автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Специализированные средства систем отображения информации в научных исследованиях и технологических процессах

2 1 №

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ЭЛЕКТРОМЕТРИИ

На правах рукописи

ЛУБКОВ Анатолий Александрович

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ..

05.33.16 - "Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях"

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1997

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Хорошевский В.Г.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Пушной Б. М.

Ведущая организация: ОАО "Институт электронных управляющих

машин", г. Москва

Защита состоится " /У " 1997 г. в " № " часов

на заседаний, диссертационного совета К 003.06.01 в Институте автоматики и"электрометрии СО РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск, Университетский пр. 1.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и электрометрии СО РАН.

Диссертация в виде научного доклада разослана

" Л? " -^«У»^ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук /// Ильичев Л.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность. Эффективность применения вычислительной техники в научных исследованиях, комплексных тренажерных системах, управлении сложными производственными и технологическими процессами (космонавтика, авиация, энергетика, архитектура, химия и др.) в значительной степени зависит от функциональных возможностей и качества применяемых систем отображения информации (СОИ). Их развитие в стране уже более 25 лет тесно связано с работами, проводимыми в Институте автоматики и электрометрии СО РАН. В настоящей диссертации представлены результаты исследований по трем важным направлениям в области СОИ: каллиграфические дисплеи, системы визуализации реального времени, средства отображения оперативной информации коллективного пользования для диспетчерских комплексов.

При разработке каллиграфических дисплеев актуально обеспечение оперативного взаимодействия человека с ЭВМ. Это потребовало сформулировать предъявляемые к СОИ требования и реализовать их. Были исследованы алгоритмы функционирования и структура высокопроизводительных процессорных устройств каллиграфических дисплеев, методы генерирования символьной и векторной информации.

Развитие систем отображения информации привело к созданию систем визуализации реального времени (СВРВ) для авиационных и космических тренажеров с растровой разверткой. СВРВ это, как правило, конвейерные мультипроцессорные устройства, включающие буферные ЗУ и другие функциональные блоки. Для их создания было необходимо обеспечить функционирование конвейера СВРВ как единого целого, его тестирование, в том числе в процессе тренировки пилотов, синхронизацию, обмен оперативной информацией с ЭВМ. Это потребовало исследования архитектуры специализированного системного устройства - адаптера тестовой магистрали.

Для повышения реализма отображаемых СВРВ сцен необходимо моделировать сложные объекты. Для современных авиационных и космических тренажеров требуется задание нескольких взлетно-посадочных полос; обширных районов местности, над которыми происходит полет; звездного неба. Известны решения, используемые для формирования локальной базы (ЛБ) объемом до 10 тысяч граней в кадре, но для моделирования сложных объектов необходимо

использовать ЛБ объемом до 100 тысяч граней. Поэтому, исследование методов и средств формирования ЛБ являются актуальным.

Управление сложными техническими объектами невозможно без систем контроля и диагностирования. Одной из важнейших частей таких систем являются специализированные пульты операторов-технологов, снабженные широким набором средств отображения информации, в том числе и экраном коллективного пользования (ЭКП).

В ряде технологических процессов (ТП) важно знать не только количественные значения описывающих их параметров, но и совместно с ними наблюдать реальные объекты, важные для контроля, например пламя горелок котла ГРЭС . Это требование может быть выполнено при совмещении в одном устройстве двух типов изображений: телевизионных, полученных от устройств видео-ввода, и синтезированных, генерируемых ПК. Существующие аппаратные средства не позволяют поддержать на экране коллективного пользования синтезированные динамически изменяющиеся изображения, совмещаемые с фрагментами нескольких вводимых видео-изображений. Решение этой задачи требует создания специализированного видеопроцессора, что делает актуальным разработку и исследование его архитектуры.

1.2. Цель исследований. Развитие методов машинной графики для создания каллиграфических дисплеев и специализированных устройств растровых СВРВ, обеспечение новых функциональных возможностей СОИ.

1.3. Методы исследований базируются на использовании системного и целевого подхода при оценке архитектурных решений, опираются на математическое и физическое моделирование, матстатистику, теорию вычислительных систем.

1.4. Научная новизна.

1.4.1. Сформулированы требования, предъявляемые к специализированным средствам СОИ: каллиграфическим дисплеям, адаптеру тестовой магистрали СВРВ, видеопроцессору полиэкранной системы отображения (ВППСО) для диспетчерского комплекса АСУ ТП.

1.4.2. Предложены и реализованы алгоритм работы и архитектура процессорного устройства каллиграфического дисплея, обеспечивающие совмещение во времени работы функциональных генераторов с выполнением управляющих команд и получением от ЭВМ данных, описывающих изображение.

1.4.3. Для формирования локальной базы СВРВ предложен механизм динамического распределения памяти с отсутствием перепол-

нения вплоть до ее полного резервирования, определен критерий включения/удаления моделей объектов в эту локальную базу.

