Національна академія наук України

Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова

Смолій Віктор Вікторович

УДК 681.3:621.3

Методи та засоби синтезу й відображення динамічних об'єктів (для центрів оперативного управління)

05.13.13 – обчислювальні машини, системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Васюхін Михайло Іванович, Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова, відділ “Керуючі машини і системи”.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор,

Погорілий Сергій Дем'янович, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка,

каф. напівпровідникової електроніки,

- кандидат технічних наук, провідний науковий співробітник Арістов Василь Васильович, Інститут проблем моделювання в енергетиці імені Г. Пухова

НАН України, відділ автоматизації проектування енергетичних установок.

Провідна установа: Інститут космічних досліджень Національної академії наук та Національного космічного агенства України, відділ “Фізика плазми”, м. Київ.

Захист відбудеться 31 травня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.194.03 у Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, за адресою:

03022, МСП 187, Київ, пр. Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України за адресою:

03022, МСП 187, Київ, пр. Академіка Глушкова, 40.

Автореферат розісланий 23 квітня 2001р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради РОМАНОВ В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основними напрямками розвитку інформаційних технологій України передбачається розробка інтелектуальних систем обробки, розпізнавання та класифікації складних процесів, образів, ситуацій, сцен.

Важливі народногосподарські задачі економічного та соціального розвитку країни вирішуються з використанням інформаційних технологій і систем комп'ютерної графіки. Області застосування сучасних технологій комп'ютерної графіки різноманітні. Складна графічна інформація та зображення (СГІЗ) є одним з основних об'єктів задач цифрової обробки й виведення даних в автоматизованих системах навігації, картографії, геоінформаційних систем, систем глобального позиціонування та інших областях застосування комп'ютерних технологій.

Особливе значення технології комп'ютерної графіки мають у системах підвищеного ризику з рухомими високошвидкісними об'єктами. Проблеми високоточної навігації та ідентифікації параметрів рухомих об'єктів з використанням методів обробки зображень і розпізнавання образів розробляються для систем оперативного управління (СОУ). У компетенції користувача залишаються природні для нього процедури розпізнавання, класифікації та прийняття рішень. Засоби комп'ютерної графіки безпосередньо включаються в структуру підтримки інтелектуальної діяльності користувача (операторів) і в кожній конкретній задачі, що вирішується, посилюють їх інтелектуальні можливості.

Наукові дослідження та розробки в області апаратно-програмної побудови систем синтезу зображень у нашій країні проводяться в Інституті кібернетики НАН України, в Інституті проблем моделювання в енергетиці НАН України, Донецькому державному технічному університеті, Сєвєродонецькому технологічному інституті Східноукраїнського національного університету та ряді вищих навчальних закладів. Розробка апаратних засобів машинної графіки ведеться в АТ “Імпульс” (Сєвєродонецьк) і АТ “Термінал” (Вінниця).

Забезпечення інформаційної та динамічної подібності реальної обстановки в просторі, що спостерігається, та відображення її користувачеві для оцінки і прийняття рішення в реальному часі призводить до жорстких обмежень на термін синтезу зображення.

Відомі методи синтезу та відображення просторів з динамічними об'єктами при обмежених обчислювальних ресурсах спрощують задачу відображення, подаючи ці об'єкти контурно, а переміщення - площинно-паралельними. При цьому компонента повороту (обертання) об'єкта (наприклад, вертольота) користувачеві відображається частково, з обмеженою дискретністю положень за азимутом, частіше не відображається й подається у вигляді цифрових параметрів.

Методи й засоби відображення динамічної компоненти напрямку руху динамічного об'єкта в реальному часі найменше досліджені. Для задоволення зростаючих вимог щодо динамічних образів, що синтезуються, необхідні засоби цифрової обчислювальної техніки, які обробляють графічні дані з граничною продуктивністю. Для досягнення необхідних параметрів потрібні дослідження та розробка нових методів і алгоритмів синтезу динамічних образів (об'єктів), нових архітектурних способів побудови обчислювальних засобів синтезу зображень у реальному часі.

Актуальною науково-технічною задачею є створення обчислювальних методів і засобів, що мають підвищену продуктивність і забезпечують високу якість відображення динамічних об'єктів у реальному часі.

Область дослідження. Об'єкт дослідження належить до засобів відеосистем центрів СОУ, що вирішують задачу синтезу складних геоінформаційних зображень з динамічними об'єктами в режимі реального часу.

Предметом досліджень є організація обчислювального процесу візуалізації зображень динамічних об'єктів, котрі синтезуються, методів і технічних засобів побудови співпроцесорів таких відеосистем на нових принципах.

Мета дисертаційної роботи полягає у вдосконаленні структури засобів і алгоритмічних методів підвищення продуктивності відеосистем центрів СОУ, які забезпечують синтез зображень з динамічними об'єктами в режимі реального часу.

