими системами отображения возможно применение только жидкокристаллических стереомониторов.

Кроме того, современная компьютерная стереографика ставит задачу разработки алгоритмов визуализации, обеспечивающих возможность вывода стереоизображений в режиме реального времени для интерактивного управления стереообъектами. Над решением этой задачи работают такие ученые как Э. Найнер и П. Глазковский. Известные алгоритмы с такой задачей не справляются, т.к. являются многопроходными (многократное 6 сканирование исходных данных) и требуют сложных математических расчетов на этапе визуализации.

В связи с этим в диссертационной работе ставится задача создания программно-аппаратного комплекса ИИУС, позволяющего применять мониторы ЭЛТ типа и выводить на экран стереоскопические объекты в режиме реального времени с интерактивным управлением.

4.4. Выводы.

Основным достоинством предложенных алгоритмов является существенное сокращение самой трудоемкой операции - поиск данных по матрице, а необходимая ячейка с информацией определяется при помощи не столь трудоемких операций. Кроме того, алгоритм является однопроходным, то есть он выводит изображение на экран за один проход по матрице отображения. При расчете последующих стереоскопических кадров алгоритм учитывает вычисленные в предыдущем кадре области объектов и производит выборочный перерасчет (не используя процедуру определения пересечения), используя эвристический метод. Все это позволило выполнить ускоренный рендеринг стереообъектов на экране в реальном масштабе времени.

Трудоемкие алгоритмы бисекции и трисекции удалось заменить относительно простым алгоритмом медианных разбиений треугольника, в результате чего мы практически полностью исключили операцию проецирования объекта на картинную плоскость.

Таким образом, в диссертационной работе при решении поставленных задач были получены следующие результаты и выводы:

1. Выполнен анализ существующих аппаратных устройств разделения стереоизображений по каналам зрения, выявлены основные недостатки, тенденции их развития.

2. Предложен и обоснован метод разделения стереоизображений по каналам зрения наблюдателей, позволяющий использовать мониторы ЭЛТ типа.

3. Предложен новый графический формат данных, использующий геометрические свойства объектов и отличающийся от известных большей приспособленностью к оптимальному хранению исходных данных, что позволяет проводить выборочное чтение информации из матриц отображения при выводе на экран.

4. Разработан и предложен математический метод построения стереоскопических объектов, использующий предварительные расчеты и избыточный набор данных о графических объектах и позволяющий проводить ускоренные операции преобразования стереообъектов (трансформация, масштабирование, поворот, взаимодействие с другими стереоскопическими объектами).

5. Разработан алгоритм определения условий видимости объекта (пронизывания лучом объектной сферы) для нахождения области поиска данных в матрице отображения. Это позволяет проводить построение интерактивно управляемых пользователем объектов в режиме реального времени.

6. Создана стереоскопическая насадка на экран, на которую получен патент РФ №2164702. Преимуществом разработанного устройства является возможность его массового производства, технологическая простота и дешевизна по сравнению с аналогичными устройствами, возможность использования с мониторами типа ЭЛТ.

Рис. 48 Система отображения стереоскопических изображений для информационно-измерительных и управляющих систем (СГТУ).

Полученные результаты могут быть использованы в управлении различными процессами в ИИУС при невозможности прямого наблюдения на производстве, в системах трехмерного проектирования, обработки и визуализации информации, в поисковых экспертных системах, решающих задачи сравнения трехмерных образов, в управлении подвижными транспортными средствами, в обучающих и моделирующих системах, в системах виртуальной реальности.

Информационная система внедрена на ОАО «Нефтемаш» - САПКОН (г. Саратов) и применяется в отделе маркетинга на выставках и презентациях

120 выпускаемой продукции. В научно-исследовательском институте В/Ч-41469 внедрена как имитационная тренировочная система.

1. Аничкин Б. А. Стереоперспектива (теория и практика стереоскопического черчения).: Часть I.- Изд-во Сарат. ун-та, 1983.- 132с.

2. Америк Ю. Б., Кренцель Б.А. Химия жидких кристаллов и мезоморфных полимерных систем.-М. :Наука, 1981.-288с.