3.4.4. Предложена архитектура специализированных средств СВРВ: сценарного процессора (СП), позволяющего на порядок увеличить число обрабатываемых граней в кадре изображения; адаптера тестовой магистрали (ATM), обеспечивающего функционирование конвейера процессоров.

1.4.5. Исследована архитектура и предложена структура видеопроцессора полиэкранной системы отображения, позволившая осуществить работу оператора АСУ ТП с синтезированными динамически изменяющимися изображениями, совмещенными с фрагментами нескольких видео-изображений.

1.5. Практическая значимость и реализация.

1.5.1. Результаты диссертационных исследований были использованы при разработке:

- каллиграфических дисплеев: "Символ" (Горький, ВНИИПМ "Сириус", 1972 г.), серийно выпускавшихся: "Дельты" (Новосибирск, НЗМЗ, 1977 г. и другие предприятия страны) и "ЗПГ-400" (Гомель, завод РТО, 1977 г. и Львов, ПО им. Ленина, 1S79 г.);

- синтезирующей системы визуальной космической обстановки "Аксай", которая эксплуатируется в составе тренажерно-модели-рующего комплекса Центра подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина (с 1985 г.). Она послужила прототипом для опытно-конструкторской разработки и серийного выпуска систем визуализации для авиационных тренажеров корабельного базирования (Пенза, ППО "Эра"). Использование СВРВ "Аксай" дало значительный экономический эффект.

1.5.2. Результаты НИР по исследованию сценарного процессора СВРВ "Текстура", поддерживающего ЛБ, содержащую до 100 тысяч граней в кадре изображения, переданы в ППО "Эра", г. Пенза (1991 г.).

1.5.3. Видеопроцессор полиэкранной системы отображения принят заказчиком для эксплуатации в составе АСУ ТП Сургутской ГРЭС-1.

1.6. Основные положения, выносимые на защиту.

1.6.1. Алгоритм работы и архитектура процессорного устройства каллиграфического дисплея, обеспечивающие совмещение во времени работы функциональных генераторов с выполнением управляющих команд и получением от ЭВМ данных, описывающих изображение.

1.6.2. Механизм динамического распределения памяти ЛБ СВРВ, позволяющий осуществить ее полное заполнение и непосредственную

адресацию сценарного процессора к распределенным в ЛБ сегментам.

. 1.6.3. Новые архитектуры специализированных средств СОИ:

- архитектура ATM, обеспечивающая работу конвейера процессоров СВРВ как единого целого, их синхронизацию, тестирование;

- архитектура СП, позволяющая в реальном масштабе времени работать с ГБ, содержащими до 800 тысяч граней;

- архитектура ВППСО диспетчерского комплекса АСУ ТП, обеспечивающая совмещение в реальном масштабе времени синтезированного и произвольных фрагментов нескольких видео-изображений.

1.7. Апробация работы. Основные положения докладывались на Всесоюзных конференциях: "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭЦВМ" (Новосибирск, 1970), "Автоматизация экспериментальных исследований" (Куйбышев, 1971), "Системы автоматизации научных исследований" (Рига, 1973); на XIX Всесоюзной школе "Автоматизация научных исследований" (Новосибирск, 1985), на Научной сессии - 96 ИАиЭ СО РАН (Новосибирск, 1996), на III Международной научно - технической конференции "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1996).

1.8. Публикации. Результаты исследований по теме диссертации изложены в 15 печатных работах, 2 авторских свидетельствах на изобретение, а также в 4 научных отчетах по НИР.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Каллиграфические дисплеи

Для эффективного использования каллиграфических (со случайным сканированием) дисплеев в научных исследованиях и промышленных испытаниях было необходимо обеспечить [2]:

- высокую производительность, которая достигается максимально возможным быстродействием всех узлов устройства;

- широкие функциональные возможности, обеспечиваемые включением в состав устройства разнообразных функциональных генераторов (символов, векторов, окружностей, сеток и др.), а также светового пера, функциональной и буквенно-цифровой клавиатур;

- автономность в работе устройства или незначительную загрузку им процессора ЭВМ выполнением дисплейных операций;

- максимальное удобство для пользователя при эксплуатации дисплея, что во многом определяет эффективность последнего.

Для реализации этих требований были исследованы методы и средства построения устройств управления и функциональных генераторов каллиграфических дисплеев. В связи с тем, что дисплей регенерирует изображение с частотой - 1рег, для достижения высокой производительности требуется высокое быстродействие и полная загрузка функциональных генераторов (ФГ). Если время формирования кадра Тк, то можно записать:

к 1 га

ТК = Цостр

к 1 ш

где2Г ^остр, X ^пр - время, соответственно, построения

всех графических элементов на экране; ожидания получения информации, описывающей изображение; преобразования полученной информации в форму, пригодную для запуска ФГ.