Основні задачі роботи:

- розробка структурної організації паралельно - конвейєрного операційного середовища акселератора для геометричного перетворювання складного зображення динамічного об'єкта;

- розробка алгоритмічних основ організації паралельно-конвейєрного транспонування зображень динамічних об'єктів в паралельному операційному середовищі (акселераторі перетворень);

- розробка структур графічних даних про рухомі об'єкти, що скорочують ємність інформаційної структури та обчислювальне навантаження на систему у процесі перетворення зображення об'єктів, забезпечуючи високу швидкодію системи виводу;

- теоретичне та експериментальне обґрунтування необхідності та можливості побудови акселератора перетворення зображень для відеосистем на основі математичного апарату конформного відображення, що забезпечує відтворення динаміки рухомого об'єкта в системах оперативного управління в режимі реального часу;

Методологія та методи дослідження засновані на математичному апараті конформних відображень функції комплексної змінної та принципах системотехніки і багаторівневого аналізу та синтезу систем, теорії цифрової обробки зображень відеоінформаційних систем, методів моделювання інформаційних процесів і структур.

Поставлені в дисертаційній роботі задачі вирішуються шляхом розробки та дослідження структури прикладних зображень, логіко-математичної моделі процесу обертання векторного та растрового зображень і акселератора конформних перетворень для відеоадаптерів.

Нові наукові результати та основні положення, що виносяться до захисту:

Обґрунтовано використання багаторівневого представлення складних зображень динамічних об'єктів у локальних координатних системах, що оптимально подають їх у графічній базі даних та процесі геометричних перетворень.

Розроблено математичні моделі та алгоритми для виконання операцій багатостадійного транспонування зображень об'єктів довільної складності на основі ізотермічного конформного відображення, що забезпечують обробку та відображення даних у реальному часі.

Розроблені алгоритм функціонування, організація та паралельно-конвейєрна структура операційного середовища (акселератора відеосистеми) для транспонування зображення динамічного об'єкта, що забезпечує його перетворення одночасно у 8 секторах полярно-декартової системи координат, та спосіб синтезу й візуалізації образу динамічного стану об'єкта на рівні апаратних засобів.

Достовірність основних положень і теоретичні оцінки підтверджені коректним обґрунтуванням структури та архітектури засобів, топології зображень динамічних об'єктів і операційного середовища взаємною відповідністю із заданою точністю апроксимації; висновки і практичні рекомендації - аналізом моделей структур і процесів, що пропонуються, результатами розрахунків досліджуваних моделей, методів і засобів.

Практична цінність роботи полягає в розробці методів представлення зображень динамічних об'єктів, структур і алгоритмів функціонування обчислювальних засобів з акселераторами перетворення зображень для створення систем синтезу та відображення динамічних об'єктів в центрах оперативного управління в режимі реального часу.

Запропоновані рішення дозволяють також проектувати засоби синтезу та візуалізації когнітивних образів стану динамічних об'єктів, паралельно-конвейєрні засоби геометричного перетворення зображення динамічного об'єкта з використанням методу секторної сегментації, що забезпечує підвищення продуктивності систем синтезу зображень до 8 і більше разів, засоби синтезу та візуалізації локаційного простору систем виявлення з одночасним підвищенням їх роздільчої здатності при відображенні користувачеві для спостереження та прийняття рішень.

Реалізація результатів роботи. Отримані результати знайшли практичне використання у НДР “Базовий комплекс засобів конфігурування й керування розподіленими геоінформаційними системами оперативної взаємодії - Геокарта” шифр 06.05/02339, яка виконувалася на замовлення Міністерства освіти та науки - договір № 2/615-97. У роботах, що проводяться на кафедрі Комп'ютерної інженерії Сєвєродонецького технологічного інституту Східноукраїнського національного університету:

·

· у дипломному проектуванні;

· у виконанні НДР “Відеосистеми оперативної взаємодії: методи та засоби синтезу і відображення динамічних об'єктів”.

Особистий внесок автора. Автор самостійно розробив основні задачі дисертаційної роботи та основні положення, що виносяться до захисту. У співавторстві з науковим керівником розроблені методи проектування та математичні моделі для представлення зображень динамічних об'єктів у векторній формі. Автор розробив математичний апарат, алгоритми та прикладні програми для побудови засобів візуалізації динамічних об'єктів. Під керівництвом автора на кафедрі Комп'ютерної інженерії СТІ СНУ розроблена базова мережева модель системи відображення рухомих об'єктів. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить розробка програмного забезпечення для відображення стану рухомих об'єктів та принципи структурної організації системи оперативної взаємодії [2], розробка моделі представлення графічних даних про стан рухомого об'єкта [3], розробка моделей обміну графічними даними в мережі [4].

Апробація роботи. Основні наукові результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 1-й і 2-й науково-методичних конференціях “Інформаційні технології в освіті і управлінні" 25-27 травня 1999 р., 1-3 червня 2000 р. (Нова Каховка), на 3-й конференції країн СНД по екології хімічних виробництв “Екологія 98” 15-17 вересня 1998 р. (Сєвєродонецьк), на науково-технічній конференції “ТЕХНОЛОГІЯ 2000”, Сєвєродонецький технологічний інститут Східноукраїнського державного університету (Сєвєродонецьк, 27.04.2000).

Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 5 публікаціях і науково-технічному звіті з НДР за темою “Базовий комплекс засобів конфігурування та керування розподіленими геоінформаційними системами оперативної взаємодії - Геокарта” шифр 06.05/02339.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 глав, висновків, списку літератури, що цитується, із 111 найменувань, 4 додатків. Робота містить 227 сторінок машинописного тексту, 46 рисунків, 15 таблиць, додатків на 44 сторінках.

основний ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано обґрунтування актуальності роботи та формулюється мета досліджень.

