WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ИНТЕРАКТИВНОГО НАБЛЮДЕНИЯ ИНДУЦИРОВАННОЙ ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЫ (СИСТЕМЫ ВИРТУАЛЬНОГО ПРИСУТСТВИЯ).

Канд. физ.мат. наук В.О.Афанасьев, канд. техн. наук А.Г.Бровкин, А.Н.Корниевский, В.П.Подобедов, В.С.Семченко Центр управления полетами и моделирования, г. Королев Московской области.

Доктор физ.мат. наук А.Н.Томилин Институт системного программирования РАН, г. Москва.

Изложены результаты исследований и разработок концепций и математического обеспечения систем виртуальной реальности, используемых для слежения за состоянием управления и принятия решений. Описаны основные возможности разработанных методов и алгоритмов синтеза трехмерных изображений сложных технических объектов (блоков международной космической станции) и отображения их состояния по траекторным и телеметрическим данным, поступающим в реальном времени. Представлены основные результаты первых экспериментов по применению в ЦУПМ разработанной системы в ходе международной космической экспедиции STS88.

За последнее десятилетие произошло существенное усложнение конструкции орбитальных станций и задач, которые должны быть решены в ходе их создания и функционирования в условиях космического пространства. Поскольку даже самые современные ракетыносители не позволяют выйти за жесткие рамки ограничений по массе и габаритам полезной нагрузки, единственной альтернативой при создании больших орбитальных комплексов сегодня и в обозримом будущем является поэтапное выведение отдельных блоков с последующей их сборкой в единую систему уже на околоземной орбите.

Процесс создания большого орбитального комплекса из автономно выводимых на орбиту элементов очень сложен. Он требует четкости, слаженности и предельно высокой точности действий экипажей, наземных служб и технических средств. Цена риска изза неправильных действий и ошибок при проведении маневров, операций по стыковке, монтажных работ в открытом космосе чрезвычайно высока. Многолетний опыт развертывания, эксплуатации и управления Российским орбитальным комплексом “Мир” показывает, что, начиная с определенного этапа, когда уровень сложности комплекса подходит к некоторой критической отметке, для обеспечения управления становится необходимым привлечение новых подходов и информационных технологий, таких как имитационное моделирование и виртуальная реальность.

Использование имитационного моделирования как инструмента для принятия решений и управления сложными космическими системами имеет два тесно связанных аспекта. С одной стороны, имитационное моделирование – это возможность оперативно исследовать поведение системы и протекающие в ней процессы, не прибегая к реальным экспериментам на реальных объектах. С другой стороны, достоверность представления о состоянии исследуемой системы и адекватность прогнозирования развития событий целиком определяется достоверностью, оперативностью и полнотой информации, поступающей на вход модели. Сложившаяся в Центре управления полетами за годы создания и эксплуатации космических систем информационная инфраструктура (десятки и сотни тысяч каналов приема в реальном времени телеметрических и траекторных данных) позволяет удачно сочетать два этих аспекта при создании и включении системы имитационного моделирования в контур управления и принятия решений.

Вместе с тем необходимо заметить, что возможности приема и обработки больших потоков информации теряют смысл, если они не обеспечены средствами интерпретации этой информации в форму, которая позволяла бы оперативно принимать необходимые решения.

На сегодняшний день самым эффективным способом интерпретации больших потоков данных является использование интерфейсных средств, подключаемых непосредственно к сенсорной системе человекаоператора, – систем виртуальной реальности (ВР). Причем, наибольшее развитие и распространение получили системы ВР, предназначенные для зрительного канала – стереоскопические дисплеи (носимые и стационарные), снабженные подсистемой слежения с обратной связью (чаще всего инфракрасной) по положению головы и ориентации зрительных осей оператора. Видеосистемы ВР, подменяя зрительное восприятие окружающего реального пространства восприятием синтезируемой компьютером трехмерной виртуальной среды, позволяют на качественно более высоком уровне решать проблемы интерпретации и отображения больших объемов и потоков данных. Кроме этого, применительно к задачам управления большими орбитальными комплексами, методология ВР предоставляет принципиально новые возможности, которые выводят системы ВР за рамки “просто” систем отображения (быть может, более сложных, нежели обычные дисплеи). Наиболее важная из этих возможностей – так называемое погружение оператора в виртуальную среду и взаимодействие с объектами виртуальной среды. Самым простым (с точки зрения реализации) видом такого взаимодействия является зрительное взаимодействие, но уже оно одно существенно отличает систему ВР от системы телевизионного наблюдения, поскольку в системе ВР принципиально отсутствует привязка наблюдателя к определенной точке и зрительному ракурсу – положение, ориентация и движение наблюдателя в виртуальной среде может быть любым.



Эта возможность приобретает большое практическое значение, если виртуальная среда и образующие ее объекты являются не целиком абстрактными и оторванными от действительности, а отражают некоторую реальную среду, реальные объекты и развитие реальных событий, или, иначе говоря, виртуальная среда порождена (индуцирована) некоторой реальной средой. Такой подход предоставляет качественно новые возможности для наблюдения, принципиально недоступные при использовании традиционных телевизионных систем.

Перечисленные выше обстоятельства и факторы послужили в начале 90х годов отправной точкой для исследования и разработки в ЦУПМ концепции и системы интерактивного наблюдения индуцированной виртуальной среды, которая послужила бы фундаментальной основой для создания новых подходов и методов управления сложными космическими аппаратами, в частности, орбитальными станциями нового поколения, развертывание и эксплуатация которых (теперь уже в 21 веке) будет связана с решением принципиально новых сложнейших задач.