Так как все три слагаемых имеют близкие значения, то затраты времени на ожидание и преобразование существенно снижают информационную плотность изображения. Было предложено устройство [9], обеспечивающее резкое сокращение второго и третьего слагаемых выражения (1) за счет параллельной работы ФГ с получением новых данных и выполнением некоторых управляющих команд, таких как переход по адресу, обращение к подпрограмме и др. Для дополнительного уменьшения простоев ФГ канал обмена с ЭВМ подключен к дисплею через буфер обмена данными/командами. Включение в состав дисплея мини-ЭВМ [3,4] обеспечило такие преимущества как: широкие функциональные возможности, которые поддерживаются программным обеспечением; возможность гибкой модификации графических программ; использование памяти ЭВМ для хранения и регенерации изображения.

Исследованы методы генерирования символов [1-5]. Для практической реализации ФГ символов выбран метод кусочно-линейной аппроксимации, суть которого заключается в том, что определенным образом задается последовательность отрезков, из которых может быть получен любой из знаков применяемого алфавита. Для задания каждого из отрезков может быть использовано, например, четыре бита - для направлений, три - для длины, один - для подсветки. Метод обеспечил высокую скорость рисования символов при практически постоянной яркости их отдельных элементов.

Блок-схема разработанных каллиграфических дисплеев показана' на рис.1. Команды и данные, описывающие изображение, хранятся в

памяти ЭВМ и извлекаются блоком управления по каналу прямого доступа к памяти, при этой эффективное быстродействие ЭВМ снижается не более чем на 25 % [3,4] . Графические команды и данные определяют функционирование генераторов символов, векторов и индикатора. Другие команды используются для структурирования массива данных, управления вводом - выводом. Дисплеи для общения оператора с ЭВМ имеют световое перо и клавиатуру.

На основании проведенных исследований для каллиграфических дисплеев разработаны быстродействующие генераторы символов нескольких типов, и высокопроизводительное процессорное устройство "ЭПГ-400", подключаемое к ЭВМ "М-400", "СМ-3", "СМ-4".

Созданные дисплеи нашли применение в различных областях научных исследований, промышленных испытаниях, а также при автоматизации технологических процессов.

2.2. Алгоритмы и аппаратные средства систем визуализации реального времени для тестирования и формирования локальной базы данных

Система визуализации реального времени - это, как правило, вычислительный конвейер, каждый из звеньев которого получает исходные данные от ЗУ предыдущего каскада обработки и помещает результаты вычислений в свой выходной буфер. Для функционирования СВРВ необходимо обеспечить начальную загрузку параметров, синхронизацию звеньев конвейера, обмен оперативными данными между ними, тестирование. Это может быть реализовано с помощью ЭВМ общего назначения при условии, что имеется удобный и быстродействующий доступ к любому из звеньев конвейера, в том числе к их рабочим регистра и буферным ЗУ. Для ЭВМ, имеющих интерфейс "общая шина", например "Электроника - 79", был предложен системный блок, получивший название - адаптер тестовой магистрали (ATM), (рис. 2). При обращениях ЭВМ, попадающих в выделенный диапазон - "окно", он обеспечивает их передачу с "общей шины" на "тестовую магистраль", к которой подключены все узлы конвейера СВРВ [11-13]. В этом случае происходит выбор соответствующего данному адресу регистра адреса страницы адаптера - ТМРАС. Его содержимое суммируется с содержимым поля "номер блока" адреса ЭВМ для получения старших разрядов адреса ATM. Содержание младших разрядов адреса ЭВМ транслируется на тестовую шину без изменений. Таким образом,

18 разрядный адрес "общей шины" преобразуется в адрес "тестовой магистрали" большей разрядности (рис. 3), что позволяет расширить адресное пространство до необходимого для СВРВ размера. Например в СВРВ "Аксай" - до 24 разрядов (16 МБ). Предложенное преобразование адресов дает возможность ЭВМ работать с адресным пространством конвейера как со своим собственным, что позволяет использовать программные средства ЭВМ для обеспечения тестирования СВРВ.

В процессе работы СВРВ в составе тренажерно-моделирующего комплекса необходимо обеспечить диагностирование неисправностей устройств конвейера с целью их оперативной замены, в том числе и в ходе тренировки. Для этого данные при любых передачах контролируются схемами контроля четности. При использовании этого известного приема, отказавший узел определяется аппаратной фиксацией адреса на тестовой магистрали, при обращении к которому произошел сбой. Кроме того осуществляется самоконтроль процессорных устройств. При возникновении любых сбоев ATM может вызвать прерывание ЭВМ. Предложенная архитектура ATM обеспечила доступ и тестирование блоков СВРВ; генерирование (в тестовом режиме) кадров синтезированного изображения. ATM реализован в СВРВ "Аксай", успешно эксплуатируемой более 10 лет в ЦПК им. Ю. А. Гагарина.