У першому розділі виконано аналіз сучасних інформаційних технологій у системах оперативного керування навігаційними засобами. Розглядаються проблеми відображення користувачеві стану об'єктів і об'єктного простору, що динамічно змінюється, аналізуються особливості технологій побудови систем оперативного відображення динамічних об'єктів у геоінформаційних системах (ГІС), системах глобального позиціонування (ГПС) і системах оперативно-тактичного керування.

У цих системах, головна задача оператора полягає в аналізі відображуваного простору з динамічними об'єктами з метою отримання з синтезованого зображення інформації про стан об'єктів і об'єктного (навігаційного, яке контролюється) середовища.

Комп'ютерна графічна підтримка процедури інтерпретації інформації вимагає забезпечення інформаційної та динамічної подібності реальної обстановки в просторі, що відображається, представлення зображення динамічного об'єкта в русі (обертальному й поступовому) в режимі реального часу, з мінімальними обмеженнями на дискретність положень об'єктів у межах психофізіологічних можливостей оператора. При цьому потрібно мінімізувати обсяг пам'яті для бази даних зображень (БДЗ) і програмних процедур.

Кількість динамічних об'єктів, що одночасно візуалізуються на складному геоінформаційному зображенні (контексті), визначається можливостями оператора.

З аналізу аспектів подання інформації про складні динамічні об'єкти та процеси можна зробити такі висновки:

- у сучасних інформаційних технологіях практично обов'язковим є представлення об'єкта (процесу), що досліджується, у вигляді “геометричної моделі”;

- у СОУ особлива увага приділяється інтерфейсу взаємодії оператора з системою, що підвищує його (оператора) інтелектуальні можливості щодо аналізу процесів, які представляються в системі;

- методи та засоби відображення динамічної компоненти напрямку руху об'єкта мало досліджені;

- не знайдені в літературі посилання на системи, в яких для транспонування зображень використовуються алгоритмічні підходи на методах, що здійснюють конформне відображення елементів зорового поля;

- зображення динамічного об'єкта, яке трансформується на довільний кут повороту, повинно зберігати геометричні розміри (відповідати ізотермічному конформному відображенню);

- методи та засоби синтезу й відображення динамічних об'єктів, які відповідають конкретним прикладним умовам застосування, не повинні вносити обмеження щодо обчислювальних ресурсів і введенню-виведенню.

У другому розділі розробляються й досліджуються питання теорії та методи організації обчислювального процесу і структури даних для представлення динамічних об'єктів у вигляді динамічних констант зображень: досліджуються особливості їх представлення в базах даних; виконується порівняльний якісний аналіз способів опису зображень; узагальнено характеризуються методи і засоби оперативного відображення інформації, структура конвейєра графічних перетворень, методів і засобів його реалізації; обґрунтовується ефективність використання для автономних процесів перетворення координат об'єкта різнотипних координатних систем і декларується концепція акселератора конформних перетворень для відеоадаптеру.

Навігаційний об'єкт представляється динамічною константою зображення (ДКЗ), яка не змінює свій зовнішній вигляд, але змінює своє положення, переміщуючись за двокоординатним простором “контекстного” зображення (фону, карті місцевості тощо).

Для оператора така графічна константа є елементарною одиницею інформації в ієрархічній структурі динамічного простору, що контролюється. Такі системи описуються в термінах формальної граматики, що дозволяє представити опис даних і діалог “система-оператор” у зручній для користувача формі.

База даних динамічних зображень (БДДЗ) розглядається як інструмент, який дозволяє формалізувати організацію даних, аналізувати та синтезувати моделі предметної області. У геоінформаційних системах і СОУ необхідно виконувати задачу транспонування в реальному часі початкових (канонічних) даних структури в поточну (тимчасову) структуру даних, адекватну динамічному стану об'єкта, що відображається. При цьому ставиться задача виключення проміжних (мультиплікаційних) зображень і адекватних їм компонентів в БДДЗ. Для цього потрібна розробка способів представлення зображень, істотно відмінних від традиційних, і спеціальних структур даних. У відомих класифікаціях не виділяються спеціальні структури даних і способи їх представлення для зображень динамічних об'єктів.

Багато які структури даних критичні до нових застосувань. Транспонування (обертання) зображення представляє таку критичну операцію за часом обробки і місткістю пам'яті. Об'єкти СОУ характеризуються наявністю обертального руху з високими швидкостями переміщення. Оскільки відображення обстановки в просторі а також кожного динамічного об'єкта має бути ізотермічним, тобто без спотворень траєкторій і розмірів зображень об'єктів, то вирішується задача транспонування матриці (вікна зображення) на будь-який кут і її площинно-паралельне переміщення в реальному часі. Математична модель такого транспонування матриці динамічного об'єкта представлена в роботі ізотермічним конформним відображенням (перетворенням) однозв'язних областей простору. З відомих джерел видно, що підхід, який декларується, до представлення й відображення динамічних об'єктів іншими авторами не досліджувався.

Використовуючи математичний апарат комплексних чисел (конформних відображень функції комплексної змінної) для попередньої побудови баз даних, адаптованих до стадій обробки ДКЗ, запропонована логіко-математична модель алгоритмічного конформного перетворювача баз заданих зображень динамічного об'єкта, що скорочує обсяг поточних обчислень у процесі синтезу та візуалізації зображення динамічного об'єкта в реальному часі.

У теоретичному аспекті досліджується й вирішується задача необмеженого транспонування матриць (растрових зображень) з їх ізотермічним відображенням растровими засобами в реальному масштабі часу.

