автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Создание компьютерной многофункциональной интерфейсной оболочки для информационно-измерительных систем со стереоскопическими жидкокристаллическими экранами

Введение.

Глава 1. Цель и задачи исследования.

1.1. Проблемы компьютерной векторной и растровой стереографики в ИИУС.

1.2. Цель и задачи исследования.

1.3. Выводы.

Глава 2. Разработка метода разделения стереоизображения по каналам зрения наблюдателя.

2.1. Процесс обработки данных в ИИУС со стереоскопической обработкой данных.

2.2. Методы сепарации стереоизображения.

2.3. Стереоскопический ЖК экран ИИУС.

2.4. Выводы.

Глава 3. Скоростные методы создания. стереоскопических сцен ИИУС.

3.1. Современные методы визуализации трехмерных сцен.

3.2. Способ представления объекта в стереосцене.

3.3. Разработка однопроходного алгоритма визуализации стереосцены.

3.4. Выводы.

Глава 4. Просветный безлинзовый анаглифический растр.

4.1. Анаглифический способ сепарации.

4.2. Анализ свойств просветного растра.

4.3. Подготовка стереоизображения для показа через анаглифический растр.

4.4. Проведение эксперимента.

4.5. Выводы.

Актуальность

Задачи, связанные с визуализацией обрабатываемой информации (в первую очередь стереоскопической), являются одними из основных при создании информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС). Стереоизображение дает наиболее полное представление о форме, устройстве и взаимном пространственном расположении сложных объектов, существенно облегчая анализ, контроль и управление в информационных системах.

В настоящее время устройства (очки, шлемы, стереомониторы), способные выводить стереоизображение, активно разрабатываются и применяются (стерео ЖК монитор DTI 15м 2015XLS Virtual Window компании Dimension Technologies).

Однако высокая стоимость большинства из них, сложность обслуживания, требовательность к вычислительным ресурсам и, главное -длительное время формирования стереоизображения, не позволяют использовать их в системах реального времени.

Существующие алгоритмы создания, преобразования и визуализации трехмерных объектов, разработкой которых занимались Э. Хайнес, С.М. Рубин, Т. Вайтед, А. Гласснер, В. Вайвилл, М. Каплан и др., требуют мощных вычислительных ресурсов компьютерной системы и не всегда подходят для визуализации стереообъектов в реальном времени.

В этой связи актуальной задачей является разработка многофункциональных интерфейсных оболочек для систем управления и обработки информации со стереоскопической обработкой данных, способных работать на обычных персональных компьютерах. В данном случае под многофункциональной интерфейсной оболочкой понимается набор аппаратных и программных средств, обеспечивающий взаимодействие человека с информационно-измерительной системой со стереоскопической обработкой данных, и включающий в себя скоростные алгоритмы преобразования и вывода стереосцен. Стереосценой называется совокупность трехмерных моделей стереообъектов, определяющая их взаимное расположение в пространстве.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснован метод разделения стереоизображения по каналам зрения правого и левого глаз наблюдателя, использующий совмещенный и одновременный вывод кадров стереопары на едином жидкокристаллическом экране информационно-измерительной и управляющей системы.

2. Предложена и обоснована математическая модель стереосцен, включающая в себя набор инвариантных данных треугольников, позволяющий упростить и ускорить операции преобразования стереосцен.

3. Предложен и апробирован универсальный компьютерный стереоформат для ИИУС, позволяющий хранить в памяти компьютера такие исходные данные, как аналитические выражения, цифровые данные, графические изображения.

4. Обоснован метод отображения информации ИИУС, использующий ускоренный однопроходный алгоритм визуализации стереоскопических сцен.

Области применения

Компьютерные многозадачные стереоскопические интерфейсные оболочки могут быть применены в следующих областях: в ИИУС различного назначения (производство, медицина, экспериментальные исследования, образование и т.д.), включая системы реального времени, видеотренажеры и т.д.; 6 в игровой индустрии при создании игровых приставок нового поколения, использующих жидкокристаллические экраны для отображения трехмерной игровой ситуации; в средствах мобильной связи и др.