В СВРВ для авиационных и космических тренажеров на обработку и формирование результирующего изображения поступает, как правило, не вся модель обстановки, находящаяся в глобальной базе данных (ГБ), а только та ее часть - локальная база данных (Л5), которая попадает в поле зрения (пирамиду видимости) наблюдателя.

В ИАиЭ СО РАН разработана структура базы данных, описывающая модель обстановки, созданной на основе использования двоичного дерева сцены. Она включает описание объектов, их расположение в пространстве, связи между ними, а также свойства поверхностей -цвет, текстуру и т. д. Дерево состоит из отдельных элементов таких как: наблюдатель, разделяющие плоскости (РП), описывающие сферы, матрицы преобразования, сегменты... На основании анализа реальных баз данных для СВРВ автором показано, что существуют соотношения между количеством различных элементов в этих базах [16], примерно равные:

матрицы : РП : сегменты : грани = 1 : 20 :20 : 300, габаритные сферы : грани = 1 : 2000.

Количество элементарных операций, необходимых для реализации

операторов дерева и объем памяти для их хранения, показаны в таб. 1

Таблица 1

Оператор Количество Количество Количество Объем команды

сложений умножений обращений (32р. слов)

к памяти

Матрица 36 45 111 15

Сегмент - - 2 1

Разделяющая

плоскость 3 3 7 5

Габаритная сфера 23 21 17 5

В [16] приведены еще две таблицы, из которых следует, что производительность процессора - Реп для формирования ЛБ и объем памяти - Ven для хранения дерева ГБ, можно определить выражениями:

к

Реп = (N/15) * F * Z (Pi * Mi), (2) i = 1

к

Ven = (N/15) * 2Г (Pi * Vi)- (3)

i = 1

где N - число граней в базе данных, F - частота обхода дерева, Pi-количество появлений оператора i в базе данных. Mi - количество элементарных операций для реализации i оператора, Vi - объем памяти для его хранения.

Для глобальной базы данных (ГБ) объемом 800 тысяч граней с локальной базой (ЛБ) - 100 тысяч граней (при частоте смены кадров (F) 50 Гц.) из (2,3) следует, что производительность процессора должна быть порядка 6-10 Мфлопс, а объем памяти Ven - 1,5 МБ.

В упоминавшейся выше системе "Аксай" процесс формирования ЛБ был реализован для обстановки, содержащей до 10 тысяч граней, программно, с использованием серийного векторного процессора [12]; в системе "Альбатрос", содержащей до 15 тысяч граней, - с использованием аппаратных возможностей геометрического процессора (ГП). Реализация алгоритма формирования ЛБ, содержащей 100 тысяч граней, на мощных ЭВМ приводит к неравномерности загрузки конвейера, что существенно снижает общую производительность СВРВ. Применение ГП

+

для поочередной обработки дерева и выполнения собственных преобразований дает такой же результат, при этом существенно усложняется ГП.

Для формирования приоритетного списка сегментов, результирующих матриц их преобразования и поддержания ЛБ данных предложен и разработан специализированный сценарный процессор (СП). Для достижения высокой производительности СВРВ в целом он должен обеспечивать темп вычислений, достаточный для полной загрузки последующих звеньев конвейера. Алгоритм работы заключается в следующем: СП осуществляет в каждом кадре обход дерева ГБ и формирует приоритетный список сегментов, матриц преобразования, поддерживает ЛБ [14,15]. Основные вычислительные операции в СП - это определение расстояния от точки до плоскости (базовая операция - скалярное умножение) и вычисление результирующих матриц преобразования (базовая операция - матричное умножение). При вычислениях нужны как прямые, так и обратные матрицы. Так как для преобразования вращения обратная матрица равна транспонированной, а матрица совмещенного преобразования вращения и перемещения имеет вид (4), то в [14] предложено; подставив вместо нулевых элементов четвертого столбца недостающие элементы обратной матрицы, совместить в одной матрице (5) размерностью 4*4 оба преобразования, что существенно экономит время вычислений и одновременно память для хранения матриц.

Сценарный процессор включает (рис.4) двухпортовую память для хранения дерева ГБ данных и двух комплектов матриц преобразования (для текущего и последующего кадров), целочисленный адресный процессор для осуществления обхода дерева, процессор с плавающей запятой для вычисления текущей матрицы преобразования и знака расстояния от наблюдателя до разделяющей плоскости [8,18], очередь адресов сегментов и очередь матриц преобразования для согласования скоростей потоков данных СП и ГП, двухпортовую память для хранения локальной базы данных [14,15].