Для представлення ДКЗ в БДДЗ і просторі, що візуалізується, використовується обмежена множина базових знакомісць (БЗМ), які трактуються у вигляді інваріантного рецепторного поля зображення (РПЗ), що використовується на всіх стадіях обробки (зберігання, конформного перетворення, композиції з фоном). До зображення об'єкта на стадіях зберігання в БДДЗ і композиції можливе застосування всіх допустимих операцій всіх способів представлення зображень.

Зміст запропонованого підходу до розв'язання задачі синтезу та візуалізації динамічних об'єктів у СОУ полягає в наступному:

- модель динамічного об'єкта представляється у вигляді константи динамічного зображення (когнітивного образу у вигляді зображення супутників, ракет, літаків та інших рухомих об'єктів) з особливими їх атрибутами;

- “вікна” (матриці ДКЗ) множини динамічних об'єктів у просторі, що контролюється (поточної обстановки), ідентифікуються в поточному кадрі зображення координатами декартової або полярної систем координат для регламентованих елементів вікон;

- спеціальна (локальна) система координат ДКЗ зумовлюється до стадії обробки. Для зберігання множини ДКЗ формується БДДЗ, в якій модель - зображення кожного динамічного об'єкта (його ДКЗ) - має віртуальне позиційне матричне представлення в полярній системі координат (ПКС). Поточна структура ДКЗ, еквівалентна динамічному стану об'єкта, призначається його позиційному матричному представленню в декартовій системі координат (ДКС). Поточні структури ДКЗ, що відображаються, концептуально виділяються в БДДЗ;

- перетворення ДКЗ з ПКС в декартову систему координат реалізується алгоритмічним конформним перетворювачем (акселератором відеоадаптеру);

- поєднання поточної структури ДКЗ з фоном (контекстом) зображення реалізується при передаванні даних у кадровий оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП) алгоритмічними методами.

Для порівняння способів опису зображень, методів і засобів оперативного відображення інформації використані узагальнюючі параметри оцінки: обсяг інформації для опису, якість відтворення зображення, швидкість виведення, реалізованість в апаратних засобах. Порівняння функціонального, векторного і растрового способів кодування зображень вказує на їх переваги та недоліки, визначаючи проблеми, котрі мають бути усунені.

На основі аналізу розробок і досліджень методів і засобів представлення та перетворення графічних даних, автор запропонував підхід з багаторівневим (багатостадійним) представленням і обробкою графічних даних про динамічні об'єкти. Для розв'язання цієї задачі виконується декомпозиція динамічного стану об'єкта на складові - обертання і площинно-паралельне переміщення - та використовується математичний апарат комплексних чисел (конформних відображень функції комплексної змінної) для попередньої побудови баз даних, адаптованих до стадій обробки ДКЗ (обертання чи переміщення). Координати точки в декартовій zДКС, полярній zПКС системах координат і в показовій формі zПФ комплексного числа описуються наступними відповідними співвідношеннями:

(1)

Математичною моделлю повороту (обертання) точки і, відповідно, операції перетворення її координат, представлених комплексним числом, є наступне співвідношення, в якому вказані поточна координата точки і приріст координати при повороті в новий стан:

. (2)

Переміщення точки в декартовій системі координат описує таке співвідношення:

. (3)

Переходи з однієї системи координат в іншу реалізуються табличними перетворювачами без обчислень з використанням переадресації даних, що забезпечує необхідну швидкодію формування даних для дисплейного кадру зображення. Підвищення швидкодії табличного перетворення і зменшення об'єму бази даних засновується на природному паралелізмі та дуальності тригонометричних функцій, що описують процеси динамічного стану об'єктів.

У роботі досліджені математичні моделі для векторної форми представлення динамічних об'єктів у полярній системі координат і виконано порівняння обчислювальної трудомісткості при кодуванні елементів зображення абсолютними та відносними координатами в декартовій і змішаній системах координат. Визначено, що мінімальна трудомісткість обчислень координат об'єкта, що обертається, досягається при описі зображення динамічного об'єкта у відносній полярній системі координат (рис.1) та описується наступним співвідношенням:

. (4)

У відомих сучасних технологіях і засобах перетворення прикладних графічних зображень (за винятком вітчизняної системи синтезу зображень імітаторів візуальної обстановки) питання синтезу зображень з динамічними об'єктами для систем реального часу залишаються не розкритими і не вказуються можливості розв'язання таких задач.

У задачі синтезу поточного дисплейного кадру зображення концептуально й фізично виділяється ряд макропроцесів обробки зображення:

- процес формування контекстного (фонового) зображення в максимально допустимому форматі растру монітора;

- процес локального автономного повороту (обертання) осей координат і динамічної константи зображення кожної компоненти з усієї множини об'єктів, що спостерігаються;

- процес локального паралельного перенесення декартових координат множини поточних зображень ДКЗ;

- процес композиції контекстного та динамічного зображень ДКЗ (формування файла дисплейного кадру зображення).

У третьому розділі розробляються й досліджуються математичні моделі процесу обертання динамічних об'єктів, представлених контурними зображеннями: досліджується відображення типових класифікаційних ознак на об'єктну модель графічної константи динамічного об'єкта; визначаються проблеми синтезу нерухомих і рухомих графічних зображень, особливості алгоритмів анімації та векторно-растрових перетворень типових графічних адаптерів; розробляються математичні моделі конформних перетворень ДКЗ, представлення динамічних об'єктів функціями комплексних змінних на площинах з декартовою прямокутною й полярною системами координат, геометрична модель зв'язку між декартовими й полярними координатами об'єкта.

