CC BY
19
Пальчун Екатерина Николаевна, канд. техн. наук, доцент, kat.protivalist.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яковлев Борис Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, bor_ yakamail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Проскуряков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, vippneamail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SEARCH METHOD FOR ACCELERATING THE DETERMINATION PROCESS
MEDIUM COLOR IMAGES
E.N. Palchun, B.S. Yakovlev, N.E. Proskuryakov
The results of experimental studies on the identification of parameters that affect the speed of determining the average color when using software solutions built in C # and Python are presented. Experimental and analytical tools identified the main parameters that affect the speed of the process of determining the average color. Hypotheses were tested on the effect on the speed of the process by reducing the image size and using different programming languages.
Key words: medium color, image, RGB color model, C #, pixelColor.R, pixelCol-or.G, pixelColor.B, Python, PIP library, TIF, JPG, BMP, PNG.
Palchun Ekaterina Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, kat.protiva list.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yakovlev Boris Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, bor_ vak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Proskuryakov Nikolay Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, vippnea mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 519.9.62.50
ОРГАНИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ БЕСПИЛОТНОГО ОБЪЕКТА В ПРОСТРАНСТВЕ МЕТОДОМ КОМПОЗИЦИИ
ДВОЙСТВЕННЫХ ПАР
А.В. Демидова, Е.А. Семенчев
Рассматриваются метод декомпозиции сложных объектов по двойственным отношениям и возможность его применения для построения алгоритма перемещения автономного беспилотного объекта в пространстве путем композиции элементарных двойственных пар.
Ключевые слова: двойственные отношения, двойственная пара, метод декомпозиции-композиции, алгоритм перемещения, беспилотный объект.
В настоящее время актуальны разработки автономных транспортных платформ (АТП) различного назначения, перемещение которых в пространстве зависит от эффективности алгоритмов управления. Целью
38
данного исследования являлся поиск новых принципов построения и повышение степени универсальности алгоритмов перемещения АТП.
Природа развивается по принципу от «простого к сложному». При этом все, что рождается в природе, появляется как двойственная пара (ДП), состоящая из двух взаимодополняющих, взаимоотрицающих друг друга, взаимообусловливающих и взаимопревращающихся друг в друга полюсов (крайностей). Во всех объектах присутствуют противоположные стороны, которые стремятся к взаимному проникновению и взаимному отрицанию (базовый постулат диалектики Г. Гегеля).
Взаимная дополнительность противоположностей порождает различимость объектов, а взаимное отрицание полюсов порождает колебательную динамику их взаимодействия. Двойственная природа объектов обусловливает их оболочечное строение и существование внутренней и внешней среды [1].
В любом целостном объекте, имеющем оболочечное строение, можно выделить систему двойственных отношений и представить её как иерархическую конструкцию вложенных многомерных двойственных пар с различными свойствами, соединенных последовательно (внутренняя двойственность) и параллельно (внешняя двойственность). Помимо двойственных пар полюсов (крайностей) в объекте могут быть компоненты с иным отношением. Такие компоненты порождают асимметрию в системе, которую можно рассматривать как «недостроенную» симметрию. Асимметричные компоненты и элементы могут иметь взаимодополнительные элементы в окружающей среде или входить в состав систем более высокого уровня. Мы будем исходить из того, что объект, как целое, обладает изначальной внутренней мультидвойственностью, которую по закону сохранения и эволюции двойственных отношений можно представить состоящей из двойственных пар более низкого иерархического уровня, и, следовательно, возможности осуществить декомпозицию. Поскольку само объединение взаимодополнительных противоположностей осуществляется в рамках законов симметрии (зеркальной, спиновой, временной), такая декомпозиция должна быть универсальной и не зависеть от смыслового содержания придаваемого понятию «система».
В общем виде декомпозиция исходной целостной системы с непро-явленной структурой двойственных отношений на двойственные пары выглядит следующим образом.