а31 азг азз 0 а41 а42 а4 3 1

а11 а1 г а1 з О а21 а22 Эгз 0 (4)

а12 а13 а14 1

а21 а22 а23 а24 (5)

а31 а32 а33 а34

а41 а42 а43 1

Как упоминалось выше, одна из задач СП - поддержание ЛБ. Так как описание одной треугольной грани составляет 30-100 байт, то общий объем описания сегментов для ГБ данных в 800 тысяч граней составляет 24 - 80 МБ. Оперативное ЗУ такого объема построить трудно. В каждом кадре визуализации используется не более 30 % данных ГБ, поэтому понятно стремление выделить из всего объема ГБ только ту его часть, которая попадает в ЛБ. Ранее применявшийся механизм формирования ЛБ, основанный на определении положения объектов относительно пирамиды видимости, приводил (из-за инерционности процесса) к тому, что объект уже попал в пирамиду видимости, а его описания еще нет в базе данных, или к тому, что ушедший из поля зрения объект исключался из ЛБ, даже если в ней достаточно много места. В [16] предложено кроме пирамиды видимости - А0А', включить в команду "наблюдатель" пирамиду подкачки - ВОВ', имеющую большие, чем у первой, угловые размеры и пирамиду чистки -СОС', которая охватывает две первые (рис. 5). Объекты, попавшие внутрь или хотя бы задевающие пирамиду подкачки, должны размещаться в ЛБ. Объект, который нужно подкачивать первым, можно определить, регулируя величину угла у пирамиды подкачки таким образом, чтобы при каждом новом обходе дерева в нее попадало не более одного объекта в дополнение к существующим. Условием для исключения описания объекта из ЛБ принято его расположение относительно плоскостей пирамиды чистки. Описания всех объектов, не попадающих в нее, могут выбрасываться из ЛБ, но только в том случае, если не хватает места в памяти для очередной необходимой подкачки. В случае дефицита свободного пространства в ЛБ можно уменьшить величину угла 6 пирамиды чистки и таким образом спровоцировать отбраковку наиболее удаленного от оси зрения объекта.

Для оценки необходимой скорости обмена данными между устройствами хранения ГБ и ЛБ предположим, что за секунду в поле зрения оператора попадает 10 % новых изображений, тогда скорость обмена данными составит 0, 24 - 0,8 МБ/сек.

Для организации динамического распределения предлагается разбиение памяти ЛБ на блоки с длиной, равной 2к [17]. В устройство добавляется память ссылок (ПС), позволяющая связывать эти блоки в произвольной последовательности. Каждый адрес в ПС содержит ссылку на следующий блок списка и одновременно задает старшие разряды адреса памяти ЛБ. Первоначально все блоки связаны

в единый список ЬзЬ свободных блоков (ССБ).

ЬзЬ = а, Ь, с, (I, е, ... (6)

В процессе подкачки из ССБ поочередно извлекаются свободные блоки и включаются в списки Ь|]ь пакетов в ЛБ, как это показано для блока "а" (рис. 6).

Ь1ь = Ь1ь + а; ЬзЬ = ЬзЬ - а = Ь, с, <3, е, ... (7) Ссылки на начало подкачанного списка (адрес А) и его конец (в примере на рис. 6 тоже А), устанавливаются в адресных полях, выполняемой СП команды "подкачка", расположенной в дереве ГБ данных. В процессе подкачки определяются также ссылки на начальные адреса сегментов, которые проставляются в адресных полях команд "сегмент" в дереве ГБ. Адрес в команде "сегмент"- А3 состоит из двух частей: адрес блока (номер) - N и адрес в блоке (смещение) -Бм. При условии, что размер блока равен 2к, вычисление адреса осуществляется в соответствии с выражением:

А3 = 2к * N + 5т, (8)

для аппаратной реализации которого умножения и суммирования не требуется. Если во время загрузки сегмента очередное его слово располагается в том же блоке, что и предыдущее, то адрес блока остается прежним, а смещение инкрементируется. Если же блок заполнен, то для формирования старших разрядов Аб осуществляется чтение ПС по адресу, указанному в первой ссылке ССБ, а 5ш устанавливается в нуль. Естественно, что ССБ в этом случае изменяется. Освобождение памяти ЛБ осуществляется подключением списка очищаемого пакета, блоки "а", "в", "с", к ССБ (рис. 7).

Ь1ь = Ь]ь - ( а, Ь, с); ЬзЬ = ЬзЬ + ( а, Ь, с). (9) Любое динамическое распределение памяти приводит к ее потерям. В данном случае они обусловлены: использованием дополнительной памяти ПС для хранения списков - по одной ячейке на каждый блок и тем, что последний блок в памяти заполняется в среднем на 50 %. Этой второй составляющей, при размерах пакета подкачки много больше размера выбранного блока, можно пренебречь.