Динамічна графічна константа представлена компонентою більш складного за структурою зображення, що надається оператору для аналізу. У задачі, що вирішує оператор, кожна ДКЗ, що спостерігається, є компонентою з множини ДКЗ, морфологія яких залишається незмінною, а геометрія динамічно змінюється і залежить від поточного динамічного стану обстановки.

Для опису різних особливостей об'єктів і їх зображень виконується декомпозиція структури й властивостей об'єкта відображення та виділяються класи інформації.

Інформація різних класів поділяється на декілька типів: семантичну (належить до природи інформації; для морфології це типи - область, коло, вектор та ін.); синтаксичну (належить до моделювання інформації, наприклад, координати - декартові або полярні, зображення - стисле або розтягнуте) і структурну, що дозволяє групувати об'єкти однакової природи. Таким чином, на інфологічному рівні ДКЗ задається системою математичних об'єктів, що описуються множиною відомих термінальних символів

D = {I, M, S, А(t), G(t), Е(t), Т(t)}. (5)

Математична модель D{*} відображає типові класифікаційні ознаки константи зображення динамічного об'єкта. Ідентифікація (I), морфологія (M) і природа відносин (структура S) залишаються типовими незалежними класами інформації. Інші ознаки у визначенні інтерфейсу між початковим і кінцевим простором (екраном) вказують на динамічний характер об'єкта: А(t) - характеризує зовнішній вигляд ДКЗ (наприклад, виділення кольором “свій”-”супротивник”); G(t) - описує геометричні ознаки (положення і напрям геометричного об'єкта). Клас геометричних ознак визначає положення полюса, пов'язаного з n-ю ДКЗ j-го типу в координатах поля виведення:

(6)

де - координати об'єкта в світовому просторі;

- функції перетворення координат;

- кількість дискретних значень кута орієнтації зображення ДКЗ, яка визначається за формулою

(7)

Е(t) - характеризує видимість об'єкта ДКЗ, динаміку процесу візуалізації інформації, що безпосередньо сприймається оператором: Enj(t) = {e0, e1, e2}.

Для задачі, що розв'язується, виділяються три режими відображення:

- e0 - стаціонарний (ДКЗ постійно видима);

- e1 - для об'єкта, що знову з'явився (наприклад, ДКЗ блимає з низькою частотою);

- e2 - для того, що змінює один із заданих параметрів (наприклад, для літака, що різко зменшує висоту польоту - ДКЗ блимає з підвищеною частотою).

Т(t) - описує допоміжну інформацію, змінну в часі, що відображається оператору в інтерактивному режимі.

Кожний клас ознак описано характеризуючою його інформацією. Конструкції опису зображення аналогічні конструкціям синтаксичних правил Бекуса і односпрямованому списку для синтаксичного опису моделі. Однорідні дані групуються локально.

Структури даних ДКЗ, що обробляються, адаптовані до найбільш простих передбачених операцій табличного перетворення.

Для роботи зі списковими й матричними структурами даних запропоновані алгоритми їх обробки. У цих алгоритмах потрібно виконувати вибірку з таблиці не за адресою, а за змістом. Ця операція характерна для асоціативного оперативного запам'ятовуючого пристрою.

Обґрунтованість та ефективність запропонованого підходу підтверджується розглянутими математичними моделями для векторної форми представлення динамічного об'єкта в полярній системі координат і математичними моделями процесу обертання динамічних об'єктів, представлених контурними описами.

Взаємозв'язок між структурами даних областей, що відображаються з різними координатними системами, обґрунтовано математичними моделями конформних перетворень ДКЗ. Для цього в роботі введені основні геометричні визначення об'єктів перетворення ДКЗ і розглянуті принципи конформного відображення однозв'язних областей простору.

Аналіз характеру геометричного перетворення вказує на процес одноаркушного конформного відображення, у зв'язку з чим розгляд обмежується тільки відображенням однозв'язних областей. Серед різних функцій, що здійснюють одноаркушне відображення однозв'язних областей одна на одну, важливе теоретичне значення мають функції, які найчастіше використовуються в конформному відображенні. До задачі, що розглядається, належать особисті функції найпростіших конформних відображень, в яких ортогональна сітка переходить у прямокутну координатну сітку. До таких функцій належать лінійне й дробово-лінійне перетворення.

У разі лінійної функції перетворення може бути розкладене на три перетворення: поворот площини на кут j, подібне розтягнення (масштабування) у r раз і паралельне переміщення. Окремий випадок відображення w, де А, b - довільні комплексні числа, відповідає обертанню на кут , розтягненню в разів та паралельному переміщенні на вектор B. Внаслідок цього фігури в площині Z перетворюються в собі подібні, додатково повертаючись і зсуваючись.

Кожне дробово-лінійне відображення може бути представлене як композиція найпростіших дробово-лінійних відображень: паралельне перенесення, інверсія (симетрія) і обертання та розтягнення з подальшим зсувом.

У залежності від властивостей перетворення, відображення називається

- ізотермічним, якщо зберігає всі метричні величини на поверхні;

- конформним, якщо зберігає кути;

- эквіреальним, якщо зберігає площі.

