WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ФУРСА Максим Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СЛЕЖЕНИЯ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ДЛЯ ПРИЛОЖЕНИЙ ВИРТУАЛЬНОГО ОКРУЖЕНИЯ 05.13.11 – Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в базовой организации Кафедры системной интеграции Московского физико-технического института (государственного Университета) – Институте физико-технической информатики (г. Протвино)

Научный консультант: доктор физико-математических наук Клименко Станислав Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Дебелов Виктор Алексеевич кандидат физико-математических наук Мурзин Федор Александрович

Ведущая организация: Институт системного анализа РАН

Защита диссертации состоится «10» ноября 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 003.061.02 при Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН.

Автореферат разослан «06» октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 003.061.02 при ИВМиМГ СО РАН, д.ф.-м.н. С.Б. Сорокин 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Данный момент времени характеризуется быстрым ростом производительности компьютеров. Это позволяет использовать компьютеры для совершения быстрых логико-операционных действий и оптимизировать так называемую операционную деятельность человека. Тем не менее, больших успехов в компьютерном оперировании на уровне образов до сих пор достичь не удалось. Но компьютеры могут помочь в этом человеку. Существенно повысить эффективность визуального анализа данных могут системы виртуальной реальности (ВР), называемые также системами виртуального окружения (ВО). Задача таких систем — погрузить исследователя в искусственный мир анализируемой модели и предоставить естественный интуитивный интерфейс для взаимодействия с её элементами. Это становится особенно актуальным сейчас, при быстром росте производимой человеком информации.

В настоящее время в мире существует более пятисот крупномасштабных установок виртуальной реальности, которые используются в самых различных областях науки и техники для решения задач как фундаментальных научных дисциплин, так и в узко специализированных прикладных направлениях. Разработку технологий виртуального окружения в силу высокой стоимости компонент до последнего времени могли себе позволить только крупные институты, богатые университеты или лаборатории ведущих мировых компаний. Прогресс в создании доступных компьютеров, графических ускорителей и обычных офисных проекторов позволяет разрабатывать доступные установки ВО.

Естественный интуитивный интерфейс является важной частью любой системы виртуальной реальности. Для создания ощущения полного погружения в виртуальную реальность важной компонентой является система слежения (называемая также системой трекинга) за положением и действиями пользователя в пространстве установки ВО. Для создания систем слежения используются различные технологии: существуют механические, электромагнитные, ультразвуковые, оптические и другие системы. Преимуществом оптических систем является удобство в использовании, так как в таких системах отсутствуют длинные провода, часто мешающие работе. Стоимость существующих систем слежения довольно велика, так как большинство таких систем разрабатывалось для сложных и дорогостоящих установок ВО.

Появление доступных систем виртуальной реальности требует разработки также и доступных систем слежения, которые удовлетворили бы требованиям пользователей таких установок. Использование современных недорогих аппаратных компонент позволяет это сделать. Оборудование для ввода зрительных данных сегодня является доступным, но требует разработки новых методов анализа данных.

Существующие сегодня оптические системы слежения (ОСС) привязаны к конкретному оборудованию и не позволяют пользователям модернизировать программную платформу. Кроме того, системы слежения на основе двух камер, широко применяемые сегодня, обладают рядом недостатков. Так например, точность в таких системах ухудшается с увеличением расстояния до камер, а в случае отсутствия прямой видимости между приемником и источником отслеживание перемещения становится невозможным.

В диссертации предлагается математическое и программное обеспечение, позволяющее разрабатывать расширяемые оптические системы слежения реального времени на основе анализа зрительных данных от нескольких камер. Созданные программные средства обеспечивают быструю разработку ОСС на основе доступного оборудования с учётом требований и ограничений конкретных установок и приложений ВО за счёт повторного использования её компонент.

Цель и задачи работы Цель диссертационной работы заключается в исследовании и разработке математического и программного обеспечения оптических систем слежения для новой информационной технологии — технологии виртуального окружения. Разработанное обеспечение основано на применении унифицированной архитектуры программных модулей и реализующих эту архитектуру алгоритмических и программных средств. В результате должны быть построены программные комплексы оптических систем слежения для различных установок виртуального окружения. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать архитектуру программных модулей ОСС «Трекинг» для создания программных комплексов слежения реального времени.

2. Разработать математические и программные средства для реконструкции положений объектов в пространстве на основе анализа изображений и модели проективного преобразования с учётом требований реального времени.

3. Провести апробацию разработанных математических и программных средств, реализовав программный комплекс ОСС «Трекинг», интегрированный с аппаратным и программным обеспечением установок виртуального окружения и интерактивными устройствами.

Научная новизна В работе предложена унифицированная архитектура расширяемых оптических систем слежения для установок виртуального окружения. Предложена структура алгоритмов реконструкции положений объектов в пространстве на основе анализа изображений, включающая комбинированный алгоритм поиска центров образов маркеров на основе анализа параллельных хорд и яркостей точек образов, алгоритм реконструкции, учитывающий её локальную точность и устойчивость, зависящую от конфигурации камер, и управляющий алгоритм, оптимизирующий точность и скорость обработки данных на основе результатов предварительного анализа.

Практическая ценность Практическая значимость работы подтверждается эффективностью применения разработанных математических и программных средств для создания систем слежения для нескольких установок ВО, а именно для установок типа VEonPC, функционирующих в Институте физико-технической информатики и Московском физико-техническом институте в г. Москве и для установок типа CAVE Фраунгоферовского института медиакоммуникаций (г.