Предложенный метод динамического распределения памяти обеспечивает ее эффективное заполнение до тех пор, пока размер свободных блоков больше или равен длине вновь распределяемого пакета, т. е. до полного резервирования. При этом потери при распределении памяти практически отсутствуют, а выборка данных из памяти осуществляется их непосредственной адресацией по сформи-

рованным в процессе распределения и записанным в дереве ГБ адресам. В результате использования предложенного механизма получена возможность работы в реальном масштабе времени с базами данных, описывающими обстановку, объемом 800 тысяч граней, что на порядок превосходит достигнутый ранее в стране уровень [37].

2.3. Архитектура видеопроцессора полиэкранной системы отображения информации для управления технологическими процессами

Пульты управления сложными техническими объектами, например крупной ГРЭС, требуют оснащения электронными средствами отображения информации, в том числе экраном коллективного пользования (ЗКП). В [19-21] сформулированы основные информационные требования. предъявляемые к видеопроцессору полиэкранной системы отображения. Он должен обеспечивать: высокое разрешение, например 1024 * 512 пикселов; не менее 16 цветов, позволяющих легко отличить нормальную работу оборудования от выхода процесса на границы уставок или от предаварийного состояния, например: зеленый, желтый, красный и их оттенки; полную смену синтезированного изображения за время 0,2-0, 3 сек, что требует скорости обмена на канале ПК не менее 3 МБ/сек. В ряде технологических процессов (ТП) важно видеть не только количественные значения контролируемых параметров, но и одновременно с ними наблюдать реальные изображения процессов, важные для операторов, например - пламя горелок котла ГРЭС. Эти требования положены в основу создания специализированного видеопроцессора, обеспечивающего работу с телевизионными и синтезированными изображениями.

Блок-схема ВППСО [19] приведена на рис. 8. Набор мнемосхем хранится в файлах базы данных АСУ ТП. По команде оператора одна из них загружается по шинам PCI или ISA в память каналов отображения. Вычисление номера канала и координат пикселов в его адресном пространстве выполняется в соответствии с выражениями:

i = X div m; j « Y div n;

Xi j = X mod m; Yu = Y mod n; (10)

Ajj = Yu * m + Xi;i = (Y mod n) * m + X mod m,

где X, Y - координаты пиксела на ЗКП; ш, n - разрешение канала

отображения; 1, 3 - номер канала отображения в ЭКЛ; Хи, Уи -положение пиксела в системе координат канала; - адрес пиксела в адресном пространстве канала; с11 V - результат целочисленного деления; шосЗ - остаток от целочисленного деления.

Из (10) следует, что в результате данного преобразования из совокупности пикселов исходного изображения, заданного в декартовых координатах (X,У), формируется ^ линейных списков, по одному на каждый канал отображения.

Система сбора информации следит за динамически изменяющимися значениями параметров объекта и в реальном масштабе времени вносит изменения в изображение соответствующих параметров на ЭКП. Видеоизображения от четырех монохромных видеокамер, направленных на наиболее важные фрагменты объекта, запоминаются в буферах каналов ТУ-ввода. Табличный адресный процессор осуществляет перенос и расположение этих фрагментов в адресном пространстве каналов отображения. Совмещенные синтезированные и ТУ-изображения проходят через палитру и отображаются на ЭКП.

При синтезе функциональной схемы видеопроцессора решен ряд важных задач. Впервые осуществлен выбор любых фрагментов -из нескольких ТУ-изображений и их расположение в реальном масштабе времени в произвольных местах результирующего изображения (рис. 9). Для обеспечения требуемых информационных потоков осуществлено одновременное выполнение нескольких операций передачи данных: ТУ-ввод, перенос изображений и обмен с ПК.

На основании проведенных исследований создан опытный образец ВППСО, который будет включен в состав АСУ ТП блока Сургутской ГРЭС-1.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

3.1. Сформулированы требования, предъявляемые к специализированным средствам систем отображения информации: каллиграфическому дисплею, сценарному процессору, адаптеру тестовой магистрали, видеопроцессору полиэкранной системы отображения; рассмотрены их архитектурные особенности.

3.2. Для каллиграфических дисплеев предложены и реализованы:

- алгоритм функционирования высокопроизводительного процессорного устройства; быстродействующие методы генерирования символов, использующие кусочно-линейную аппроксимацию и обеспечи-

вающие постоянную яркость их отдельных элементов;

- архитектура процессорного устройства "ЗПГ-400", обеспечивающая совмещение во времени работы функциональных генераторов с выполнением управляющих команд и получением от ЭВМ данных, описывающих изображения.

3.3. Для поддержания локальной базы данных при моделировании больших районов местности предложен механизм динамического распределения памяти с отсутствием переполнения вплоть до ее полного резервирования, позволяющий осуществить непосредственную адресацию сценарного процессора к распределенным в локальной базе сегментам.