Для отримання конформного відображення кожна з поверхонь конформно відображається на площину, а потім одна площина відображається на іншу за допомогою аналітичної функції комплексної змінної.

У роботі визначені аналітичні функції й геометричні моделі перетворення координатних систем (рис.2), геометрична модель зв'язку між полярними і декартовими координатами об'єкта (рис.3), виконано розрахунки координат для переходу з полярної в декартову систему координат.

У дисертаційній роботі відображення за допомогою аналітичної функції зумовлюється таблицею перетворення. Теоретичним обґрунтуванням коректності такого перетворення є характер відображення, що дається приватними функціями, котрі володіють властивістю їх інваріантності щодо деякої групи дробово-лінійних перетворень аргументу. Однозначні аналітичні функції, які не змінюються при деякій групі дробово-лінійних перетворень аргументу, відносять до автоморфних функцій. Автоморфними функціями з нескінченними групами є використані тригонометричні функції, що підтверджують коректність методу.

За функціональною таблицею перетворень побудовані графіки залежності значень координат векторів полярної системи координат у декартовій і виконано аналіз таких відображень. Результати досліджень дозволили визначити вимоги до мінімально необхідної структури БДЗ і послужили основою для постановки задачі та розробки логіко-математичної моделі процесу обертання динамічних об'єктів, представлених растровими константами зображень.

У четвертому розділі розроблена логіко-математична модель процесу обертання динамічних об'єктів, представлених растровими константами зображень: декларується об'єкт і представлення циклічних параметрів динамічного об'єкта геометричною синус-аркушевою моделлю. Визначаються поняття операційних компонент математичної моделі системи конформних перетворень координат динамічних об'єктів. Досліджується логіко-інформаційна залежність координат ДКЗ у локальних системах координат, пов'язаних з центром обертання ДКЗ. Формалізується представлення циклічних координат ДКЗ геометричною синус-аркушевою моделлю й декларуються її когнітивно-інформаційні властивості. Мінімізується трудомісткість обчислювальних операцій шляхом локальної оптимізації параметрів дискретизації зображення динамічного об'єкта. Формулюється концепція проблемно-орієнтованої моделі операційного середовища й математична постановка задачі транспонування растрового зображення, для реалізації яких розглянута можливість застосування спеціалізованої систолічної структури геометрично-арифметичних паралельних перетворень і алгоритм транспонування матриці ДКЗ підсистемою конформних перетворень на основі цього операційного середовища. Розроблена й обґрунтована алгоритмічно-орієнтована структура для перетворення зображень динамічних об'єктів у реальному часі, концепція якої розроблена на основі операційного середовища з функціонально-орієнтованою системою пам'яті та логіко-евристичним алгоритмом перетворення координат при повороті ДКЗ. Заключним етапом цього розділу є розробка й дослідження базової моделі співпроцесора транспонування динамічних об'єктів у реальному часі, для якої визначені об'єкти структури співпроцесора та обґрунтовано принцип транспонування (синтезу) поточного зображення динамічного об'єкта.

З математичної точки зору ДКЗ трактується як множина крапкових об'єктів - пікселів, які переміщуються (обертаються) за циклічними траєкторіями щодо локальної системи координат.

Введена система понять і визначень операційних компонентів, що використовуються при розробці системи конформних перетворень ДКЗ: рецепторного поля зображення (РПЗ), “безрастрового” РПЗ, віртуального вектора полярної координатної системи (ВВ_П), РПЗ з декартовою (РПЗ_Д) і полярною (РПЗ_П) системами координат, динамічної константи зображення (ДКЗ), РПЗ з полярно-декартовою координатною системою (РПЗ_ПД), знакогенератора віртуального вектора та їх множини з детермінованим їх відображенням на РПЗ_ПД.

На основі досліджень логіко-інформаційної залежності координат ДКЗ у локальних системах координат, пов'язаних з центром обертання ДКЗ, показано, що завдяки введенню логічних змінних для ідентифікації адресів секторів координатних систем з'являється можливість розпаралелювання процесу перетворення для одного об'єкта на 8 гілок і зменшення обсягу таблиці констант тригонометричних функцій і, відповідно таблиці перетворень координат, у 8 разів.

Для мінімізації кількості обчислювальних операцій із збереженням точності апроксимації визначений оптимальний крок дискретизації полярного кута. При цьому крок дискретизації області ДКЗ не перевищує величини дискретного кроку растру декартової системи координат.

Наведена схема дискретизації області ДКЗ у просторі полярно-декартової системи координат. Дано обґрунтування механізмів побудови й сформульована концепція проблемно-орієнтованої моделі операційного середовища для підвищення швидкодії.

У даній роботі, використовуючи сучасні досягнення в технології та організації систем пам'яті, запропоновано розв'язання розглянутої задачі методами й засобами зі структурою, близькою до традиційної організації, з вельми обмеженими функціями логічної обробки даних. Для цього запропонована постановка задачі як функції засобів візуального відображення, що полягає в транспонуванні матриці ДКЗ (з бази даних БДКЗ), представленої в ПКС, на кут j, отриманні за допомогою табличного перетворювача її растрового розгортання в ПДКС (в буфері поточного зображення - БПЗ) і заміщенні нею області зображення з фоном простору.