На базе стандартного ЖК экрана разработано и предложено устройство, использующее свойства пассивного поляризационного просветного растра, позволяющее демонстрировать стереоскопический эффект без применения индивидуальных стредств просмотра.

Результаты работы реализованы в презентационно-рекламном комплексе, используемом в информационной деятельности отдела маркетинга ОАО "Нефтемаш"-САПКОН, и в системе идентификации труднодоступных или опасных объектов, применяемой в НИИ в/ч 61469.

4.5. Выводы.

В процессе подготовки эксперимента были проанализированы основные свойства растровых решеток, определены условия формирования пространственной картины зон избирательного видения. Спроектирована, изготовлена и смонтирована растровая анаглифическая решетка на экран монитора Sony Trinitron Multiscan 15 SF II. Проанализированы и учтены геометрические искажения отображаемого изображения для этого монитора. Изготовлены и адаптированы для него методом подушкообразной дисторсии анаглифические картинки для показа через изготовленный анаглифический растр.

Были реализованы опыты по демонстрации стереоскопического изображения через анаглифический растр группе лиц, выявившие ряд недостатков получившейся насадки. Проведенный эксперимент подтвердил сделанный ранее вывод о плохой приспособленности для предложенной технологии формирования и демонстрации стереоэффекта существующих мониторов на ЭЛТ. Однако, тем не менее он со всей очевидностью доказал возможность получения стереоскопического эффекта при помощи просветного пассивного растра и предложенного способа одновременного черезстолбцового размещения кадров стереопары на всей плоскости экрана. Очевидно, что применение предложенных в диссертационной работе сепарационных способов в полном объеме даст значительно лучшие результаты, как по цветности, так и по качеству достигаемого стереоэффекта при исполнении поставленной цели: массовости его демонстрации.

Заключение

Проанализированы достоинства и недостатки современных представлений о геометрических свойствах трехмерных объектов. Показана их малая приспособленность для целей скоростного вывода стереосцен. Существующие модели являются слишком громоздкими для задач отображения стереоскопических объектов в режиме реального времени. Обосновано несовершенство современных алгоритмов обработки и визуализации стереосцен.

Предложена математическая модель стереообъекта, содержащая дополнительную информацию о топологии его поверхности и позволяющая производить скоростные операции преобразования и проецирования трехмерной сцены на картинную плоскость камеры.

Разработаны и математически доказаны условия видимости объекта, применимые при скоростном однопроходном алгоритме визуализации стереоскопической сцены, уменьшающие количество промежуточных вычислений в процессе рендеринга таких, как преобразование координат объекта, проецирование его триангулированных областей на плоскость камеры, определение вершин, попавших в область видимости.

Проведен анализ конструктивных особенностей мониторов на ЭЛТ и ЖК-матрицах. Для адаптации к воспроизведению двух моноскопических кадров для множественной аудитории был выбран ЖК-монитор, по своим качествам наиболее приспособленный для растровых сепарационных пассивных оптических систем.

Предложен и обоснован метод разделения стереоизображения по каналам зрения правого и левого глаз наблюдателя, использующий совмещенный и одновременный вывод кадров стереопары на едином жидкокристаллическом экране.

Разработано устройство отображения ИИУС на ЖК экране, способное разделить стереоизображения по каналам зрения группы наблюдателей. По

112 материалам разработки подана и прошла предварительную экспертизу заявка на изобретение "Устройство для демонстрации стереоскопических изображений" (прил. 1.).

Получены экспериментальные данные, доказывающие возможность получения стереоскопического эффекта при помощи просветного пассивного растра. Доказан предложенный в работе способ формирования стереоизображений путем совмещенного и черезпиксельного по горизонтали размещения кадров стереопары по всей плоскости экрана.

Таким образом, в работе поставлена, исследована и доведена до практического решения задача создания многофункциональной интерфейсной оболочки для информационно-измерительных и управляющих систем со стереоскопической обработкой данных, позволяющей на экране монитора обычного компьютера достичь стереоскопического эффекта без применения дорогостоящих и технически сложных устройств.