3.4. Предложена архитектура сценарного процессора, позволяющая в реальном масштабе времени работать с глобальными базами, содержащими до 800 тысяч граней, что на порядок превосходит возможности известных отечественных СВРВ; адаптера тестовой магистрали, обеспечивающего функционирование конвейера процессоров СВРВ.

3.5. Предложена архитектура видеопроцессора полиэкранной системы отображения, обеспечивающая работу оператора АСУ ТП с синтезированными динамически изменяющимися изображениями, совмещенными с произвольными фрагментами нескольких видеоизображений.

3.6. Впервые в стране созданы: высокопроизводительный дисплей "ЗПГ-400" для ЭВМ класса ,,М-400", "СМ-3", "СМ-4"; СВРВ "Аксай", включающая разработанный автором адаптер тестовой магистрали. Они успешно используются в научных исследованиях, в авиационных и космических тренажерах, в т.ч. в ЦПК им. Ю. А. Гагарина.

Разработан: ряд быстродействующих генераторов символов, использующих разновидности метода кусочно-линейной аппроксимации, превосходивших по своим параметрам лучшие отечественные образцы; видеопроцессор полиэкранной системы отображения АСУ ТП энергоблока Сургутской ГРЭС-1.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Долговесов B.C., Ковалев A.M., Лубков A.A., Обертышев К.Ф. Отображение графической и буквенно-цифровой информации в системах графического взаимодействия человека с ЭВМ // Автометрия. 1971. N4.

2. Долговесов B.C., Ковалев A.M., Лубков A.A. и др. Вопросы построения устройств оперативного взаимодействия человека с ЭВМ // Автометрия. 1972. N2.

3. Ковалев A.M., Котов В. Н., Лубков A.A., Токарев A.C.

Графический дисплей "Дельта" // Автометрия. 3974. N4.

4. Ковалев A.M., Котов В.Н., Лубков A.A., Токарев A.C. Универсальный графический дисплей с мини-ЭВМ // Управляющие системы и машины. 1974. N5.

5. Лубков А.А.. Генератор символов дисплея "Дельта" // Средства ввода в ЭВМ и отображения графической информации: Сб. статей. Новосибирск: ИАиЗ СО АН СССР, 1974.

6. Гинзбург А.Н., Ковалев A.M., Лубков A.A. и др. Диалоговая графическая система. Технические средства. Программное обеспечение // Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ: Тр. Всесовз. конф. Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1974.

7. Разработка технических средств и математического обеспечения системы отображения визуальной обстановки для тренажерно - моделирующих комплексов : Отчет о НИР (итоговый) / ИАиЭ СО АН СССР. - N ГР 77062786; Инв. NN 388-389. - Новосибирск, 3980. - 389 с. -Исполн. A.M. Ковалев, B.C. Долговесов, A.A. Лубков и др.

8. Лубков А.А. Сравнительный анализ методов умножения. Аппаратная реализация специализированного умножителя последовательного типа // Автометрия. 3979. N 5.

9. A.c. 798791 СССР, МКИ3 G 06 F 3/153. Устройство для отображения информации на экране электронно - лучевой трубки / А. А. Лубков, В. И. Фукс. - Опубл. 23.01.81, Бюл. N 3.

10. A.c. 834692 СССР, МКИ3 G 06 F 3/153; G 09 G 1/16. Устройство для вывода полутоновых изображений трехмерных объектов на экран телевизионного приемника / Б.С. Долговесов, A.M. Ковалев, A.A. Лубков и др. - Опубл. 30.05.81, Бюл. N 20.

13. Долговесов Б.С., Ковалев A.M., Лубков A.A. и др. Конвейерный спецпроцессор для отображения трехмерных сцен в реальном времени // Автоматизация научных исследований: Тез. докл. XIX Всесоюз. школы. Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1985.

12. Разработка системы визуализации для тренажеров гражданской авиации: Отчет о НИР (заключительный) / ИАиЭ СО АН СССР. - N ГР 81083905; Инв. N 554. - Новосибирск, 1985. - 401 с. - Исполн. A.M. Ковалев, Б. С. Долговесов, А. А. Лубков и др.

.13. Долговесов Б.С., Ковалев A.M., Лубков A.A. и др. Геометрический процессор синтезирующей системы визуализации // Автометрия. 1986. N 4.

14. Разработка и исследование архитектуры ряда систем синтеза

визуальной обстановки для авиационных тренажеров: Отчет о НИР (этап 1) / ИАиЭ СО АН СССР. - N ГР 83083905; Инв. N 653. - Новосибирск, 1989. - 233 с. - Исполн. А. И. Ковалев, A.A. Лубков и др.

35. Моделирование алгоритмов функционирования ССВО, разработка принципиальных схем модулей и СБИС на БМК: Отчет о НИР (этап 2) / ИАиЗ СО АН СССР. - N ГР 81083905; Инв. N 755. - Новосибирск, 1991,- 38 с., 72 с. ил. - Исполн. A.A. Лубков, Н.М. Пономарев и др.