У розробленій і обґрунтованій алгоритмічно орієнтованій структурі для перетворення зображень динамічних об'єктів у реальному часі сформульована концепція й структура з функціонально орієнтованою системою пам'яті. Щоб подолати обчислювальні обмеження та обмеження за введенням-виведенням, у запропонованих операційному середовищі та алгоритмі перетворень обсяг цих операцій зведений до мінімуму. Досягнення цих цілей забезпечується системою багаторівневої пам'яті зі структурою й системою адресації, функціонально орієнтованих до стадій перетворення ДКЗ. Структура даних, їх організація та система адресації на кожному рівні пам'яті адаптовані до операцій перетворення. Розроблена структурна організація операційного середовища акселератора (співпроцесора) відеоадаптеру і запропоновано логіко-евристичний алгоритм перетворення координат при повороті ДКЗ. Запропоновані метод і алгоритм формування рухомого образу динамічного об'єкта мають мінімум операцій перетворення. Обмежень обчислювальних і за введенням-виведенням немає. При використанні для ОЗП середовища оперативної пам'яті з паралельними операціями читання й запису такт перетворення сегмента растрового вектора відповідає одному такту роботи цього середовища.

На основі запропонованих методу, операційного середовища та логіко-евристичного алгоритму перетворення розроблено базову модель співпроцесора транспонування динамічних об'єктів у реальному часі. Обґрунтована його структура, визначені операційні вузли та їх організація і сформульовано принцип транспонування (синтезу) поточного зображення динамічного об'єкта в реальному часі.

Операційні компоненти (вузли) співпроцесора транспонування ДКЗ концептуально поділяються на компоненти віртуального та функціонального середовищ. До функціональних компонентів належать операційні вузли, в яких здійснюється зберігання початкових даних БД (БД ДКЗ_П, БД ПДКС), проміжних результатів транспонування ДКЗ і вузли логічного перетворення та передачі даних. Спрощена структура базової моделі співпроцесора показана на рис.4. До віртуальних компонентів належать концептуально виділені (шляхом декомпозиції) поняття та операційні вузли співпроцесора.

Однією з особливих компонент співпроцесора є ОП ДКЗ_Д (рис.4). Вузол належить до функціональної компоненти співпроцесора і являє собою двокоординатну матрицю запам'ятовуючих елементів (ЗЕ ОЗП) зі спеціальною системою адресації, спрощеною до регістрів (без розрядних дешифраторів), розряди яких безпосередньо адресують стовпці й рядки матриці ЗЕ. Для адресації стовпців і рядків використовуються апроксимовані відображення функцій синус-аркушевої моделі. У цій матриці ЗЕ формується проміжне відображення векторів ДКЗ_П з ДКЗ, що перетворюється, і результуюче поточне растрове зображення ДКЗ (як результат табличного ізотермічного конформного перетворення при обертанні ДКЗ у локальній системі координат). Для забезпечення необхідної швидкодії співпроцесора кілька матриць (необхідна кількість) можуть оброблятися паралельно.

У п'ятому розділі виконано оцінку методів і структур перетворення зображень динамічних об'єктів: визначена ефективність використання растрового й векторного способів представлення зображень у мережевих структурах, виконана оцінка часових характеристик геометричних перетворень для різних структур операційного середовища.

Для запропонованих проблемно-орієнтованих моделей засобів обробки визначена структура потоків даних у системі, визначені параметри моделі системи обслуговування, структура засобів для реалізації конформних перетворень і алгоритми її функціонування, розглянуті схеми організації доступу до операційного середовища з різною структурою та визначені тимчасові параметри операцій перетворення й максимальні частоти кадрового розгортання.

Для експериментальних досліджень запропонованих рішень розроблені алгоритми й програми, що реалізують підготовку та перетворення тестових зображень, результати яких відображені в НДР “Геокарта”.

висновки

У дисертаційній роботі теоретично обґрунтовані питання розробки архітектури обчислювальних засобів представлення й відображення динамічних об'єктів для центрів оперативного управління та взаємодії, вирішена важлива науково-технічна задача побудови систем синтезу й відображення складних динамічних об'єктів геоінформаційних і навігаційних систем у режимі реального часу.

В області розробки структурних способів та апаратних рішень підвищення продуктивності систем синтезу та відображення динамічних об'єктів центрів оперативного управління та взаємодії отримані наступні результати:

1. Запропонована архітектура відеосистеми з акселератором, що забезпечує паралельно-конвейєрне (до 8 гілок) автономне перетворювання та синтез зображень об'єктів, які динамічно змінюються в реальному часі без використання обчислювальних ресурсів системи, для реалізації якої традиційними методами потрібні багатопроцесорні системи.

2. Для реалізації конвейєру розроблена структура компонент операційного середовища геометричного перетворення координат елементів зображення на основі функціонально-орієнтованої системи пам'яті, що відрізняється регістровою системою адресації та забезпечує “груповий” доступ до стовпців та строк матриці запам'ятовуючих елементів, що адресуються поточними значеннями тригонометричних функцій координат векторів, які описують зображення, що дозволило значно підвищити продуктивність системи візуалізації.

3. Запропонована архітектура відеосистеми з акселератором геометричних перетворень зображень на основі ОЗП із удосконаленою системою керування, що забезпечує паралельне перетворення та візуалізацію растрового зображення форматом 1024х1024 пікселей зі швидкістю до 75 кадрів за секунду без використання обчислювальних ресурсів системи.