1. Абраш, Майкл. Программирование графики. Таинства,- Киев: ЕвроСиб, 1995.-58с.

2. Аммерал JI. Машинная графика на языке С: В 4-х кн. Сол Систем, 1992.

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

4. Барановский В.В. К вопросу об оценке абсолютной удаленности предметов. Проблемы физиологической оптики. Т. II.-М.: Наука, 1955,-56с.

5. Басов М.М. Стереоскопическая кинопроекция по поляризационному методу. //Киномеханик,- 1940.-№ 8.-С.21

6. Белостоцкий Е.М., Гольцман Н.И. Семеновская E.H. О восприятии пространства в стереокино. Проблемы физиологической оптики.Т. 12,, 1958,- 255-265C.

7. Бинк Р., Брюккер Р. Мозг и глаз,- СПб.: Медгиз., 1959.-38с.

8. Боревич З.И. Определители и матрицы,-М.: "Наука", 1970,- 199с.

9. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов,- М.: Изд-во "Наука", 1980,- 976с.

10. Ю.Буземан Г. Выпуклые поверхности./Пер. с англ. М.: Изд-во "Наука", 1964.-240 с.

11. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения: Пер. с англ. М.Конкорд, 1992,- 519 с.

12. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений. Преобразования и медианные фильтры. /Хуанг Т.С., Эклунд Дж.-О., Нуссбаумер Г. Дж. и др: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1984. - 224 с.

13. Валюс. Н. А. Стереоскопия,- М.: Изд-во АН СССР, 1962,- 379с.

14. Валюс H.A. Обзор основных способов воспроизведения пространственных изображений.// Кинофототехника.- 1941,- № 2. -С.15.

15. Гилой В. Интерактивная машинная графика.- М.: Мир, 1982- 154с.

16. Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен./ Пер. с англ. -М.: Мир, 1976.- 512 с.

17. Задачи по геометрии,- М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1978,- 164с.18.3ейферт X., Трельфалль. Топология,- Л.:Наука, 1938,- 205с.

18. Иванов В.П., Батраков A.C. Трехмерная компьютерная графика. М.: Радио и связь, 1994.-89с.

19. Каган В.Ф. Основы теории поверхностей в тензорном изложении. Ч. II. Поверхности в пространстве. Отображения и изгибания поверхностей. Специальные вопросы. М.: Изд-во ОГИЗ, 1948. - 407 с.

20. Калинин Г.А. Быстрый алгоритм геометрических преобразований изображений: //Вопросы передачи, распределения и обработки информации в задачах испытаний летательных аппаратов: Сб. научн. Трудов МАИ- М.: Изд-во МАИ, 1982. 80 с.

21. Калинин Г.А. Комплекс программ геометрической трансформации изображений. //Методы и средства обработки сложноструктурированной семантически насыщенной графической информации: Тезисы докладов/ I Всесоюзная конференция, Горький-Горький, 1983.-С. 12

22. Клиот-Дашинский М.И. Алгебра векторов и матриц,- 2-е изд. / Оформление обложки СЛ. Шапиро, A.A. Олексенко.-СПб.: Изд-во "Лань", 1998.-160 с.24Ласло Майкл. Вычислительная геометрия и компьютерная графика на С++. -М.: Бином, 1997,-бЗс.

23. Мак-Коннел А. Дж. Введение в тензорный анализ с приложениями к геометрии, механике и физике,- М.: Физматгиз, 1963,- 411с.

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

25. Матвеев C.B., Фоменко А.Т. Алгоритмические и компьютерные методы в трехмерной топологии. М.: Изд-во МГУ, 1991. - 301 с.

26. Миннарт М. Свет и цвет в природе,- М.: Изд-во "Наука", 1969, 344 с.

27. Павлидис У. Алгоритмы машинной графики и обработка изображений.- М.: Радио и связь, 1988.-85с.

28. 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.

29. Погорелов A.B. Геометрические методы в нелинейной теории упругих оболочек. -М.: Изд-во "Наука", 1967.-280с.