3. Александер И.Н., Хайкин А.С. Состояние стереоскопического ки нематографа за рубежом.//Техника кино и телевидения.- 1984.- NN 9,10.

4. Амельянова С.Г., Индлин Ю.А., Рожков С.Н., Суслов Ю.В. Оценка пороговых параллаксов стереокиноизображений и порогов стереозрения в условиях кинозала. Всесоюзный научно-исследовательский кинофотоинститут.

5. Андреев В.М.Создадим анимацию сами, Autodesk Animator Pro. Минск: ПК ООО «ПолиБиг», 1995,.- 174с.

6. Афанасьев В.О., Алешин В.И. и др. Формирование стереоскопического изображения виртуальной сцены в системе "Гипервизор" // Вопросы кибернетики. 1995. - № 181.

7. Ахо А.В., Хопкрофт Дж., Ульман Дж.Д. Структуры данных и алгоритмы. М.: Изд. дом «Вильяме», 2001г. 384с.

8. Болтянский А.Г. "Расчеты параметров стереокино и фотосъемки для проекции на экран.//Техника кино и телевидения.- 1957.- N 5.-С.56

9. Болтянский А.Г., Комар В.Г., Овсянникова Н.А. Кинематограф ли стереокино? //Техника кино и телевидения.- 1975.- N 3.-С.48

10. Болтянский А.Г., Рожков С.Н., Слабова А.Е. "Состояние и перспективы производства фильмов по системе "Стерео-70"".: Всесоюзный научно-исследовательский кинофотоинститут //Сборник научных статей, вып. 122, 1985.

11. Бахрах Л.Д., Катыс Т.П., Катыс П.Г. Оптико-электронные системы трехмерного отображения визуальной информации // Приборы и системы управления. 1997. - № 3. - С. 40-45.

12. Валюс. Н.А. Стереоскопия. М.: Изд-во АН СССР, 1962. -379 с. 13.Валюс Н.А. Стерео: фотография, кино, телевидение. - М.: Искусство, 1986. - 306 с.

13. Валюс Н.А. Современное состояние техники стереоскопической кинематографии.: Труды Всесоюзного научно-исследовательского кинофотоинститута, выпуск IX. М.: Госкиноиздат, 1948.

14. Валюс Н.А. Стерео: фотография, кино, телевидение. -М.: "Искусство", 1986.

15. Величкин С. Призматические стереоочки. //Наука и жизнь-2000.-№ 10.- С. 11

16. Величкин С. Стереоскопическая видеосъемка.// Наука и жизнь.-1998.-№ 4. -С.44

17. Визуализация данных муниципальных ГИС/Черносвитов В.Д.Самара: Изд-во Самарского муниципального университета им. Наяновой

18. Вирт Н. Алгоритмы + структуры данных = программы. М.: Мир, 1985г. -406с.

19. Влахос П. "Роль стереоскопии в кинематографе.//Техника кино и телевидения".- 1975.-N 3.-С.23

20. Вороновский Г.К. и др. Генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и проблемы виртуальной реальности. Харьков, 1997. - 111с.

21. Голдовский Е. М. "Введение в кинотехнику.-М.: Искусство, 1974.

22. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. М.: Мир, 1977

23. Действующее лицо пространство: Беседа с режиссером Б. В. Рыцаревым // Техника кино и телевидения. - 1985.- N 2.-С. 24

24. Желтое С., Лихачев Н., Степанов В. Виртуальная реальность новая информационная технология // Экология непознанного. - 1995. - № 1. - С. 611.

25. Иванов Б.Т. Растровая стереоскопия в кино. -М.: Госкиноиздат, 1945.

26. Иванов Б.Т., Левингтон А.Л. "Стереоскопическая фотография.-М.: Искусство, 1959.

27. Иванов С.П. Некоторые свойства светосильного растра. Цветное и стереоскопическое кино: Труды научно-технической конференции (май 1946 г.).- М.: "Госкиноиздат", 1947.

