Математическое и программное обеспечение восстановления и визуализации 3D-моделей в составе интегрированных СУБД

Внедрение современных компьютерных технологий в различные области науки и техники всё чаще заставляет обращаться к вопросам восстановления и визуализации ЗБ-моделей.

Восстанавливать трехмерную форму объекта можно как по одному изображению, так и по последовательности его изображений с разных ракурсов. При этом, регулируя количество изображений объекта, можно получить различные соотношения сложности и скорости процесса моделирования и его точности. Для восстановления объектов произвольной формы используются универсальные методы, которые на текущий момент не позволяют быстро получить качественный результат. Для визуализации объектов определенных классов, для которых априори известны некоторые свойства формы, используются специально разработанные алгоритмы, учитывающие особенности объектов данного класса.

Наиболее часто встречающимися ошибками при восстановлении и визуализации графических моделей являются ошибки геометрии: пропавшие или перевернутые грани, дублированные ребра и ошибки с файлами. Проблемы корректного отображения возникают и в тех случаях, когда пользователи графических систем хотят получить доступ к ЗБ-моделям, построенным в различных графических решениях и системах поддержки жизненного цикла (РЬМ). В таком случае необходимо преобразовать линии и сопутствующую информацию из исходных графических файлов в формат, который поддерживается используемой системой. Поскольку все системы обрабатывают данные различными способами и с разными приоритетами, трансляция требует проверки множества факторов. Отдельной проблемой является задача восстановления и визуализации многоэлементной модели. Так поведение программного обеспечения, используемого в большинстве современных графических систем, применительно к пространственным моделям, содержащих в своём составе более 100 элементов, плохо прогнозируемо.

Наиболее эффективными для работы с п-мерными моделями являются постоянно развивающиеся интерактивные средства моделирования в режиме диалога «человек-компьютер». В сложных системах с большим числом процедур обработки графической информации интегрированная база данных (ИБД) является центральным узлом, а СУБД обеспечивает эффективное взаимодействие с внешними программными решениями. Интегрированная база данных в современных информационных системах, ориентированных на исследование, разработку и практическую реализацию сложных объектов, является совокупностью различных видов, типов и структур организации данных.

Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена необходимостью разработки математических и программных средств восстановления и визуализации трехмерных моделей, в которых взаимодействие с пользователем сводится к минимальному количеству простых операций, позволяющих осуществлять комплексный контроль, коррекцию и формирование пространственных моделей элементов и конструкций на основании исходных структурных описаний с учетом погрешности построения и отображения п-мерных моделей, поддерживающих интеграцию с графическими системами и ориентированных на сохранение функциональной целостности четырехуровневой модели клиент-серверной архитектуры развёртывания решений поддержки жизненного цикла.

Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные комплексы и проблемно-ориентированные системы управления» (ГБ 2010.48). Работа поддержана целевым грантом фонда Бортника в рамках программы «УМНИК».

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка специального математического и программного обеспечения восстановления и визуализации ЗБ-моделей с использованием интегрированных баз данных пространственных объектов в графических системах и решениях поддержки жизненного цикла.

Для достижения поставленной цели в работе определены следующие задачи исследования:

— провести комплексный анализ методов и алгоритмов восстановления и визуализации пространственных моделей объектов в графических системах и решениях поддержки жизненного цикла;

— разработать структуру информационной системы восстановления и визуализации пространственной модели объекта, а также предусмотреть возможность сопряжения с графическими системами и РЬМ-решениями;

— на основе системы управления БД разработать методы, алгоритмы и программные инструменты для взаимодействия графических систем и решений поддержки жизненного цикла с формированием интегрированной базы данных пространственных моделей с обеспечением целостности сетевой модели, клиент-серверной архитектуры развертывания РЬМ-решений;

— разработать программный комплекс, предназначенный для восстановления и визуализации пространственной модели с использованием структурных описаний объекта для работы с конструкциями и элементами сложной геометрии в составе СУБД.

Методы исследования. В качестве теоретической и методологической основы диссертационного исследования использованы методы параметрического моделирования, систем управления базами данных, математического моделирования, объектно-ориентированного программирования, математического программирования, компьютерной графики.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

— модель интеграции межмодульных интерфейсов, поддерживающая систему управления данными проекта, отличительной особенностью которой является обеспечение бесшовной интеграции разработанного программного обеспечения с графическими системами и решениями поддержки жизненного цикла;

— алгоритмы восстановления и визуализации ЗБ-модели конструкции, отличительной особенностью которых является применение разработанной схемы трехмерной реконструкции элементов по исходной модели, содержащей неоднородные части;

— интегрированная база данных графических элементов, информационные поля которой содержат полную параметрическую модель объекта, отличающаяся поддержкой различных типов данных, классов и графических библиотек и многовариантного поиска;

— структурная схема информационной системы, позволяющей проводить в интерактивном режиме восстановление и визуализацию ЗБ-модели графических данных, отличительной особенностью которой является формирование и использование интегрированной БД пространственных моделей;

— структура специального программного обеспечения в составе СУБД, с применением средств человеко-машинного интерфейса, содержащая интегрированные модули контроля, коррекции, восстановления и визуализации ЗБ-моделей, отличающаяся сопряжением с широким кругом графических систем и решениями поддержки жизненного цикла с использованием четырехуровневой модели клиент-серверной архитектуры развёртывания РЬМ-систем.

Результаты соответствуют следующим пунктам паспорта специальности: — п. 3 «Модели, методы, алгоритмы, языки и программные инструменты для организации взаимодействия программ и программных систем»;

— п. 4 «Системы управления базами данных и знаний»;

— п. 7 «Человеко-машинные интерфейсымодели, методы, алгоритмы и программные средства машинной графики, визуализации, обработки изображений, систем виртуальной реальности, мультимедийного общения».