Любая целостная система (естественная или воображаемая) может быть представлена как иерархическая конструкция вложенных многомерных двойственных пар, соединенных последовательно (внутренняя двойственность) и параллельно (внешняя двойственность). Декомпозиция заключается в следующем. На верхнем уровне система рассматривается как целое с внутренней, прошитой мультидвойственностью. На следующем уровне внутренняя прошитая двойственность раскладывается на два объекта с внешней двойственностью. Поскольку каждый полученный объект сохраняет внут-
39
реннюю двойственность, указанная процедура рекурсивно применяется к каждому полученному внешнему объекту. И так до получения четырех уровней иерархии, так как в одном измерении может находиться только одна ДП. Поскольку каждый объект декомпозиции может иметь оставшуюся двойственную природу со своим свойством, к ним также можно попытаться применить рассмотренную декомпозицию. Следовательно, всякий новый иерархический уровень строится по образу и подобию предыдущего. Таким образом, в пространстве получим гиперкристалл, построенный из кубиков или звездных тетраэдров, реализующих исходный замысел (рис.1).
Попытаемся рассмотреть более предметно декомпозицию целостной системы на двойственные пары. Любая система изначально так или иначе ориентируется на реализацию какого-либо замысла, содержащего в непроявленном виде целостную информацию о будущей конструкции.
Рис. 1. Представление любого целостного объекта в виде иерархической системы вложенных многомерных двойственных пар
Единство информации и вещества стало очевидным для всех наук. Но информация и вещество с точки зрения закона двойственности - это два взаимодополняющих и взаимообусловливающих друг друга полюса целостной системы, находящихся в сложном двойственном отношении. В такой системе реализуются два взаимодополнительных процесса: процесс материализации и процесс дематериализации (информатизации).
Следуя правилу декомпозиции двойственного отношения, разобьем систему как целостную единицу на материальную двойственную единицу (МДЕ) и информационную двойственную единицу (ИДЕ). МДЕ оперирует объектами (объективной реальностью) и представлениями об объектах (субъективной реальностью). ИДЕ оперирует представлениями об объектах (объективными идеалами) и представлениями о представлениях (субъективными идеалами).
Для лучшего понимания смысла двойственных подструктур МДЕ и ИДЕ обратимся, например, к процессу разработки какого-либо изделия. Процесс разработки можно разбить на две составляющие: проектирование (интеллектуальный цикл операций) и реализация (физический цикл операций). Физический цикл работает с объектами материального мира, которые подбираются по своим свойствам для реализации проектного замысла. Интеллектуальный цикл работает с образами объектов, создавая из них задуманную проектную композицию с использованием соответствующих знаний. Готовая композиция в виде чертежей и описаний передается на физи-
ческий цикл, реализующий проектный замысел от модели до проектного образца. Результаты испытаний реализованного объекта трансформируются в соответствующие образы и передаются снова на интеллектуальный цикл, который на втором периоде порождает более совершенный проект, который затем снова реализуется и т.д. пока не будет достигнут баланс между задуманным и достигнутым. Таким образом, порождается замкнутый саморегулируемый процесс с перекрестной передачей конечных результатов (рис. 2).
Рис. 2. Крест эволюции идеи в материализованный образец
Взаимодополнительный процесс дематериализации (информатизации) будет проходить по схеме «опыт, объект, реакция, знания». Тогда процесс «дематериализации» можно изобразить схемой (рис.3).
Из этого примера видно, что и физический и интеллектуальный циклы имеют два полюса: начало операций (исходное состояние) - конец операций (конечное состояние, которому ничто не мешает превратиться в исходное состояние), т.е. являются двойственными парами. Между физической и интеллектуальной подструктурами устанавливаются двойственные отношения саморегуляции.