Подход к создаваемой в ЦУПМ системе (ее можно также назвать системой виртуального присутствия) базируется на использовании двух основных видов информации. Это априорные данные, описывающие реальные объектыпрототипы: геометрическая форма и оптические свойства их поверхностей (цвет, отражательные свойства и т.п.) и апостериорные данные, поступающие в реальном времени, и описывающие движение (положение и ориентацию) объектов и поведение их подсистем (взаимное движение составных движущихся частей). Кроме этого используется информация о состоянии естественной окружающей реальной среды (в частности, положение солнца, звезд, земной поверхности и т.п.). Первый из указанных видов информации используется для синтеза изображений виртуальных объектов (в более общем случае – сенсорных копий реальных объектов), второй вид информации используется для реконструкции состояния реальной среды (взаимное положение, ориентация, освещенность объектов и т.д.) на момент наблюдения.

Разработка системы интерактивного наблюдения индуцированной виртуальной среды в ЦУПМ осуществлялась в несколько этапов.

Основой для разработок системы являлась система синхронной многоракурсной визуализации сложных трехмерных сцен с высоким уровнем реализма, созданная на первом этапе в рамках темы “Гипервизор”. На втором этапе, были проведены исследования и разработка алгоритмов и математического обеспечения системы виртуального присутствия. Указанные работы проводились при непосредственной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). Были созданы полностью оригинальные методы и алгоритмы синтеза изображений центральных проекций параметрических поверхностей, реализованные в виде открытой и расширяемой библиотеки базовых трехмерных форм и алгоритмов обратной трассировки параметрических поверхностей на картинных поверхностях произвольной формы. В системе использована оригинальная концепция структурированного массива виртуальных зрителей, которая позволяет реализовать синхронный синтез изображений виртуальной сцены для любых заданных условий наблюдения и параметров оптических систем зрителей. В частности, система позволяет организовать одновременный синтез изображений для разнородных средств отображения. Одновременно могут использоваться полиэкраны с различной кривизной, формой и расположением сегментов, устройства вывода стереоскопических изображений с различными способами сепарации полей стереопар (стационарные, аудиторные, носимые индивидуальные и т.п.). Был разработан, изготовлен и испытан лабораторный образец подсистемы вывода цветных стереоскопических изображений с временной сепарацией полей для жидкокристаллических затворов с оптической синхронизацией от вертикальной развертки.





Следует отметить, что система “Гипервизор” принципиально позволяет синтезировать изображения, предназначенные для перспективных устройств вывода растра, например, таких как ретинальные дисплеи (рисующие растр непосредственно на сетчатке глаза через отверстие зрачка).

Был создан набор базовых форм (полиморфных 3Dпримитивов), который позволяет строить сложные многосвязные поверхности, с достаточно высокой точностью аппроксимирующие реальные конструкциипрототипы – узлы и агрегаты космических аппаратов. Этот набор постоянно совершенствуется и пополняется на основе объектноориентированного подхода (в качестве исходного языка описания системы использован С++).

Для отображения состояния кинематической системы была разработана модель рекурсивного контейнерного объекта, позволяющая без ограничений на число уровней описывать сложные пространственные движения иерархических подсистем виртуальных объектов. Эта модель, в частности, позволяет отображать по телеметрическим данным движения таких объектов, как манипуляторы. Принципиально возможно использование этой модели для отображения перемещений и сложных движений космонавтов и астронавтов (вплоть до движений отдельных пальцев) в открытом космосе при оборудовании орбитальной станции соответствующим оборудованием с функциями “Motion Capture” (перехват движений).

Системы виртуальной реальности в сравнении с другими информационными системами имеют одно важнейшее принципиальное отличие. Для эффективной работы системы виртуальной реальности помимо разработки вычислительных моделей и алгоритмов необходимо проделать трудоемкую и кропотливую работу по созданию геометрической модели – копии реального объекта прототипа. Детальность проработки этой модели, описание оптических свойств ее фрагментов самым непосредственным образом влияет на эффективность (и даже на целесообразность) использования системы виртуальной реальности при моделировании и управлении. В этой связи необходимо отметить, что при подготовке математического обеспечения к экспедиции STS88 такая работа была проделана достаточно тщательно: на основе конструкторской документации и с использованием набора базовых трехмерных форм были созданы высокоточные геометрические моделикопии (3Dмодели) ФГБ “Заря”, дистанционного манипулятора RMS, а также габаритные 3Dмодели МТКК “Endeavour” и блока Node “Unity”.

Поскольку состояние виртуальных объектов описывается не только векторами положения и ориентации реальных объектов, но и состоянием подвижных наружных элементов этих объектов, на основе конструкторской документации были разработаны модели кинематических систем указанных выше объектовпрототипов. Эти модели позволяют отображать положение и ориентацию подвижных наружных элементов в соответствии с поступающими телеметрическими данными (открытие створок грузового отсека МТКК, ориентацию и степень раскрытия сегментов солнечных батарей, антенн, функционирование манипуляторов и т.п.). Для этой цели была разработана система интерфейсов, необходимая для приема, преобразования и интерпретации поступающих данных о состоянии подвижных элементов с учетом различных, многочисленных автономных и связанных систем координат.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.