Практическая значимость работы. В работе предложен комплекс программных средств, реализующий бесшовную интеграцию графических систем и РЬМ-решений с формированием интегрированной базы данных (с поддержкой динамических библиотек), обеспечивающий возможность выбора графической системы, выполняющий восстановление и визуализацию трехмерной модели, осуществляющий трансляцию пространственных моделей в рамках графических систем и решений поддержки жизненного цикла, ориентированный на использование четырехуровневой модели клиент-серверной архитектуры развёртывания РЬМ-систем.

Реализация и внедрение результатов работы.

В рамках диссертационной работы реализовано программное обеспечение «Система восстановления и визуализации ЗБ-моделей». Разработанные средства внедрены в деятельность ООО «Гики Корп» и ООО «РосЭкоСтрой» в интересах визуализации графических моделей и восстановления пространственных моделей сложных конструкций. Результаты диссертационной работы также внедрены в учебный процесс по ряду дисциплин на кафедре автоматизированных и вычислительных систем ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Апробация работы.

Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве, НТ-2010» (Воронеж, 2010) — IX Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации.

Распознавание 2010″ (Курск, 2010) — Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж, 2010) — Региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наукоемкие технологии и материалы, НТМ-2010» (Воронеж, 2010) — Региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок» (Воронеж, 2011) — научно-практической конференции «Связь и телекоммуникации — инновационное развитие регионов» (Воронеж, 2011) — Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве, НТ-2011» (Воронеж, 2011) — Всероссийской научно-практической конференции «ВВС-100 лет на страже неба России: История, современное состояние и перспективы развития» (Воронеж, 2012), а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (2009;2012).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 5 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [56,62] - описание подходов к интеграции графических систем с решениями поддержки жизненного цикла- [57] - описание клиент-серверной архитектуры четырех уровневой модели РЬМ-решений- [58] - разработка программного обеспечения сопряжения с системами поддержки жизненного цикла- [6] - описание структуры взаимодействия компонент двух уровневой и четырех уровневой модели сетевой архитектуры РЬМ-решений- [7,8,42] - описание методов и алгоритмов отображения объёмных моделей в графических системах- [43,44,61] -разработка алгоритмов и структуры программного обеспечения восстановления и визуализации ЗБ-моделей- [63] - описание применимости программного обеспечения для визуализации многоэлементных конструкций. Материалы диссертации изложены также в 8 научно-технических отчетах НИОКР.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 85 наименований. Основная часть работы изложена на 153 страницах, содержит 67 рисунков, 2 таблицы.

Выводы.

1. Синтезирована структурная модель универсальной программной системы восстановления и визуализации пространственных моделей, отличающаяся наличием модулей, обеспечивающих интеграцию внешних систем графического моделирования и специализированной части программного комплекса, учитывающая специфику предметной области.

2. Разработана схема функционального взаимодействия с системами графического моделирования и поддержки жизненного цикла, обеспечивающая реализацию подходов бесшовной интеграции программных систем.

3. Сформирована структурная схема информационной системы, позволяющая проводить в интерактивном режиме восстановление и визуализацию ЗБ-модели графических данных, отличительной особенностью которой является формирование и использование интегрированной БД пространственных моделей.

4. Предложена структура специального программного обеспечения в составе СУБД с применением средств человеко-машинного интерфейса, содержащая интегрированные модули контроля, коррекции, восстановления и визуализации ЗЭ-моделей, отличающаяся сопряжением с широким кругом графических систем и решениями поддержки жизненного цикла с использованием четырехуровневой модели клиент-серверной архитектуры развёртывания РЬМ-систем.

5. Синтезирован графический интерфейс форм программного обеспечения формирования пространственной модели в соответствии с разработанными алгоритмами подсистем, произведено описание их интерактивного взаимодействия с пользователем. Определён набор операций, задаваемых пользователем в рамках взаимодействия с графической средой ПО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе комплексного анализа подходов к восстановлению и визуализации объемных графических моделей предложена модульная структура информационной системы восстановления и визуализации ЗБ-модели графических данных с применением разработанной схемы трехмерной реконструкции пространственной модели элементов по исходному описанию модели объекта.

2. Сформирована модель интеграции межмодульных интерфейсов, поддерживающая систему управления данными проекта, отличительной чертой которой является обеспечение бесшовной интеграции разработанного программного обеспечения с графическими системами и решениями поддержки жизненного цикла, как посредством динамически подключаемых библиотек, так и с использованием БД РЬМ-систем.

3. Разработано специализированное математическое обеспечение восстановления и визуализации объёмных графических моделей конструкции, отличающееся использованием разработанной схемы трехмерной реконструкции элементов по исходной модели, содержащей неоднородные части, с контролем «соответствия» формируемой параметрической модели.

4. Создана интегрированная база данных графических элементов, информационные поля которой содержат полную параметрическую модель объектаотличающаяся поддержкой различных типов данных и классов, графических библиотек и многовариантного поиска.

5. Сформирована структурная схема информационной системы, позволяющей проводить в интерактивном режиме восстановление и визуализацию ЗБ-модели графических данных, отличительной особенностью которой является формирование и использование интегрированной БД пространственных моделей.

6. Предложена структура специального программного обеспечения в составе СУБД с применением средств человеко-машинного интерфейса, содержащая интегрированные модули контроля, коррекции, восстановления и визуализации ЗО-моделей, отличающаяся сопряжением с широким кругом графических систем и решениями поддержки жизненного цикла с использованием четырехуровневой модели клиент-серверной архитектуры развёртывания РЬМ-систем.