28. Иванов С.П. О стереоскопическом кино.- М.: Всесоюзное общество по распространению политических и научных знаний, 1948.

29. Катыс Г.П., Катыс П.Г. Автоматический синтез трехмерных объектов // Приборы и системы управления. 1997. - № 2. - С. 48-53.

30. Катыс Г.П. Объемное и квазиобъемное представление информации. М.: Энергия, 1985. - 368 с.31 .Катыс Г.П., Катыс П.Г., Яковлев А.И. Трехмерные системы

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

32. Кожевникова Г.П. Структуры данных и проектирование эффективной вычислительной среды. Львов: ЛГУ, 1986г. 176с

33. Ключников А. С. Радиооптика и голография: Учеб. пособие для вузов. Минск. : Университетское, 1989.- 224с.

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

35. Литвинцева Л.В., Налитое С.Д. Виртуальная реальность: анализ состояния и подходы к решению // Новости искусственного интеллекта. -1995. -№3.- С. 24-90.

36. Литвинцева Л. В., Налитое С.Д. Графические средства для построения систем когнитивной графики и виртуальных миров // Программные продукты и системы. 1995. - № 2.

37. Матвеев А.Н. Оптика: учебное пособие физ. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1985.-351 с.

38. Митилино С. Трехмерные дисплеи: обзор технологий.// Компьютерное обозрение.-2001.-№35, 12-18 сентября.

39. Морозов А. М., Кононов И.В. Оптические голографические приборы: Учеб. пособие для средних ПТУ.- М.:Машиностроение,1988.-128с.

40. Овсянникова Н.А., Слабова А.Е. Технические и технологические принципы "Стерео-70".// Техника кино и телевидения.- 1975.- N 3.

41. Пат. РФ на изобретение № 2164702 «Устройство для демонстрации стереоскопических изображений» , А. А. Никонов, А. В. Никонов, В.М. Долгов, Ю.М. Долгов.

42. Плясневич Г.С., Тюхов Б.П. Концептуальное моделирование виртуальной реальности // Интеллектуальные системы.: Труды конференции 1996 г. второго международного симпозиума. СПб., 1996.

43. Повышение качества кинопоказа. Развитие киноаппаратуры и кинотехнологии// Сборник научных трудов, 1989

44. Прасолов В.В. Задачи по планиметрии: 4.1. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1991.

45. Проворнов С.М. "Основы кинотехники: Конспект лекций. -Л.: Ленинградский институт киноинженеров, 1975.

46. Представления объемной видеоинформации. М.: Международная инженерная академия ,1998. - 122 с.

47. Романов В. П. Пороговые эффекты в жидких кристаллах // Соросовский образовательный журнал.-2001 .-N1 .-С.96-101.

48. Сонин А.С. Введение в физику жидких кристаллов. М.: Наука, 1983.

49. Степанов А.А., Бахтина Т.Е., Свердлова Т.А., Желтое С.Ю. Обзортехнических и программных средств систем виртуальной реальности // Технология виртуальной реальности. М., 1996. - С. 15-56.

50. Стереоскопия и ее применение. Под ред. Б.А. Аничкина, И.Г. Виницкого. Из-во Сарат. ун-та, 1989, 248 с.

51. Стереовидение для всех.//Мир ПК, март 2000, с. 152.

52. Технология виртуальной реальности: состояние и тенденции развития // Новости искусственного интеллекта. 1995. - № 3. - С. 118-122.

53. Технологии третьего тысячелетия.// Мир Internet.- январь 2001.-С.14.

54. Титтел Эд., Сандерс К., Скотт Ч., Вольф П. Создание VRML миров / Пер. с англ. Киев: Изд-во Труппа BHV", 1997. - 320 с.

55. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. М.: Мир, 1980.

56. Шацкая А.Н. "Основы стереофотокиносъемки.- М: Искусство, 1983.

57. Шепелюк В. Стереокино.-М.: Госкиноиздат, 1945.

58. Шкаровский С.Н., Смогайлов Е.И., Юдин И.П. Алгоритмы визуализации в среде UNIX для спектрометричепкой установки", в трудах III Открытой Научной Конференции Молодых Ученых и Специалистов ОИЯИ, 15 -19 февраля 1999г Дубна.