В качестве примера применения метода декомпозиции по ДП рассмотрим декомпозицию некоторого живого объекта, реагирующего на воздействия окружающего мира определенным набором собственных действий. Очевидно, что в исходном виде живой объект рассматривается как целостная система, обладающая внутренней мультидвойственностью, в состав которой входит сенсорно-эффекторная двойственная пара. Дальнейшая декомпозиция представлена на рис. 4.
Рис. 3. Крест эволюции опыта в знания
Рис. 4. Декомпозиция по двойственным парам реакции живого объекта
на внешние воздействия
Левый крест нижнего уровня описывает процесс превращения воздействий окружающей среды в соответствующие информационные образы, запоминаемые в памяти живого объекта. Возможно циклическое повторение процесса до полного распознавания воздействий или запоминания новых видов воздействий. Этот циклический процесс можно рассматривать как превращение воздействий в знания.
Правый крест описывает процесс превращения имеющейся в памяти информации о применявшихся ранее действиях в воздействия объекта на окружающую среду. Здесь также возможно циклическое повторение процесса до достижения нужного эффекта и запоминания наиболее эффективных действий. Этот процесс можно рассматривать как превращение знаний в действия. Очевидно, что правый и левый кресты (процессы) являются взаимодополнительными и составляют единое целое.
Поскольку все в природе имеет двойственное начало, любая система сохраняет свою целостность до тех пор, пока в ней сохраняется хотя бы одна ДП. ДП следует рассматривать как наипростейшие элементы более сложных конструкций.
Таким образом, метод декомпозиции систем по двойственным парам дает возможность представить строение систем изнутри и может рассматриваться одним из немногих методов системного анализа и проектирования систем любой сложности, не теряющего целостного представления о системе на всех уровнях ее организации.
Исходя из этих возможностей была предложена организация алгоритма перемещения автономной транспортной платформы (АТП) по планируемой в процессе движения безопасной траектории на основе композиции элементарных двойственных пар.
Идея метода состоит в следующем. АТП получает координаты целевой точки и начинает движение к ней по идеальному маршруту - по прямой, так как она является наименьшим расстоянием между двумя точками. В соответствии с принципом наименьшего действия наш объект движется по прямой с некоторой скоростью, но по шагам. На каждом шаге происходит анализ ситуации. Если на пути попадается значительных раз-
меров объект, границы которого не видны срабатывает алгоритм системы безопасности - двигаться вдоль объекта не ближе определенного безопасного расстояния.
С шагом равным radius получаем данные об окружающем пространстве. Получаем матрицу вида:
■Хп1^7117п1 "' Хп2п^п2п'7п2п
где п _ W/radiusb.
При чем
^¿(¿+1) = Ха + radius; ^(¿+1)1 = Хц ;
^¿(¿+1) = fy+1^ = Y¿¿ + radius;
Полученные результаты соответствуют данным относительно сенсорного элемента, поэтому далее преобразовываем полученные координаты относительно центра объекта:
у * _ у _ " 7*_7 Л■¿¿ ~ Л■¿¿, ^ _ ^ ¿J¿¿ ~ ¿J¿¿.
Далее получаем m_ radiusb матриц следующим образом: осуществляем отбор только тех элементов матрицы, у которых значение координаты Z соответствуют неравенству
тт(7п) < 7п+1 < тах(7п) + radiusb.
Остальные элементы матрицы заменяются нулями.
В полученных матрицах в крайних столбцах и строках значения нулей заменяем на координаты ^^¿у, ^¿у), где i - номер строки, j - номер столбца, причем
^¿(2+1) = ^¿2 + radius; ^(¿+1)2 = ^¿2 ;
^¿(2+1) _ ^ ^(¿+1)2 _ ^¿2 + radius.
Это делается из-за того, что за границей области видимости могут располагаться объекты мешающие перемещению АТП, поэтому и предполагаем, что все пространство за зоной видимости является для АТП не проходимым.
В преобразованных матрицах для каждого шага Znm оцениваем возможность перемещения объекта.