30. Погорелов A.B. Однозначная определенность общих выпуклых поверхностей. -М.: Изд-во "Наука", 1966.-245с.

31. Прасолов В.В. Задачи по планиметрии. 4.1. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Наука, 1991.-79с.

32. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2-х книгах./Пер. с англ.- М.: Мир, 1982. Кн. 1 - 312 е., кн. 2 - 480 с.

33. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики.-М.: Машиностроение, 1980.-219с.

34. Розенфелд А. Распознавание и обработка изображений с помощью вычислительных машин./Пер. с англ. -М.: Мир, 1972. 232 с.

35. Русскевич Н.Л. Новые методы вычерчивания наглядных изображений в аксонометрических и центральных проекциях. М.: Машгиз, 1953.-63с.

36. Сван Том. Форматы файлов Windows./ Пер. с англ. М.: БИНОМ, 1994 -288 с.

37. Секреты программирования игр/ А. Ла Мот, Д. Ратклифф, М. Семинаторе, Д. Тайлер. СПб.: Питер-Пресс, 1995.-95с.

38. Стереовидение для всех.// Мир ПК,- 2000.-№3,- С. 152.

39. Стереоскопия и ее применение./ Под ред. Б.А. Аничкина, И.Г. Виницкого. -Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989,- 248 с.

40. Тихомиров Ю. Программирование трехмерной графики. СПб.: BHV, 1998.-113с.

41. Томпсон Н. Секреты программирования трехмерной графики для Windows 95/ Перев. с англ. СПб.: Питер, 1997. - 352 с.

42. Уилтон Р. Видеосистемы персональных компьютеров IBM PC и PS/2: Руководство по программированию. М.: Радио и связь, 1994.-384 с.

43. Флорес И. Структуры и управление данными / Пер. с англ. В.И. Будзко; Предисл. В.М. Савинкова. М.: Финансы и статистика, 1982. -319 с.

44. Фокс Ф., Пратт М. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве. М.: Мир, 1982.-168с.

45. Фол и Дж., ван Дэм Ф. Математика и САПР: В 2 кн. М.: Мир, 1988 -450с.

46. Фоли Дж., ван Дэм А. Основы интерактивной машинной графики: В 2 книгах./ Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - Кн. 1 - 368 е., кн. 2 - 268 с.

47. Фрезер Р., Дункан В., Коллар А. Теория матриц и ее приложения,- М.: ИЛ, 1950. -445с.

48. Фролов С.А. Начертательная геометрия- М.: Изд-во "Машиностроение", 1978. 239 с.

49. Хейни, Лорен. Построение изображений методом слежения луча. М.: 1994.-79с.

50. Чанг Ши Као. Принципы проектирования систем визуальной информации. /Пер. с англ. -М.: Мир, 1992.-98с.

51. Шикин А.В., Боресков А.В. Компьютерная графика. Полигональные модели. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000. 464 с.

52. Шикин А.В., Боресков А.В. Компьютерная графика. Полигональные модели. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000. 464 с.

53. Шикин Е.В., Боресков А.В., Зайцев А.А. Начала компьютерной графики. М.: Диалог-МИФИ, 1995.-45с.

54. Шикин Е.В., Боресков А.В. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. -М.:, Диалог-МИФИ, 1995.-67с.

55. Шикин Е.В., Плис А.И. Кривые и поверхности на экране компьютера. -М.: Диалог-МИФИ, 1996.-43с.

56. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов,- М.: Изд-во "Наука", 1964,- 848с.

57. Яншин В.В., Калинин Г.А., Обработка изображений на языке Си для IBM PC: Алгоритмы и программы. М.: Мир, 1994. - с. 241.

58. Alio, A., Hopcroft, J., and Ullman, J. 1974. The Design and Analysis of Computer Programs. Reading, MA: Addison-Wesley.

59. Alford, M. 1983. Derivation of the Element-Relation-Attribute Database Requirements by Decomposition of system Functions, in Entity-Relationship Approach to Software Engineering. Ed. C. Davis et al. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier Science.

