Методы и алгоритмы обработки визуальной информации для создания виртуального окружения тренажерных комплексов

• Автор: Хураськин, Игорь Анатольевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ.

Цели и задачи работы

Структура работы

Глава 1. Создание виртуального окружения в стерео, режиме .

1.1. Обзор существующих методов создания визуальной обстановки и анализ их использования в тренажерных системах.
1.2. Технология формирования стереопары для адекватного восприятия виртуального пространства.

1.2.1. Геометрическая модель человеческого зрения

1.2.2. Стереопара и принцип моделирования объемного видения

1.2.3. Параметры виртуальных камер для моделирования стерео режима.

1.2.4. Вычисление параметров виртуальных камер.

1.3. Реализация стерео режима в подсистеме визуализации тренажерного комплекса
1.4. Мультиэкранная визуализация и синхронизация работы компонентов подсистемы визуализации.
1.4.1. Концепция управления выводом
1.4.2. Механизм передачи данных и синхронного вывода.
Глава 2. Методы определения положения оператора в трехмерном пространстве
2.1. Обзор основных типов систем трекинга и анализ их использования в тренажерных системах.
2.2. Методы оптического трекинга
2.2.1. Восстановление положения объекта по изображениям от видеокамер
2.2.2. Методы идентификации маркеров на изображении
2.3. Реализация подсистемы трекинга дня тренажерного комплекса
2.3.1. Определение параметров видеокамеры
2.3.2. Поиск маркеров на изображении и нахождение групп маркеров.
Глава 3. Ошибки определения положения оператора и методы их уменьшения.
3.1. Оценка точности реконструкции трех маркеров, расположенных на отрезке
3.2. Визуальные искажения при ошибках определения положения оператора
3.3. Уменьшение ошибок при определении положения маркеров на изображении
Глава 4. Взаимодействие оператора с виртуальными пультами управления.
4.1. Технология взаимодействия человека с виртуальными объектами
4.1.1. Общая схема взаимодействия человека с виртуальными объектами
4.1.2. Определение положения человека в виртуальном окружении тренажера
4.1.3. Воздействие на виртуальные объекты и последующая динамика их движения.
4.2. Взаимодействие с элементами виртуальных пультов управления.
4.2.1. Нажатие на виртуальные кнопки.
4.2.2. Переключение тумблеров
4.2.3. Вращение переключателей.7.
4.2.4. Вращение регуляторов .
Глава 5. Реализация разработанных компонентов виртуального окружения для тренажерных комплексов
5.1. Структура и функционирование системы виртуального окружения
5.2. Тренажерный комплекс Выход21 системы обеспечения выхода в космос .
Заключение
Библиография


Первая^ глава посвящена созданию виртуального окружения в тренажерных комплексах. Вначале в ней проводится анализ основных существующих методов обеспечения объемного видения человеком виртуального пространства. На основе этого анализа выбираются методы, пригодные для использования в тренажерных комплексах систем управления сложными динамическими процессами. Для этих методов предлагается новая технология создания стереопары, включающая вычисление параметров соответствующих виртуальных камер и обеспечивающая адекватное (не искаженное) объемное видение виртуального пространства. Далее, рассматриваются особенности реализации выбранных методов и этой технологии в подсистеме визуализации тренажерного комплекса. Последний' раздел’ посвящен разработанной технологии усовершенствования обменасинформацией между подсистемой визуализации и другими компонентами системы. Эта технология обеспечивает синхронность вывода изображений на нескольких экранах, что повышает качество функционирования подсистемы визуализации в много канальном режиме. Вторая глава посвящена технологиям определения положения и ориентации в пространстве оператора тренажерного комплекса. В главе проводится анализ основных типов существующих систем трекинга. Этот анализ позволяет выбрать тип систем, наиболее подходящих для использования в тренажерных комплексах систем управления. Из них наиболее эффективным представляется класс оптических систем трекинга с использованием специальных светящихся маркеров. Для повышения эффективности работы этого типа систем необходимо найти такие конфигурации, которые содержали бы минимально возможное число маркеров, но позволяли, тем не менее, однозначно определять положение и ориентацию отслеживаемых объектов. В данной главе показывается, что одного и двух маркеров недостаточно для решения поставленной задачи, а также доказываются теоремы об однозначном определении положения и ориентации определенных конфигураций из трех и четырех маркеров и определяются условия, при которых эта реконструкция невозможна. Кроме того, предлагаются новые методы и алгоритмы идентификации маркеров на изображении. С целью повышения эффективности разрабатываемой системы трекинга найдено минимальное количество цветов, необходимое для однозначной идентификации маркеров рассматриваемых конфигураций на изображении. Последний раздел посвящен реализации подсистемы трекинга для тренажерных систем. В третьей главе производится оценка погрешности реконструкции положения конфигурации из трех маркеров, расположенных на отрезке, в зависимости от ее удаленности и ориентации в пространстве. Для уменьшения погрешности реконструкции предлагаются новые методы корректировки положения маркеров на изображении, основанные на построении наиболее вероятной прямой, содержащей заданное множество точек. Кроме того, в главе рассматривается влияние ошибок системы трекинга на качество работы системы визуализации и доказывается теорема, определяющая зависимость смещения видимого положения виртуальных объектов от смещения положения наблюдателя. В четвертом главе разрабатывается общая концепция и технология взаимодействия человека с виртуальными объектами. В рамках технологии предлагаются методы создания виртуального образа человеческого тела и его частей (рук, кистей, пальцев и т. Кроме этого, созданы динамические модели взаимодействия оператора тренажера в виртуальном пространстве со стандартными элементами пультов управления, такими как виртуальные кнопки, тумблеры, переключатели и регуляторы. Данные модели позволяют выполнять высокореалистичную визуализацию движения виртуальных элементов управления при воздействии на них оператора. В питон главе представлена реализация системы виртуального окружения для тренажерных комплексов. В главе описывается структура разработанной системы виртуального окружения тренажерного комплекса и системные связи ! В последнем разделе главы представлено описание тренажерного комплекса обеспечения выхода в космос «Выход-2», на котором были апробированы разработанные в данной работе технологии, методы и алгоритмы.