59. Щекочихин B.C. К вопросу о воспроизведении пространственных соотношений в стереоскопическом кинематографе.

60. Щекочихин B.C. О значении перспективы изображения при воспроизведении пространства в стереоскопическом кинематографе.

61. Яншин В.В., Калинин Г.А., Обработка изображений на языке Си для IBM PC: Алгоритмы и программы. М.: Мир, 1994. - с.

62. Шинкаренко В.И. Об оценке эффективности алгоритмов с учетом архитектуры ЭВМ. / Комп'ютерне моделювання. Тезисы докладов межгосударственной научно-практической конференции. Днепродзержинск: ДГТУ, 2000г.-с.268-269.

63. Airey J. Increasing update rates in the building walkthrough system with automatic model space subdivision. Techni - Cal Report TR90 - 027, The University of North Carolina at Chapel Hill, Department of Computer Science, 1990.

64. Airey J., Rohlf J., and Brooks F. Towards image realism with interactive update rates in complex virtual building environ ments. ACM SIGGRAPH Special Issue on 1990 Symposium on Interactive 3D Graphics, 24 (2): 41 - 50, 1990.

65. Badt S. Two algorithms for taking advantage of temporal coherence in ray tracing The Visual Computer, 4:123 132, 1988.

66. Candell Thomas P. The Application of Neural Networks to Virtual Reality // 1CNN Tutorial. 1994. № 13. WCCI (Orlando F.L.).

67. Casas L. A. A. et al. Virtual reality full immersion techniques for enhancing workers performance // Proc. Intern. Conf. On Integrated and Sustainable Industrial Production. (Lisbon, Portugal). 1997. P. 399-411.

68. Chapman J., Calvert T.W., and Dill J. Spatio temporal coherence in ray tracing. Proceedings of Graphics Interface ' 90, 196 - 204, 1990.

69. Garlick A., Baum D, and Winget J. Interactive viewing of large geometric databases using multiprocessor graphics workstations. SIGGRAPH ' 90 Course Notes: Parallel Algo rithms and Architectures for 3D Image Generation, 1990.

70. Glassner B. Spacetime ray tracing for animation. IEEE CG & A, 8 (3): 60- 70, March 1988.

71. Glassner A. Space subdivision for fast ray tracing.// IEEE CG & A, 4 (10): 15-22, Oct. 1984.

72. Hubschman H. and Zucker S.W. Frame to frame coherence and the hidden surface computation: constraints for a convex world. ACM TOG, 1 (2): 129- 162, April 1982.

73. Improvement in or relating to stereoscopic display device/D.H.Mash, W.A. Crossland, J.H. Morrissy // Pat. No. 46259/74 Great Britany, 1448520.

74. Jevans D and Wyvill B. Adaptive voxel subdivision for ray tracing. Proc. Graphics Interface ' 89, 164 172, June 1989.

75. Jevans D. Object space temporal coherence for ray trac ing. Proc. Graphics Interface ' 92, Vancouver, В. C., 176 - 183, May 11 - 15, 1992.

76. Кау Т. and Kajiya J. Ray tracing complex surfaces. Com puter Graphics, 20 (4): 269 - 278, Aug. 1986.

77. Kaplan M. The use of spatial coherence in ray tracing. In Techniques for Computer Graphics, etc., D. Rogers and R. A. Earnshaw, Springer Verlag, New York, 1987.

78. Kenneth Nemire. Evaluting an immersive virtual environment prototyping and simulation // SPIE. 1997. vol. 3012. P. 408-416.

79. Libermcm Henry. Intelligent graphics // Commun. ACM. 1996. Vol. 39. №> 8. P. 38-48.

80. Macedonia M.R. A transatlantic research and development environment (3D virtual graphics) // IEEE Comput. Graph. Appl. 1997. Vol. 17. № 2. P. 76-82.