Санкт Августин, Германия). Разработанные программные средства могут быть использованы многими лабораториями виртуального окружения в разных установках и конфигурациях. Полученные результаты могут быть полезны разработчикам установок виртуального окружения для создания собственных систем слежения на основе доступного оборудования и для их технического анализа с целью сравнения. Кроме того, на основе некоторых модулей ОСС «Трекинг», а именно алгоритмов реконструкции и компенсации искажений, было улучшено качество работы оптической системы, работающей на основе структурной подсветки, при восстановлении поверхностей объектов.

Апробация работы.

Материал диссертации опубликован в работах [1-13], а также докладывался и обсуждался на научных семинарах в Институте физико-технической информатики (Протвино), в Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ (Москва), в Институте медиакоммуникаций (Санкт Августин, Германия) и следующих международных конференциях: «Системы виртуального окружения на кластерах персональных компьютеров» VEonPC (сентябрь 2001, Протвино — Иркутск, Россия); VEonPC 2002 (сентябрь 2002, Протвино — Санкт Петербург, Россия); VEonPC 2003 (июнь 2003, Москва — Ханты-Мансийск, Россия), «Международная конференция по человекомашинному взаимодействию» (июль 2007, Пекин, Китай), «Пространство виртуальной реальности и её приложения в промышленности» ACM SIGGRAPH VRCAI 2004, (июнь 2004, Сингапур). Разработанная система слежения была продемонстрирована на европейской конференции по компьютерному видению ECCV 2004, (май 2004, Прага, Чехия). Некоторые результаты упоминались в учебном курсе «Введение в обработку изображений и компьютерное видение» (“Introduction to the Image Processing and Computer Vision”), читавшемся в международном центре информационных технологий BIT (Bonn-Aachen Information Center), а также использовались в европейском проекте HUMODAN.

Личный вклад автора.

Все основные результаты, изложенные в работе, получены автором лично. Автором разработана архитектура ОСС «Трекинг», алгоритмические и программные средства, реализующие эту архитектуру, а также программный комплекс «Трекинг», использующий созданные средства и интегриро ванный с оборудованием и программным обеспечением нескольких установок ВО.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 126 наименований. Основной текст диссертации (без списка литературы) составляет 121 страницу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность темы работы, определяются её цели и задачи, раскрывается практическая значимость.

В первой главе представлены установки ВО, принципы их работы, программное обеспечение для создания и выполнения приложений ВО; дано определение систем слежения, приведена классификация таких систем и сформулированы требования к их работе; представлена предлагаемая автором архитектура программных модулей ОСС «Трекинг».

Представлены существующие технологии получения стереоэффекта и крупномасштабные системы ВО, в том числе система типа VEonPC, в создании которой автор принимал участие, и система типа CAVE, в создании приложений для которой автор также принимал участие. Предназначение виртуальных окружений заключается в том, чтобы обеспечить пользователей или группу пользователей — учёных, инженеров, дизайнеров — виртуальным рабочим пространством, в котором они могут наблюдать, исследовать и создавать в реальном времени необходимые им виртуальные объекты. Большинство виртуальных окружений имеют сходную аппаратурную конфигурацию.

Прежде всего, это графический обработчик, то есть специально разработанное для создания стереоскопических изображений программное обеспечение.

Следующим обязательным элементом является проекционная система, которая отображает просчитанную сцену на экран. Обязательным элементом являются и специальные очки, необходимые пользователю для восприятия трёхмерного изображения. Многоканальная аудио система может способствовать погружению пользователя в виртуальный мир модели. Устройство слежения, измеряющее положение и ориентацию головы пользователя, а также, возможно, руки, указки или других объектов, позволяет графическому обработчику вычислять перспективно правильное изображение для любой точки зрения пользователя, а пользователю предоставляет возможность интерактивной работы с данными.

Описана одна из программных сред разработки и выполнения приложений ВО — Аванго, обеспечивающая разработчиков приложений специальными функциональными возможностями и концепцией обобществлённого графа сцены, доступного всем процессам, образующим распределённое приложение.

Приведена классификация существующих систем слежения; представляются слабые и сильные места разных технологий. Указаны производители некоторых популярных коммерческих систем слежения и их технические ха рактеристики. Представлен анализ требований пользователей к таким системам.

Опыт работы с различными системами слежения и установками ВО позволил автору разработать унифицированную архитектуру ОСС «Трекинг».

Данная архитектура предназначена для определения положений объектов в пространстве на основе анализа конфигураций опорных точек (маркеров), принадлежащих отслеживаемым объектам, видимых на видеоизображениях, в режиме реального времени. Требование реального времени является мягким и заключается в том, чтобы частота предоставления данных была не ниже 25 Герц, так как в противном случае нарушится эффект присутствия в установке ВО. Архитектура ОСС «Трекинг» определяет основные шаблоны программных модулей, их выполняемые функции и взаимосвязь между ними.

В архитектуре выделяется следующий ряд модулей: модуль получения зрительных данных, зависящий от аппаратной конфигурации системы, модуль пользовательского интерфейса, зависящий от операционной системы, модуль передачи данных, зависящий от программного комплекса ВО и независимые модули, осуществляющие обработку данных и контроль реального времени.

Модуль получения зрительных данных Модуль расчета Модуль поиска положения/ориентаобразов маркеров ции отслеживаемых на изображениях объектов Модуль компенсации Модуль передачи оптических данных искажений приложениям Модуль Модуль реконструкции пользовательского трехмерных интерфейса координат маркеров Управляющий модуль Рис. 1. Схема взаимосвязей между модулями архитектуры ОСС «Трекинг».

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.