Текущее положение нашего объекта - является действительным полюсом двойственной пары, тогда как то место, куда должен переместиться наш объект - мнимой частью двойственной пары. Мнимая часть вычисляется благодаря двум другим двойственным парам, образованными концами виртуальной перекладины, соединяющей наиболее сближенные точки границы свободного пространства между препятствиями, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Таким образом, мы получаем три пересекающиеся перекладины двойственных пар. В основе нашего метода лежит принцип наименьшего действия и закон сохранения двойственных отношений.
Анализ свободного пространства в направлении движения на некотором удалении от текущего положения (ЯУ - Зона видимости АТП) и определение свободного от объектов пространства происходит с шагом т= ^7/radiusb, в плоскости ортогональной направлению движения.
Само вычисление координат точек дальнейшего перемещения объекта (маршрута) происходит следующим образом: на отобранных на предыдущем этапе взаимодополнительных крайностях свободного пространства определяются точки будущего положения АТП, таким образом мы получаем некоторое количество мнимых пар, крайностями которых являются текущее местоположение нашего объекта и мнимое место, где в дальнейшем он должен оказаться. Получив все возможные варианты кре-стообразующих двойственных пар, АТП выбирает наиболее оптимальный маршрут перемещения, основываясь на принципе наименьшего действия, т.е. выбирая маршрут наиболее близкий к целевому.
Первый этап планирования заключается в определении значения расстояния между АТП и находящимся в его зоне видимости препятствиями на основании информации, полученной от датчиков расстояния (сенсорный элемент).
АТП принят как симметричный и с ним связанны две системы координат. Он имеет сенсорную систему, обладающую тремя степенями свободы и имеющую собственную подвижную систему координат. Другая система координат жестко связана с объектом и одна из осей её направлена по оси симметрии объекта. Перемещения осуществляются и фиксируются в третьей системе координат, в которой намечен желаемый маршрут движения.
Предполагается, что автономный объект является самоуправляемым и в его структуре существует помимо прочих пять подсистем, как показано на схеме имитационной модели, изображенной на рис. 5.
Рис. 5. Обобщенная структура имитационной модели интеллектуального автономного объекта
Каждая из представленных подсистем отвечает за конкретную работу и все они взаимосвязаны. Причем они приходят в активность в зависимости от поставленной задачи, цели к которой происходит движение. Или, можно сказать, при определенной потребности автономного объекта.
44
Для своей работы подсистема самоуправления получает сигналы от других подсистем, в качестве которых выступают значения потребностей этих подсистем. Подсистема производит оценку этих потребностей, а также расчет собственной потребности во времени и формирует вектор цели АТП. В соответствии с выбранной стратегией подсистема самоуправления активизирует определенную подсистему АТП на отрезок времени At.
Предложенный алгоритм исследован на имитационной модели для различных типов автономных объектов (андроид, робот, автомобиль), перемещающихся в пространстве со множеством препятствий со скоростями до 160 км/час, работоспособен и обладает высокой степенью универсальности.
Список литературы
1. Семенчев Е.А. Системный анализ и синтез искусственных живых машин: двойственный аспект. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 252 с.
Демидова Анастасия Владимирована, магистр, demidova-a-v@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Семенчев Евгений Александрович, канд. техн. наук, доцент, s1e2m3@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ORGANIZATION OF AN UNMANNED OBJECT MOVEMENT ALGORITHM IN SPACE BY THE METHOD OF COMPOSITION OF DUAL PAIRS
A. V. Demidova, E.A. Semenchev
Decomposition method of compound objects into dual relationships and possibility of its application to construct an algorithm for moving an autonomous unmanned object in space by composing elementary dual pairs are considered.
Key words: dual relations, dual pair, decomposition-composition method, moving algorithm, unmanned object.
Demidova Anastasia Vladimirovna, master, demidova-a-v@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Semenchev Evgeniy Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, s1e2m3@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