В області алгоритмічних методів підвищення продуктивності системи синтезу і підвищення якості зображень, що синтезуються, отримані такі основні результати:

1. Розроблено алгоритм та метод дискретизації й представлення обертаючого полярного вектора в знакогенераторі циклічних становищ, які дозволяють зменшити час синтезу поточного растрового зображення порівняно з традиційними рішеннями.

2. Розроблено алгоритм перетворення канонічного стану растрового полярного вектора та їх множини з бази даних зображень у декартовий растровий простір поля виводу, який забезпечує неінкрементне перетворення в задане поточне положення, зменшення трудомісткості та сталість форми зображення.

Основні науково-технічні результати в області теоретичного та модельного дослідження структур подання даних про складні динамічні об'єкти, алгоритмів їх обробки та структурної організації систем синтезу та відображення динамічних образів:

1. Розроблено структури даних для представлення динамічних констант зображень у контурній (векторній) та растровій формах, операційно-орієнтовані до стадій динамічного стану об'єкта та адаптовані до реалізації паралельними обчислювальними системами.

2. Розроблені та досліджені алгоритми й операційно-орієнтовані моделі для реалізації процесів обертання зображень динамічних об'єктів, що представлені складними зображеннями у векторній і растровій формах на основі математичного апарату конформних відображень функції комплексної змінної, які дозволяють знизити трудомісткість геометричних перетворень до 25 відсотків.

Список опублікованих праць

1. Смолій В.В. Математичні основи підвищення ефективності графічних перетворювань у системах реального часу // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.-1999.-№1.-С.102-107.

2. Васюхін М.І., Смолій В.В. Системи накопичення, обробки та відображення складних символів, що рухаються на картографічному фоні // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.-1999.-№2.-С.107-110.

3. Васюхін М.І., Смолій В.В. Система візуалізації тренажерів диспетчерів повітряного і морського простору // Вісн. ХДТУ.-1999.-№1(5).-С.126-127.

4. Васюхін М.І., Смолій В.В., Воловод Є.В. Мережеві технології в графічних системах моніторингу рухомих об'єктів // Вісн. ХДТУ.-2000.-№.1(7)-С.163-167.

5. Смолий В.В. Применение конформных отображений в процессе геометрических преобразований изображений динамических объектов // Наук. пр. Донецького державного техн. ун-ту. Сер. Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка.- 2000.- Вип. 15.- С.174-179.

АНОТАЦІя

Смолій В.В. Методи та засоби синтезу й відображення динамічних об'єктів (для центрів оперативного управління).- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю

05.13.13 обчислювальні машини, системи та мережі, Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, Київ, 2001.

Робота містить результати теоретичних і експериментальних досліджень алгоритмічних і структурних методів побудови засобів синтезу зображень, що забезпечують відтворення динаміки рухомого об'єкта в системах оперативного управління в режимі реального часу.

Запропоновані архітектура й алгоритми функціонування системи синтезу зображень з операційно-орієнтованими системами координат, які оптимізовано до представлення й обробки компонент руху об'єктів. Системи координат взаємно пов'язані табличними перетвореннями, що реалізовують ізотермічне конформне відображення образу об'єкта. Установлено, що система забезпечує перетворення зображення динамічного об'єкта та простору навігаційного середовища високої складності акселератором відеосистеми без використання обчислювальних ресурсів системи.

Запропоновані структури й алгоритми випробувані в НДР за темою “Базовий комплекс засобів конфігурування та керування розподіленими геоінформаційними системами оперативної взаємодії - Геокарта”.

Ключові слова: динамічний об'єкт, динамічна константа зображення, віртуальний вектор зображення, декомпозиція процесу руху, обертання, паралельно-поступове переміщення, система операційно-орієнтованих засобів, ізотермічне конформне відображення, табличне перетворення, акселератор відеоадаптеру.

АННОТАЦИЯ

Смолий В.В. Методы и средства синтеза и отображения динамических объектов (для центров оперативного управления).-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.13 – вычислительные машины, системы и сети.- Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины, Киев, 2001.

Работа содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований алгоритмических и структурных методов построения вычислительных средств синтеза изображений динамических объектов для представления и отображения пользователю навигационного пространства в центрах оперативного управления в реальном времени.

Предложена архитектура и алгоритмы функционирования системы синтеза изображений с операционно-ориентированными системами координат, в которых эти преобразования описываются простейшими операциями – сложением или сдвигом. Это положение является основой предлагаемого метода использования локальных разнородных систем координат – декартовой системы координат для описания процесса линейного перемещения и полярной системы координат для описания процесса вращения. В работе показано, что экономия вычислительных ресурсов может достигать до 25%.

Для реализации предложенного метода разработаны структуры описания графических данных, алгоритмы функционирования и структурные решения для видеосистемы. В процессе решения задачи визуализации данных по предлагаемому методу, возникла задача перевода данных из одной системы координат в другую, математическим описанием которой является изотермическое конформное отображение функции комплексной переменной. В связи с этим, выдвинута концепция акселератора конформных геометрических преобразований и разработаны структура и алгоритмы функционирования операционной среды акселератора.

Разработанная геометрическая “синус-листная” модель и алгоритм отображения циклических параметров динамического объекта и обстановки динамического пространства, позволяя реализовать параллельно-конвейерную структуру операционной среды акселератора.

Операционная среда акселератора разработана на основе функционально-ориентированной системы