60. Almarode, J. October 1989. Rule-Based Delegation for Prototypes. SIGPLAN Notices vol. 24(10).

61. Andleigh, P. and Gretzinger, M. 1992. Distributed Object-Oriented DataSystems Design. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall.

62. Atkinson, M., Bailey, P., Chisholm, K., Cockshott, P., and Morrison, R. 1983. An Approach to Persistent Programming. The Computer Journal vol. 26(4).

63. Atkinson, M., and Buneman, P., June 1987. Types and Persistence in Database Programming Languages. ACM Computing Surveys vol. 19(2).

64. Bachman, C. 1983. The Structuring Capabilities of the Molecular Data Model, In Entity-Relationship Approach to Software Engineering. Ed. C. Davis et al. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier Science.

65. Barsky B. Computer graphics and geometric modeling using Beta-splines. -Springer Verlag, 1988.

66. Batini, C., and Lenzerini, M. 1983. A Methodology for Data Schema Integration in the Entity-Relationship Model, in Entity-Relationship Approach to Software Engineering. Ed. C. Davis et al. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier Science.

67. Beech, D. 1987 Groundwork for an Obect Database Model, in Research Directions in object-Oriented Programming, ed. B. Schriver and P. Wegneer. Cambridge. MA: The MIT Press.

68. Bloom, T. October 1987. Issues in the Design of Object-oriented Database Programming Languages. SIGPLAN Notices vol. 22(12).

69. Computer graphics. Principles and practice / D.J.Foley, A. van Dam, S.K.Feiner, J.F.Hughes. Addison - Wesley, 1991.

70. Cox, B. 1986. Object-Oriented Programming: An Evolutionary Approach. Reading, MA: Addison-Wesley, p. 29.

71. Farin G. Curves and surfaces for computer aided geometric design. A practicle guide. Academic Press, 1990.

72. Halbert, D., and O'Brien, P. September 1988. Using Types and Inheritance in Object-Oriented Programming. IEEE Software, vol. 4(5), p.73.

73. Hall R. Illumination and color in computer generated imagenary. 1991.

74. Guttag, J. 1980. Abstract Data Types and the Development of Data Stuctures, in Programming Language Design. New York, NY: Computer Society Press.

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

76. Kavi, K., and Chen, D. 1987. Architectural Support for Object-Oriented Languages. Proceedings of the Thirty-second IEEE Computer Society International Conference IEEE.

77. Lefrancois, G. 1977. Of Children: An Introduction to Child Development. 2nd ed. Belmont, CA: Wadsworth, p.244-246.

78. Liskov, B., and Zilles, S. 1977. An Introduction to Formal Specifications of Data Abstractions. Current Trends in Programming Methodology: Software Specification and Design , vol. 1. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall.

79. Nygaard, K., and Dahl, O-J. 1981. The Development of the Simula Languages, in History of Programming Languages. New York, NY: Academic Press, p.462.

80. Parnas, D. 1979. On the Criteria to Be Used in Decompositing System into Modules, in Classics in Software Engineering. New York, NY: Yourdon Press.

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. Rentsch, T. September 1982. Object-Oriented Programming. SIGPLAN Notices, vol. 17(12), p.51.

83. Shankar, K. 1984 Data Design: Types, Structures, and Abstractions. Handbook of Software Engineering. New york, NY: Van Nostrand Reinhold, p.253.120

84. Smith, M., and Tockey, S. 1988. An Integrated Approach to Software Requirements Definition Using Obects. Seattle, WA: Boeing Commercial Airplane Support Division, p. 132.1. Список публикаций

85. Заявка на изобретение «Устройство демонстрации стереоскопических изображений» А. В. Никонов, В.М. Долгов, Ю.М. Долгов. Заявлена 22 апреля 2002.

86. Никонов A.B., 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. 403-407.122

87. Buyburin V.T., Nikonov A.V., Volkov Y.P., Dolgov V.M., Dolgov Y.M., Naumova E.V. Application of computer stereovision systems to biological researches // SPIE's Novel Optical Instrumentation for Biomedical Applications, 2001, Bellingham, WA 98225 USA.