36. Лубков A.A., Полубинский В.В., Храмов C.B. Работа с базой данных в системе синтеза визуальной обстановки высокой производительности // Автометрия. 1991. N 5.

17. Лубков A.A., Полубинский В. В. Динамическое распределение данных в ССВО высокой производительности // Автометрия. 1992. N 4.

18. Лубков A.A., Полубинский В. В. Акселератор процессора с плавающей запятой // Автометрия. 1992. N 5.

19. Котов Н. В., Лубков A.A., Перебейнос C.B. и др. Видеопроцессор полиэкранной системы отображения для диспетчерского комплекса АСУ ТП // Автометрия. 1996. N 1.

20. Котов В. Н., Котов Н. В., Лубков А. А. и др. Видеопроцессор полиэкранной системы отображения диспетчерского комплекса АСУ ТП // Микропроцессорные системы автоматики: Материалы III Междунар. науч.-техн. конф. Новосибирск: НГТУ, 1996. С. Е14-Е17.

21. Котов В. Н., Котов Н. В., Лубков A.A. и др. Видеопроцессор диспетчерского комплекса // Научная сессия - 96: Тез. докл. Новосибирск: ИАиЭ СО РАН, 1996.

4. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА В РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ В СОАВТОРСТВЕ

В работах [1-4,6] рассмотрены методы построения генераторов символов, в [2] сформулированы требования предъявляемые к каллиграфическим дисплеям, а в [9] предложено и исследовано процессорное устройство такого дисплея. В [7,10] предложено устройство для вывода полутоновых изображений, в [11-13] обоснована архитектура и рассмотрена структура АТМ, в [14-17] исследованы процессы формирования локальной базы данных и требования к архитектуре СП, а в [18] рассмотрена схема акселератора, созданного для проверки возможности реализации базовых для СВРВ операций скалярного и матричного умножения с использованием СБИС серии 1843. В [19-21] сформулированы требования и рассмотрена архитектура ВППС0.

ЭВМ

Центральный блок

Экранный пулы

Процессор. па.\ эть Блок управления Генератор символов Индикатор на ЭЛТ

л з Е 5 I 2 и § Л .£. 5" 0 " 0 С \ 5 § — Ь и - >1 Генератор векторов - а С 3 £. - а А = ^ 5 я и =• £ я 9- I - 2 >> 2 6 2 с с с. г- У у -

Рис. 1. Блок-схема каллиграфического дисплея

Рис. 2. Адаптер тестовой магистрали в составе СВРВ "Аксай"

17 13 12 08 07 00

Рис. 3. Формирование адреса тестовой магистрата 19

Данные

Рис. 4. Блок-схема сценарного процессора СВРВ

Рис. 5. Пирамида видимости (а), подкачки (у), чистки (Р)

Начало > '

>

Начало пакета подкачки

»г

Последний блок в

Начало,конец пакета почкач-/ киЬаШ

* Начало 1.5 ь >

Начало пакета

^ подкачки Ц1Ь >

Последний блок В Ьп.

Рис. 6. Память ссылок до (1) и после (2) полкачки блока данных"

> 1

Начало

Конец Ць

Начало пакета

_ подкачки Ь;,, > !Ь

Конец пакета

подкачки Начало пакета ^ подкачки

Начало

>

)

) >

> Ко""! Чь

Начало пакета

полкачки Ь

к1Ь

Рис. 7. Память ссылок до (3) и после (4) чисти] блоков "а","Ь","с" 20

Ш

ш

а

а

Ь

Ь

с

с

от ТУ

камеры 0 ч ЯО, АОС

( с

отГУ

камеры 1 ^ 5ЕЦ АОС

от IV

камеры 2 ^ 5Е1,

ДОС

от ТУ

камеры 3 ч

АОС

ЯЛ Память хавала ТУювдиО МО

А

Памт канала ТУ вида! иш

А

Память шала ТУ ввода 2 010

А

БМ Паллъ канала ТУвмшЗ то

А

Шина КА

Шина РС1

Л

я

Интерфейсный блок

Адаптер РО

ио Память

5Ш

А отображены 00

Таблица палитры канала

На экран канала 00

ши Палягь шша отображения 01 5ИО

А

Адресный процессор

1)10 Память адресных ссылок

А

Автомат состояний

НАМ На УСА 00

РАС

На 7>.тш канала 0)

Ташмпа

канала

ЛАМ На УСА 01

ОАС

Рис. 8. Блок-схема видеопроцессора индикационного табло

Память каналов отображения О X. О X.

Память каналов ТУ - ввода О X. О х

Рис. 9. Совмещение синтезированных и ТУ изображений 21