81. Pat. No. 46259/74 Great Britany, 1 448 520. Improvement in or relating to stereoscopic display device / Derek Hubert Mash, William Alder Crossland, Joseph Hewigan Morrissy.

82. Pelletier F. The virtual and real environments: symbiosis // Proc. Internal Conf. On Virtual Systems and Multimedia. 1997. P. 246-247.

83. Pourzand A.R. and Callings N. Progress in the construction of multilayer optical neural network //Proc. SPffi. 1998. Vol. 3940. P. 439-442.

84. Rubin S.M. and T. Whitted. A 3 dimensional representation for fast rendering of complex scenes. Computer Graphics, 14 (3): 110 -1 16, July 1980.

85. Rygov V.N. Energi of pair interaction of molecular systems.//XVIII Междунар. конф. по жидким кристаллам: Матер, науч. конф. Сендаи,2000.-С.386-387.

86. Simmonds B. Enhancing reality to make the ideal instruments // Control and lustrum. 1995. vol. 27. № 12. P. 29, 30.

87. Teller S. and Sequin C. Visibility preprocessing for interac tive walkthroughs.// Computer Graphics, 25 (4): 61 - 69, 1991.

88. Udo Jakob, Efi Douloumi. Let's move on the integration of motion Rendering in VR // SPffi. 1997. Vol. 3012. P. 454-460.

89. Vacca J.R. VRML: bringing virtual reality to the internet: CD-ROM included. Boston, 1996. - 552 p.

90. Watars R.C., Barrus J. W. The rise of shared virtual environments // IEEE Spectr. (USA). March. 1997. vol. 34. № 3. P. 20-25.

91. Ying-Ying Fang et al. A pseudo-immersive virtual environment a shell for research // Int. J. Virtual Real. (USA) 1996. Vol. 2. № 3. P. 8-14.1. Список публикаций:

92. Никонов А.В., Долгов В.М., Долгов Ю.М. Современные тенденции развития систем компьютерного стереовидения // Актуальные проблемы электронного приборостроения. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции. Саратов, 2000. С. 403-407.

93. Патент Российской Федерации на изобретение № 2164702 Устройство для демонстрации стереоскопических изображений / А. А. Никонов, А. В. Никонов, В.М. Долгов, Ю.М. Долгов. Заявлен 5 апреля 1999 г., опубликован 27 марта 2001 г.

94. Buyburin V.T., Nikonov A.V., Volkov Y.P., Dolgov V.M., Dolgov Y.M.,130

95. Российским агентством по патентам и товарным знакам на основании Патентного закона Российской Федерации, введенного в действие 14 октября 1992 гола, выдан настоящий патент на изобретение

96. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ1. Патентообладатель(л и):

97. Саратовский государственник mexunlecknri, университетпо заявке № 99106816, дата поступления: 05.04.1999 Приоритет от 05.04.1999 Автор(ы) изобретения:см. т обороте

98. Патент действует на всей территории Российской Федерации в течение 20 лет с 5 апреля 1999 г. при условии своевременной уплаты пошлины за поддержание патента в силе

99. Тюрин Вячеслав Семенович, начальник отдела маркетинга, Гудков Валерий Павлович, начальник отдела новой техники,

100. Набора моделей и управляемых изображений опытных и перспективных образцов продукции, готовящихся к выпуску.

101. Набора моделей сложных и трудно наблюдаемых процессов, находящихся в сфере профессионального и производственного интереса предприятия.

102. Скоростных драйверов визуализации и управления объемными объектами в режиме реального времени.

103. Стереоскопической насадки на экран ЭЛТ монитора компьютера, для стереоскопического наблюдения объемных моделей и подвижных параллаксных изображений.

104. Председатель комиссии Лаптев А. А.

105. ПРЕДСЕДАТЕЛЬ КОМИССИИ Начальник научного управления доктор технических наук, профессор1. Э. Шаталов1. ЧЛЕНЫ КОМИССИИ:

106. Начальник научно-исследовательскогокандидат технических наук, старший научный сотрудник

107. Начальник научно-исследовательского отдела кандидат технических наук, старший научный сотрудник1. М. Щербаков